超高性能混凝土预制梁在危桥改造中的应用

广东省基础工程集团有限公司，广东 广州 510620

1 工程概况

广东省农村公路危桥改造建设总承包1标段包括汕头、潮州、揭阳、梅州、汕尾、河源以及韶关7个地级市共计140座桥梁。揭阳市金鲤大桥位于X096县道，连接揭西县与普宁市，全桥长320m、宽16m，上部结构均为普通钢筋混凝土T梁，左幅桥跨径组合为（8×16+3×20+4×16）m，右幅桥跨径组合为（8×16+3×20+8×16）m，下部构造均为双柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。根据桥梁的检测及静载试验报告，该桥被评定为四类桥，左幅桥存在T梁贯穿破坏。需对左幅桥0#～1#、6#～11#共6跨上部梁进行更换，以到达公路Ⅱ级荷载标准。

该项目在已有的超高性能混凝土材料研究的基础上，利用超高性能混凝土材料自身强度高的特点，并掺入高强钢纤维材料，使其拥有更高的强度和更好的抗开裂性能和耐久性，在满足设计荷载的前提下，可优化减小构件截面，大幅度减轻构件自重，使桥梁下部结构承受的荷载减轻，减少下部结构的改造费用，同时因梁体自重的减轻，可使用轻型运输和起重机械在狭窄的农村道路以及有限的现场作业空间中进行运梁、架梁施工，显著提高施工的便利性。

2 超高性能混凝土预制梁技术的研究现状

从目前的检索结果来看，国内外公开发表的文献中，对超高性能混凝土预制梁技术的主要研究内容包括超高性能混凝土桥梁设计与施工关键技术问题探讨，预制超高性能混凝土中承式梁单元、桥梁结构及施工方法，预制拼装超高性能混凝土板式拱桥及其施工方法等，但未见超高性能混凝土预制梁在危桥改造中的应用技术的研究内容。

3 超高性能混凝土技术的优点及适应范围

该项目采用新型混凝土施工技术，并配合成熟的简支工字梁预应力施工技术，由工厂统一制梁，现场在小型起重机械的配合下即可完成吊装，施工高效便捷。主要技术优点如下：

（1）结构自重减轻。超高性能混凝土是一种新型纤维增强水泥基复合材料，掺入钢纤维材料，具有强度高、徐变小、耐久性好等诸多优异性能。通过与成熟的预应力施工技术结合，能显著提高超高性能混凝土构件的抗弯承载力和开裂弯矩，在满足同等承载力的条件下，超高性能混凝土构件截面尺寸比传统的预应力钢筋混凝土构件减小约30%，且构件中无须配置钢筋骨架，有效减轻构件自重 40%～ 60%。

（2）工期短。超高性能混凝土梁由工厂集中制作养护，现场进行吊装，可实现下部加固与片梁同步施工。

（3）成本较低。超高性能混凝土材料由厂家在预制场内集中组织生产，并采用轻型机械设备运输和吊装，能节省预制梁建设、模板和设备费用。

（4）使用寿命长。因为超高性能混凝土材料自身强度高，并掺入高强钢纤维材料，所以其抗拉、抗裂性能均优于普通混凝土，使用寿命可达百年。

（5）施工方便快捷。使用该材料生产的预制梁在满足承载能力的前提下可大幅度减小构件的横截面积，减轻上部梁体的自重，无须采用大吨位的机械设备运输吊装，可降低作业场地以及对桥梁下部结构受力的要求，能够充分利用原有旧桥基础。

综上所述，该技术适用于多数危桥改造施工，在跨度大、水深、桥高的危桥更换上部结构改造中，该技术更是优选。

4 超高性能混凝土预制梁施工的主要内容

项目重难点在于更换桥跨梁底距河床高超过21m，无法采用传统搭设支架的支模现浇施工方法；桥头有超高压电塔电线，无法采用架桥机架设传统预制梁；旧桥属于四类危桥，大型机械设备无法在旧桥上行走作业。

超高性能混凝土预制梁施工的主要内容如下：（1）制订合理的梁体预制、吊装方案；（2）减少上部结构体积、减轻自重；（3）提高梁体结构强度，优化梁体截面尺寸，提倡应用超高性能混凝土。该工程采用超高性能混凝土结合预应力技术，由场外预制工字简支梁，待桥梁下部墩柱加固完成后，预制梁统一运至现场，采用小型起重机械吊装。通过优化截面，使用新型超高强度混凝土浇筑制作，在保证设计荷载要求的前提下，能大幅度减小构件体积，减轻结构自重，充分利用桥梁原有下部结构的承载性能，提高老桥构件的利用率，有效节省建设成本。在梁体预制的过程中，同时可对桥梁下部墩柱进行加固施工，实现上下部结构同步施工，节省现场临时预制场地的建设费用和大型吊装机械的使用费用，并大幅度缩短工期。此技术的应用可对其他农村公路危桥的改造施工起到示范作用，满足高效、安全、节能、节材、降耗的要求，有良好的推广应用前景。

5 超高性能混凝土技术的可行性论证

（1）超高性能混凝土梁截面优化验算。金鲤大桥更换超高性能混凝土梁横断面如图1所示。

图1 金鲤大桥更换超高性能混凝土梁横断面图

根据图1中超高性能混凝土梁横断面尺寸参数，利用计算机CAD软件输入该梁的尺寸参数计算单片超高性能混凝土梁正截面毛面积、质心及惯性矩，将惯性矩分别除以上下边界到质心的距离得到抵抗矩数值。CAD软件显示计算结果如表1所示。

表1 CAD软件显示计算结果

经计算得出单片梁毛截面积S=0.15m2，截面惯性矩I=2.49×1010mm4，截面抵抗矩W=7.56×107mm3，单片梁体自重为75kN（密度为25kN/m3），超高性能混凝土梁自重为3.75kN/m。桥面系附属构造，恒载为12kN/m，则沿梁长恒载为15.75kN/m，产生跨中弯矩为787.6kN·m；公路Ⅱ级两车道均布荷载标准直接取值7.875kN/m，产生跨中弯矩为393.75kN·m；人群、汽车可变冲击荷载共计750kN，产生跨中弯矩为7500kN·m。综上，产生跨中总弯矩为787.6+393.75+7500=8681.35kN·m。超高性能混凝土梁自重恒载分布如图2所示。

图2 超高性能混凝土梁自重恒载分布

受压区高度计算：设中性轴到截面上缘距离为x，受压区高度的计算公式如下：

式中：a1由《混凝土结构设计规范（2015年版）》（以下简称《规范》）（GB 50010—2010）中6.2.6章节规定取值为0.85；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，取值150；As、A's为受拉区、受压区纵向普通钢筋的截面面积，在此不计算此项；Ap、A'p为受拉区、受压区纵向预应力筋的截面面积，按设计文件取值2×15.2mm2；σ′p0为受压区纵向预应力筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力筋应力。

代入数据解得x≈0.14m。

由图2可知x＞，按《规范》中6.2.11章节规定，采用如下验算公式验算跨中正截面：

代入数据得到弯矩标准值M=13433.64kN·m，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）中5.1.2章节相关规定及《规范》的10.1.2章节中对结构重要系数γ0的取值说明，该超高性能混凝土梁的荷载组合验算取γ0=1，最终计算得出该超高性能混凝土梁的弯矩值为8681.35kN·m，小于弯矩标准值M=13433.64kN·m。

经上述验算可得到结论：该超高性能混凝土梁正截面承载力满足公路Ⅱ级荷载要求。

（2）超高性能混凝土梁静载试验。通过对1∶1试验梁进行压载试验，检查梁体承载能力和极限破坏强度，为预应力优化设计做参考，并对验算结果进行验证。超高性能混凝土预制梁静载试验现场如图3所示。

图3 超高性能混凝土预制梁静载试验现场图

通过标准静载试验可得，1∶1试验梁跨中下曲挠度为6.62mm，1/4跨下曲挠度为5.14mm，表面无裂缝产生；施加1.5倍设计极限荷载，跨中下曲挠度为9.55mm，表面无裂缝产生；施加2倍设计极限荷载，跨中下曲挠度为12.89mm，跨中梁底出现裂缝，深度为7～10mm，未完全破坏钢筋保护层；马蹄部出现剪切裂缝，深度为5～8mm。

得出如下结论：广东省农村公路危桥改造建设总承包项目1标段超高性能混凝土工字梁在各级荷载作用下，结构变形和应变状态正常；位移校验系数、应变校验系数和残余变形等各项试验指标满足相关要求。这说明结构在整个试验过程中处于弹性工作状态，强度、刚度满足设计荷载标准，掺入的纤维材料对超高性能混凝土的抗裂具有很好的抑制作用。

6 超高性能混凝土预制梁的工程实践应用

（1）制梁。该项目金鲤大桥预制梁主要采用长度为16m、20m的标准跨径，根据设计图纸定制成套钢模板。在完成现浇层预埋钢筋、预应力管道及验收合格后封模浇筑预拌超高性能混凝土。因超高性能混凝土材料加入纤维材料后较黏稠，应延长振捣时间。

（2）养护。采用室内24h制7d覆盖加热蒸汽养护，在超高性能混凝土材料终凝后立即进行。覆盖养护罩内蒸汽温度为80～90℃，室内空气湿度为90%，连续养护7d。

（3）张拉。因超高性能混凝土材料早期强度非常高，配合使用蒸汽覆盖养护也可使超高性能混凝土预制梁强度在7d养护达到设计强度的90%以上，提前达到满足预应力筋张拉施工条件。梁体的张拉采用常规预制梁预应力张拉方法进行两端张拉，以控制张拉力为主，伸长量作为校核。

（4）吊梁。超高性能混凝土梁吊装采用常规轻量吊装方式，20m长的超高性能混凝土预制梁重量仅为75kN，吊装时仅使用25t汽车吊即可满足作业需求。

（5）超高性能混凝土预制薄板安装。采用尺寸为97cm×100cm×3cm的预制超高性能混凝土板作为永久性模板安装在超高性能混凝土工字梁上部，作为施工操作平台及作混凝土浇筑承重板使用。

（6）钢筋混凝土现浇层施工。以16cm厚的钢筋混凝土现浇层作为桥面主要承重板，可对超高性能混凝土预制梁起到横向连接固结作用。

超高性能混凝土梁危桥改造现场如图4所示。

图4 超高性能混凝土梁危桥改造现场图

7 超高性能混凝土技术的成果检验及推广应用

超高性能混凝土预制梁在金鲤大桥危桥改造中的实践证明，应用超高性能混凝土技术使该桥避免了拆除重建，加快了桥梁改造进度，节省了施工成本，且施工安全便捷。超高性能混凝土材料具有强度高、耐久性好的特点，在满足承载力要求的前提下，超高性能混凝土梁可减小梁体截面尺寸，降低梁体自重，减轻下部墩柱结构受力，使原有墩柱结构可以得到充分利用。对于农村危桥改造，尤其对进场道路狭小、现场作业空间受限、下部结构基础相对较好而上部桥跨宽度不足或桥面病害较严重的桥梁，将超高性能混凝土技术应用于该类农村危桥改造可显著缩短工期，节省建设成本，减少场地的占用，缓解交通压力。可见，超高性能混凝土梁在危桥改造中的应用技术非常成功，产生了良好的社会效益和经济效益，尤其在农村危桥改造点多面广、工期紧任务重、造价有限的桥梁工程中更是值得大力推广。

8 结束语

金鲤大桥危桥改造实践证明，超高性能混凝土预制梁在危桥改造中的应用非常成功，将超高性能混凝土材料的高强度特性和预应力筋的抗拉抗裂技术相结合，可在大跨度、超宽超高、轻量化上部结构梁体工程中将多片短小超高性能混凝土预制梁通过预应力技术组合拼装成大跨度、超宽的轻量化桥梁板用于危桥改造，该技术的应用前景十分广阔。