探讨普通国省干线公路危桥改造中高性能混凝土预制梁技术

2022-08-27黄凤苗

交通科技与管理 2022年16期

黄凤苗

[贵州开放大学（贵州职业技术学院），贵州贵阳，550001]

0 引言

大部分普通国省干线公路危桥地处偏僻，维护缺失，道路狭窄，周边建筑分布密集，因此，普通国省干线公路危桥改造往往面临交通运输不便、施工场地狭小、难以进行大规模机械化施工的问题[1]。而常规钢混预制梁体积大、重量大，难以运输，吊装困难，无法保证施工质量。因此，提出用超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）预制梁施工技术能有效增强预制梁结构强度，减小其截面尺寸，无需用大型机械设备运输吊装，适用于场地受限的普通国省干线公路危桥改造，具有良好的工程推广应用价值[2]。

1 工程概况

某县集中开展普通国省干线公路危桥改造，拟改造危桥总计15座。桥梁上部统一为常规钢混混凝土T形梁，下部统一为双柱桥墩，基础为钻孔灌注桩。基于实地勘测与静载试验结果，桥梁属于Ⅳ类桥，其左幅T梁部位受损，需对桥梁左幅0#、1#、3#、7#跨上部梁体进行替换，以保证桥梁荷载满足公路Ⅱ级标准。

该县普通国省干线公路危桥改造工程主要材料为高强度的高性能混凝土，通过掺加钢纤维进一步提高高性能混凝土的强度、耐久性。确保负荷设计荷载要求的基础上适当缩小高性能混凝土预制梁截面尺寸，有效降低梁体重量，减轻桥下部所受荷载。由于梁自重减少，无需大型运输吊装设备，有效克服普通国省干线公路狭窄、施工场地狭小问题，提高施工效率。

2 超高性能混凝土技术优点

该普通国省干线公路危桥改造工程采用UHPC材料预制梁技术，辅以简支T梁施工工艺，梁体事先工厂预制，再运输至改造施工现场利用小型吊机进行吊装，作业效率高，主要优点包括：

（1）梁体更轻。UHPC中掺加钢纤维，自重小，强度高、耐用抗开裂。配合运用成熟的简支预应力T梁施工工艺，可有效增加梁体的抗弯能力，承载力大小不变时，UHPC构件截面相较常规预应力钢筋混凝土构件截面缩小30%左右，且UHPC构件无需内置钢框架，可进一步降低自身重量约40%～60%。

（2）施工效率高。UHPC材料预制梁一般在工厂预先制作好再运输至危桥改造施工现场,通过小型吊机进行吊装，同时桥梁下部加固与片梁施工可同步进行。

（3）施工成本更低。由于UHPC材料预制梁均在工厂预制，便于生产调度，通过小型运输车轮和吊机即可完成预制梁的运输和吊装，从而有效降低普通国省干线公路危桥改造施工成本[3]。

（4）材料耐久性更好。UHPC材料强度高，且添加了钢纤维，进一步提升其结构强度、抗开裂、耐久性，平均使用年限长达百年。

（5）施工更加便捷。相比传统钢筋混凝土预制梁，UHPC材料制作的预制梁可以轻巧的梁体满足同样的承载能力要求，不需要大型机械运输与吊装设备，更好地适应普通国省干线公路危桥改造施工环境，有效减少桥梁下部所受载荷。

由此可见，UHPC材料预制梁施工技术搭配简支T梁施工工艺可更好地满足大部分普通国省干线公路危桥改造施工要求，特别是对于大跨径、深水位、高桥面的普通国省干线公路危桥上部结构改造工程，优势更加明显。

3 超高性能混凝土预制梁施工方案

3.1 施工难点

该县普通国省干线公路改造工程施工难点主要是需替换的桥跨梁底距离河床22 m以上，常规支架支模现浇施工工艺不适用；且桥梁一端建有超高压电塔，不能架设桥机，无法吊装传统钢筋混凝土预制梁；该桥为Ⅳ类危桥，桥面无法承受大型机械施工设备。

3.2 总体施工方案

UHPC材料预制梁施工技术方案主要包括:

（1）结合实际情况制定有效合理梁体预制、吊装流程。

（2）尽量缩小梁体截面大小、降低自身重量。

（3）增强梁体强度、耐久性、抗开裂能力[4]。

该县普通国省干线公路危桥改造工程采用UHPC+简支T梁预应力施工技术，简支T梁先在场外预制，加固桥墩后，可将预制T梁运输至施工现场，再通过小型吊机完成吊装。

3.3 超高性能混凝土预制梁技术要点

（1）UHPC梁预制。该普通国省干线公路危桥预制梁长18 m、跨径22 m，按照改造施工图纸制作配套的钢模板。由于UHPC材料掺加钢纤维后黏度增加，应适当增加UHPC振捣时间。

（2）UHPC梁养护。在室内进行蒸汽覆盖养护，养护时间为24 h×7 d。蒸汽温度控制在80～90 ℃之间，养护室内湿度控制在90%，不间断养护7 d。

（3）UHPC材料预制梁体张拉。由于UHPC材料初始强度很高，通过24 h×7 d蒸汽养护可确保UHPC材料预制梁强度满足强度要求（不低于设计强度的90%）。UHPC材料预制梁体张拉可通过常规预应力张拉方式在梁体两端同时张拉，合理控制张拉力大小，基于UHPC材料预制梁体伸长量检验张拉效果。

（4）UHPC材料预制梁吊装。UHPC材料预制梁吊装作业采用小型吊机吊装，长18 m的UHPC材料预制梁仅重80 kN，因此，只需使用25 t级的小型吊机即可完成梁体吊装[5]。

（5）钢筋混凝土现浇层施工。桥面现场浇筑厚17 cm钢筋混凝土现浇层，主要作用是承受重力载荷，同时连接固结UHPC材料预制梁。

4 超高性能混凝土技术的可行性

4.1 超高性能混凝土预制梁截面优化验算

该县普通国省干线公路危桥上部构造UHPC梁组合图、单个UHPC截面尺寸参数分别见图1、图2。

图1 某大桥上部构造UHPC梁组合图（单位：cm）

图2 单个UHPC截面尺寸参数图（单位：mm）

据图可知，在CAD中输入UHPC材料预制梁尺寸数据，求得单个UHPC材料预制梁质心和正截面面积及惯性矩。通过计算机CAD软件输出计算结果，具体见表1。

表1 CAD软件显示计算结果

通过计算可知：（1）单个UHPC材料预制梁惯性矩I=2.49×1010mm4、毛截面积为S=0.15 m2，抵抗矩W=7.56×107mm3，单个UHPC材料预制梁体自身重量为80 kN；恒载3.85 kN/m。

（2）桥面为附属构造，恒载13 kN/m，顺梁长恒载15.86 kN/m，跨中弯矩798.7 kN·m。

根据相关技术规范可知公路Ⅱ级双车道均布荷载、跨中弯矩、人车可变冲击荷载、跨中弯矩分别为7.875 kN/m、393.75 kN·m、765 kN、7 500 kN·m。由此得到产生跨中总弯矩为798.7+393.75+7 500=8 692.45 kN·m。UHPC材料预制梁自重恒载分布见图3。

图3 UHPC梁自重恒载分布

若中性轴与截面上缘的间距为x，受压区高度可通过下列公式求解:

式中，1a根据《混凝土结构设计规范（2015年版）》取0.85；fc——混凝土轴心抗压强度设计值，取150；sA、——受拉、受压区纵向普通钢筋截面积；Ap、——受拉、受压区纵向预应力钢筋截面积，根据施工设计要求取2×15.2 mm2；——受压区纵向预应力钢筋合力点位置的混凝土法向应力为0时对应的预应力钢筋应力。

将上述参数数值导入公式求得x约为0.14 m。

根据图2可得x＞hf，根据《混凝土结构设计规范（2015年版）》可知通过下列公式可验算跨中正截面:

将相应数值导入公式可求得弯矩标准值M=13 433.64 kN·m，按照《桥涵设计规范》（JTG3362—2018）的相关规定，该县危桥改造工程采用的UHPC材料预制梁体荷载组合验算取γ0=1，求得该UHPC材料预制梁弯矩大小为8 692.45 kN·m，小于弯矩标准值。通过验算可知该县危桥改造工程使用的UHPC材料预制梁正截面承载力满足公路Ⅱ级荷载要求。

4.2 超高性能混凝土梁静载试验

为验证UHPC材料预制梁承载能力及结构强度，需对预制梁进行压载试验，为预制梁预应力优化设计提供参考依据，并检验验算结果的正确性[6]。

（1）根据标准静载试验数据可知：试验UHPC材料预制梁跨中下曲挠度6.73 mm，1/4跨下曲挠度5.25 mm，表面未发现开裂；将荷载增加至设计值的1.5倍，测得跨中下曲挠度9.66 mm，表面未发现开裂；将荷载增加至设计值的2倍，跨中下曲挠度12.99 mm，梁体底部出现深8～11 mm的裂缝，但钢筋保护层仅局部破坏；马蹄部位发现深6～9 mm的剪切裂缝。

（2）由此可知：该县普通国省干线公路危桥改造工程使用的UHPC材料预制梁在不同荷载作用下，结构变形于应变状态符合标准；添加的钢纤维对UHPC材料的抗开裂能力具有显著的增强作用。