超高性能混凝土预制桥梁在广东农村公路旧桥改造工程中的应用

田月强，杜 钊，罗宏伟

(中路杜拉国际工程股份有限公司，广州 510627)

0 引言

随着我国近年来超高性能混凝土(Ultra-HighPerformance Concrete，UHPC)在土木工程、建筑装饰和其他相关领域的不断尝试，积累了一定的具有代表性的应用案例[1-3]，学术研究机构[4]、设计部门以及行业主管部门逐步接纳，材料供应商、施工企业陆续投入到UHPC的配套研发、推广应用中，使得UHPC成为近来土木工程领域的一个热点[5]。

本文以广东省农村公路危桥改造工程为背景，对UHPC在农村桥梁加固改造工程中的应用进行探讨，旨在为农村桥梁的加固改造提供一个新的思路。

1 农村公路桥梁现状

公路桥梁作为公共交通的重要组成部分，是保障居民出行，促进经济发展的主要手段。广东省河流众多，水系发达，主要以珠江流域(东江、西江、北江和珠江三角洲)及独流入海的韩江流域和粤东沿海、粤西沿海诸河为主，集水面积占全省面积的99.8%。广东省作为经济大省，公路桥梁建设起步早、规模大、覆盖广，截止2018年底，广东省公路通车里程21.958万km，公路桥梁达到4.7794万座，位居全国首位。

经过几十年的大规模桥梁建设，随着服役年限增多、荷载等级提升，桥梁的管养形式面临挑战，而农村桥梁又以数量多、规模小、分布离散等主要特征，成为日常管养的难点之一。

1.1 先天建设条件不足

农村桥梁的建设，大部分是在二十世纪60年代、70年代，当地政府或村民组织，为解决基本的交通出行而筹建，设计使用年限一般为30年。在建设过程中，建设资金有限，一般来源于政府或当地村民自筹，引用标准低或无标准。因此，其在进行桥梁建筑材料的选择、桥梁功能的定义、建设企业的选择等方面，多有取舍，导致桥梁在交付使用时，即存在较多的设计、施工缺陷[6-7]。

1.2 管养跟不上

农村桥梁具有体量小、数量庞大和地处偏远等分布特点，设计资料、建设资料缺失，结构形式多样。以上不利因素，造成地方管养单位对农村桥梁的养护和管理工作难度较大。同时，由于地方资金紧张、基建规模和速度始终保持持续高速增长，地方管养单位无论在管养资金或是管养人力方面，都存在较大的缺口[8]。

1.3 交通运输需求提升

改革开放四十余年，伴随着国民经济的长足发展，农村经济活动日益活跃。公路交通运输作为农村经济发展的主要载体，其承担的角色，也由解决村民的交通出行，转变为带动经济发展，发生了根本的变化，进而导致了早期农村桥梁的设计原则与目前交通需求之间的矛盾。农村桥梁参与角色、农村桥梁交通需求、设计荷载等级、道路等级的变化，加快了农村桥梁的病害发展，使得农村桥梁的加固维修与升级改造工作，形势尤为紧迫。

2 农村公路桥梁的主要病害

2.1 下部结构

下构病害主要包括立柱和盖梁混凝土因受荷或撞击出现开裂、剥落和钢筋锈蚀，受流水冲刷或河床下切出现扩大基础基底掏空，桩基混凝土冲蚀、钢筋锈蚀等(图1～图3)。

图1 立柱开裂

图2 盖梁开裂

图3 桩基混凝土冲蚀、露筋

2.2 上部结构

上构病害主要包括梁体的载荷裂缝或结构裂缝，梁体由于温度或自重导致出现裂缝，外力撞击造成的破坏裂缝，混凝土碳化、剥落，钢筋锈胀腐蚀等(图4～图6)。

图4 顶板坑洞

图5 梁体开裂

图6 混凝土剥落、钢筋锈蚀

2.3 附属结构

附属结构病害主要包括桥面铺装破损、坑槽，防护栏开裂、破损、露筋，伸缩缝破损失效，搭板开裂沉降等(图7～图10)。

图7 桥面铺装网裂剥落

图8 栏杆破损、露筋

图9 伸缩缝破损失效

图10 搭板开裂沉降

3 农村旧桥加固维修常用措施

3.1 下部结构不变，上部结构加固维修

这种加固维修方式，主要针对桥梁病害较轻、上部结构承载能力损失较大的情况。此时可以采用粘贴钢板或粘贴钢纤维布；重新对裂缝、破损桥面等部位进行局部修补等方式，对桥梁进行加固。

3.2 上部结构和下部结构均加固维修

随着社会经济的发展，原有的设计交通荷载已经满足不了日益增长的交通需求，此时需要对桥梁承载能力进行提升或者对桥面宽度进行加宽。在基础条件较好的情况下，需要对桥梁的上部结构和下部结构进行加固补强。此外，对于原有桥梁设计资料不完善、桥梁损伤程度不清晰的情况，这种情况的加固补强设计很难有针对性地开展，需要设计人员具有丰富的实践经验。

采用UHPC预制桥梁作为上部结构，既提高了桥梁的通行荷载等级，同时也减轻了上部结构的自重，使得不对下部结构进行加固的情况下，完成桥梁加固维修成为可能，而且UHPC预制桥梁施工具有经济、环保、施工速度快等优点。本文介绍的工程案例大多是这种情况。

3.3 拆除重建

如果桥梁结构损伤严重，加固维修的成本高于新建桥梁的成本时，拆除重建就成为必然的选择，但这种措施的经济性较差。采用UHPC预制桥梁，可尽可能地加快施工速度，节约施工成本，提高桥梁的经济效益和社会效益。

4 UHPC的应用

UHPC作为目前国际上较先进的水泥基材料，具有强度高、耐久性好等力学性能特点。在桥梁工程中，国内外均有较为丰富的工程应用案例，多将该材料应用于接缝[9]和梁体[10]。结合广东旧桥病害和实际功能需求，在一些特定的施工环境和结构体系中，本文提出以下几种应用场景。

4.1 轻型、高强UHPC工型梁的应用

结合农村桥梁体量规模较大，建设资金紧张的情况，通过部分桥梁主体结构的更换，达到满足现行规范要求，降低总体造价的目的。

在既有下部结构完好，承载力适当的情况下，通过采用轻型、高强UHPC工型梁，能够实现满足规范要求、节省造价的目的。表1列出了桥宽10m、跨径16m桥梁上部主体结构的对比(未计铺装层及附属结构)。

表1 后张法预应力混凝土空心板与后张法UHPC+NC组合梁对比

4.2 节段预制运输、现场拼接安装的应用

农村公路的主要功能是满足当地农用车辆和小型车辆通行，道路路面宽度不足，转弯半径小，大型运输车辆和施工机具较难通行，因此，农村桥梁多采用就地预制吊装或现浇结构。

后张法UHPC梁可采用工厂集中节段预制(可视运输的实际情况，进行节段长度划分)，节段运输至现场，现场就地装配为整体吊装或现场安装，节段装配为整体。采用该结构体系及理念，既能避免对大型机具的依赖和农村公路运输条件的限制，也能提高桥梁的成品质量。

4.3 加大跨径、减少水中墩的应用

农村桥梁多以方便居民出行、跨越河流和沟谷为目的。在修建过程中，专业的桥梁工程师较缺乏，因此，缺少对河流冲刷、洪水频率等判定，造成桥梁水中墩台冲刷严重，承载能力急剧恶化。同时，水中墩台的修筑，既加大了桥梁的修建难度，也使桥梁的总体造价大幅上升。

采用传统大跨径结构进行跨越，面临以下几个问题：

(1)需要大型构件的运输或大型机具的使用，在农村桥梁中难以实现；

(2)传统结构自重较大，对桥台的处理要求较高；

(3)无规模化优势，工程造价较高。

因此，农村桥梁多以多跨形式，完成河流和沟谷的跨越。

采用轻型、高强，可节段装配式的UHPC梁，是农村桥梁一个较好的选择。表2列出了桥宽12.5m、跨径30m桥梁上部结构的对比(未计铺装层及附属结构)。

表2 后张法预应力混凝土小箱梁与后张法UHPC+NC组合梁对比

UHPC作为一种基础的建筑材料，在农村公路桥梁工程的使用中，面对不同的应用场景，有着重量轻、施工速度快、对环境友好等优势。如UHPC梁高跨比为1/20～1/30，还可以有效降低建筑高度。在后期维护中，因其具有优异的耐久性能，可以实现运营期内免维养和更长的使用寿命。

5 工程实例

2019年，广东省启动农村公路危桥改造项目，该项目被纳入广东省政府“十件民生实事”工程之一。在该工程中，包括315座危桥改造，部分危桥应用了UHPC+NC梁，本文选取其中具有代表性的两座桥进行介绍。

5.1 潮州市溪东桥

潮州市溪东桥位于饶平县三饶镇Y446线上，横跨食饭溪，改造方案为在原桥址上游7m处新建，桥跨布置为3×16m预应力简支混凝土工字梁。预应力混凝土简支工字梁梁高90cm，单梁自重约15.9t，上部结构总建筑高度90cm(预应力混凝土简支工字梁)+18cm(桥面板)。

在桥梁实施过程中遇到以下问题:(1)由于该桥地处偏远，道路通行能力较差，大型构件运输和大型吊装设备使用受限；(2)工程规模小，周边无成品梁采购，新建预制梁场投资过大；(3)3跨结构，中跨吊装困难。

为保证工程顺利推进，解决工程实际问题，经设计和施工单位调研，决定采用UHPC工型梁，梁高62cm，单梁自重5.5t，上部结构总建筑高度62cm(UHPC工型梁)+22cm(桥面板)。

5.2 揭阳市金鲤大桥

揭阳市金鲤大桥位于揭西县境内的X096线，横跨榕江南河。原桥布置为左右双幅，左右幅修建年代不同。左幅跨径组合为8×16m+3×20m+4×16m，右幅跨径组合为8×16m+3×20m+8×16m，左右幅单幅桥面宽度均为8m，桥面铺装为水泥混凝土铺装。下部构造均为双柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。上部改造方案为更换左幅第1#、7#、8#、9#、10#、11#共6跨，跨径为3跨16m和3跨20m。更换结构为后张法预应力混凝土T型梁，16m跨径单片梁自重约23.1t，20m跨径单片梁自重约27.9t。

该桥下部结构检测评定结果为3类，经研究及试验验证，具备利用条件。由于桥梁修建年代久远，相关施工资料缺失，为保证桥梁的整体安全，决定采用轻型、高强的UHPC梁进行更换。表3列出了采用后张法UHPC+NC组合梁和后张法预应力混凝土T型梁的对比(不含铺装)。

表3 后张法预应力混凝土T型梁与后张法UHPC+NC组合梁对比

应用后张法UHPC+NC组合梁，16m跨恒载减载约40%，20m跨恒载减载约37.8%，恒载减载效果显著。

6 结语

UHPC作为建筑材料，具有强度高、耐久性好等优点。本文根据农村旧桥的常见病害，以及常见旧桥加固维修的方法，将UHPC预制桥梁引进到农村旧桥改造工程应用中。工程实践表明，UHPC预制桥梁在广东农村旧桥改造工程中提供了一种经济、环保、施工速度快的新方法。随着对UHPC研究的不断深入和结构的应用，以及原材料价格的持续下降和工艺的逐步改进，期望UHPC预制桥梁在我国桥梁建设领域得到更广泛的应用。