预制拼装UHPC刚架拱桥设计施工概述

周志敏，房金钱

(广东冠生土木工程技术股份有限公司，广东 广州 511400)

0 引 言

交通部公路科学研究院于上世纪70年代提出刚架拱桥这一新型桥型，鉴于其材料用量少，结构轻型美观，施工便捷等优点，被广泛应用于25～70 m桥梁[1]。刚架拱桥最大的特点就是受力介于拱桥与梁桥之间，其刚架段主要为受弯构件，中间实腹段、主拱腿及斜腿为压弯构件，充分发挥了拱式桥及梁式桥各自的优势及特点。但是随着我国经济飞速发展，公路交通路日益增加，超载也逐渐增多，使得目前在役的刚架拱桥出现了各种开裂等病害。究其原因，笔者认为除了普通混凝土耐久性较差之外，另一主要原因就是刚架拱桥这一桥型因设计简洁、材料用量少，导致承载力储备不高[2]。

超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)是一种新型纤维增强水泥基复合材料，具有超高抗压强度、良好的抗拉强度、超高的耐久性及蒸养后徐变小，无收缩等优点。近年UHPC已成为土木工程领域研究的热点，工程应用也日渐增多。在桥梁工程领域，目前我国主要将其应用在钢-UHPC组合桥面、钢-UHPC板组合结构、湿接缝等，较少的应用在T型简支梁、π型梁、连续箱梁[3-4]。结合UHPC材料超高力学性能、超高耐久性的特点，将UHPC应用在刚架拱桥中，充分发挥UHPC的性能，在较少材料用量情况下具备较大的承载力，充分体现刚架拱桥自重轻、通透美观、材料用量少、装配化程度高等优点。本文以广东省高恩高速K7+174跨线桥-国内首座预制装配式UHPC刚架拱桥为背景，介绍UHPC刚架拱桥的设计及施工特点，为UHPC在桥梁工程的进一步推广应用提供借鉴经验。

1 项目概况

1.1 设计概况

K7+174车行天桥(UHPC刚架拱)位于广东省云浮市稔村镇，跨越高明至恩平高速公路主线，为上承式刚架拱桥，上部行车部分结构长为66 m，拱肋跨径为58m，矢高为6.5 m，矢跨比为1/8.9。该桥所处道路等级为等外土路，设计荷载为公路-II级。上部承重结构由3片UHPC拱肋组成，拱肋分段预制，吊装到位后，通过UHPC湿接缝连接成整体。桥面结构为C50普通混凝土现浇桥面板，通过预埋在拱肋及边主梁刚架上部的“倒U”型剪力键连接与拱肋及刚架部分形成整体，承受车辆局部荷载，并传递到拱肋及刚架边主梁上。

图1 实桥照片-UHPC刚架拱桥

1．2 UHPC拱肋结构方案

本桥采用预制UHPC拱肋，拱肋跨径58 m，考虑预制节段运输吊装重量及节点应力，每片拱肋划分为5个预制单元，设置4道湿接缝，分别为16 m(边主梁刚架段)+5 m(拱腿段)+24 m(中间联合段)+5 m(拱腿段)+16 m(边主梁刚架段)，如图2所示。

图2 拱肋划分立面示意图

拱肋厚度为30 cm，在两端刚架支座附近加厚至50 cm。刚架截面高100 cm，拱肋跨中位置处截面高度为100 cm，拱脚截面高度由80 cm变化至140 cm。拱肋下缘为二次抛物线，变化方程为Y=0.00772889X2(坐标原点为拱肋下缘曲线顶点)，拱脚上缘拱肋下缘曲线与由拱肋截面0.8 m高～1.4 m高为相加得到的曲线，刚架与拱脚连接处通过半径R=30 cm圆曲线顺接过渡。

设置9道横系梁，其中端横梁厚50 cm，高100 cm，预制时在拱片横梁部位预留钢筋，现场现浇端横梁；中横梁厚30 cm，高100 cm，中横梁与拱肋中间湿接缝位置重合，现场在现浇拱肋中间湿接缝同时现浇中横梁；拱腿上横梁高110 cm，宽30 cm，预制时在拱片横梁部位预留钢筋，现场现浇端横梁；其余横梁均高100 cm，宽20 cm，预制时在拱片横梁部位预留钢筋，现场现浇端横梁；

预制UHPC拱肋通过现浇湿接缝连接成整体，如何保证湿接缝的性能是本项目关键。项目组经过大量试验研究，湿接缝中部设计为菱形构造，上下部则设计为矩形条带形式，采用该种形式的接缝经试验验证非常可靠[5]。如图3所示。

图3 湿接缝构造示意图

2 设计计算

2.1 UHPC材料本构关系本项目预制UHPC拱肋采用的超高性能混凝土UHPC强度等级为R150，设计抗压强度为150 MPa，抗弯强度22 MPa，轴拉强度8 MPa，弹性模量45 GPa，工厂预制生产并采用90℃高温蒸汽养护。UHPC的极限压应变取0.0033，极限拉应变0.003，设计拉压本构关系如图4所示。

图4 UHPC材料本构关系

2.2 结构计算

总体计算选用Midas Civil有限元分析软件，采用梁格法进行全桥空间建模，计算模型如图5所示。UHPC计算与普通混凝土最大的不同就是UHPC考虑了材料的抗拉性能。

图5 UHPC刚架拱桥计算模型

图6 承载能力极限状态基本组合弯矩包络图(单位：kN*m)

根据有限元计算得到的桥梁内力进行配筋设计，本桥采用HRB400钢筋，拱片关键截面钢筋配置如表1所示。

表1 拱肋主要截面配筋

根据本桥UHPC-NC结构的计算结果，在承载能力极限状态下，UHPC主拱最大压应力为40.5 MPa，最大拉应力为15.6 MPa；而在正常使用极限状态下，UHPC的最大裂缝宽度按0.05 mm进行控制。

3 实桥施工

本项目2018年11月开始施工，2019年3月完工，主要施工工序为：(1)扩大基础施工→(2)桥台施工→(3)UHPC拱肋预制→(4)UHPC拱肋吊装→(5)湿接缝浇筑→(6)现浇C50桥面板施工→(7)桥面系施工。其中基础、桥台、桥面板及桥面系为普通混凝土工程，不再赘述，重点介绍UHPC拱肋的预制及吊装的施工要点及质量控制措施。

3.1 预制方案的确定

根据本项目拱肋节段划分的特点，拱肋最长节段23.7 m，最大吊装重量25.8 t，再考虑现场预制场地特点，选取桥位20公里的稔村东收费站广场作为预制场地。鉴于拱肋最大高差达2.8 m，如采用立式预制，模板支撑系统将非常庞大，同时考虑到UHPC塑性沉缩较大，为了保证预制UHPC拱肋的质量，拱肋节段采用卧式预制方式。吊装时再进行翻转。两边刚架采用立式预制。

3.2 UHPC拱肋预制

UHPC按最大堆积密实度理论进行设计，一般不采用粗骨料，同时添加有多种矿物掺合料等，如何将其拌和均匀是UHPC施工质量控制的关键。目前国内生产UHPC的拌和设备有双卧轴式、立轴行星式，以及振动搅拌方式等，本项目采用3000型双卧轴式搅拌设备，UHPC提前在工厂制备成预混料的形式，加水后拌和8～10 min成型。需要注意的是钢纤维的加入一定要注意分散，必要时辅以专门的分散设备，确保UHPC拌合料的均匀一致，无结团现象。UHPC终凝后拆除侧模，在预制台座上开始高温蒸汽养护，90℃养护48h。本项目因UHPC拱片厚度只有30 cm，蒸养过程中必须重点留意升温、降温速度，防止温度急剧变化导致UHPC拱肋开裂。

3.3 UHPC拱肋吊装

UHPC拱肋预制及运输过程中都是处于卧式状态，如何顺利将UHPC薄片翻转成立式吊装在临时支架上，是本项目的难点。以拱脚拱肋为例，详细介绍拱肋翻转吊装工艺：

(1)卧式吊点设计。首先计算出肋片的重心位置，据UHPC的允许拉应力得出肋片在“卧式”状态下需要设置的吊点数量，并使得这些吊点都落在穿过肋片重心的同一直线上，该直线最好能与竖向吊点连线平行或基本平行。

(2)竖向吊点设计。在拱肋竖立状态下顶面中线上，基本对应卧式吊点位置设置相应数量的竖向吊点。

(3)均衡吊点受力。单肋片出现3个或以上吊点时，必须采取措施使得各吊点均衡受力，避免出现超静定情况。本项目采用简单高效的“平衡轮”方式，即使用单根千斤绳两端连接 2 个吊点，千斤绳中部“穿入”一“平衡轮”，再另一根千斤绳与“平衡轮”连接而成一个吊点。通过此法，就能简单可靠地把3吊点的肋片拱脚拱肋和4吊点的肋片中间拱肋都“变成”2吊点的静定受力状态。

(4)肋片空中翻转。先采用 1#大吊机单机通过“卧式”吊点完全提起肋片到不小于肋片高度，后另用一大一小吊机分别连接肋片两端的“竖向”吊点并收紧起吊绳使其处于(预紧状态)，最后下降“卧式”吊点并协调“竖向”吊点的高度，直到“卧式”吊点完全不受力(重量已转到竖向吊点上)。至此，即完成肋片翻转。

(5)肋片吊装。卸除“卧式”吊具，用1#大吊机替换出小吊机，即可进行肋片的正式起吊安装。

图7 拱脚拱肋翻转吊装示意图

3.4 UHPC湿接缝

接缝位置拱肋UHPC应凿毛处理，直至露出大量钢纤维，浇筑之前先洒水湿润，以保证先后浇筑UHPC很好的结合。湿接缝模板安装时应特别注意，新浇筑UHPC对模板的压力应按液体静压力来计算。本项目主拱湿接缝高度达2.03 m，底部压力大，没有考虑周全造成涨模漏浆现象。为了保证接缝的抗裂性能，湿接缝位置UHPC将钢纤维体积掺量从2%提高到了2.5%。

图8 实桥施工主要工序

本项目共15片拱肋，吊装耗时2天。综合来看，UHPC刚架拱桥成功实施的关键就在于UHPC拱肋的预制，即UHPC这一材料的质量控制。从UHPC原材料的选取，拌和工艺及设备的专业化，到入模成型工艺及整个蒸汽养护工艺，整个过程都需要精细控制精细管理，都是质量控制的关键所在。目前，该桥已通车运营，运营状况良好，笔者将持续关注其长期运营状态。

4 结 论

预制拼装UHPC刚架拱桥将UHPC材料的特点与刚架拱桥结合，自重小，跨越能力大，施工方便快捷，同时又造型美观，对于70 m跨径左右的跨线桥具有重大的推广价值。通过广东高恩高速UHPC预制拼装刚架跨线拱桥项目的顺利实施，掌握了UHPC刚架拱桥的设计计算方法，积累了一定的UHPC预制拱桥工程管理经验，掌握了施工质量控制的关键点。顺利建设成功的国内首座预制拼装UHPC刚架拱桥，将成为国内UHPC推广应用浓重的一笔，为UHPC在同类型工程的推广应用积累的丰富的实践经验，也为UHPC新材料在更多新型桥梁主体结构的应用提供借鉴。