UHPC预制梁在公路危桥改造中的应用

吴悦

（承德市双滦区交通运输局，河北承德 067000）

0 引言

大部分公路危桥地处偏僻、维护缺失、道路狭窄。因此，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。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，提出采用超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）预制梁施工方案，从而有效增强预制梁结构强度，减少其截面尺寸，无需使用大型机械设备运输吊装，适用于场地受限的公路危桥改造，具有良好的工程推广应用价值。

1 工程概况

某地区集中开展公路危桥改造，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，需替换桥梁左幅0#、1#、3#、7#跨上部梁体，以保证桥梁荷载满足公路Ⅱ级标准。该公路危桥改造工程主要材料为UHPC 高性能混凝土，通过掺加钢纤维进一步提高UHPC 混凝土的强度、耐久性。确保满足荷载要求的基础上适当减小UHPC 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，无须大型运输吊装设备，有效克服公路桥梁狭窄、施工场地狭小问题，提高施工效率。

2 UHPC预制梁的应用优点

该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，梁体事先由工厂预制，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，主要优点包括以下方面。

2.1 梁体更轻

UHPC 中掺加钢纤维，自重轻、强度高、耐用抗开裂。配合应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 构件无须内置钢框架，可进一步降低自身重量约40%～60%。

2.2 施工效率高

UHPC 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。

2.3 施工成本低

由于UHPC 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。

2.4 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。

2.5 施工更加便捷

相比传统钢筋混凝土预制梁，UHPC 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 预制梁施工技术搭配简支T 梁施工工艺可以更好地满足公路危桥改造施工要求，特别是对大跨径、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 UHPC预制梁施工方案

3.1 施工难点

该工程施工难点主要是需替换的桥跨梁底距离河床20m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 预制梁施工技术方案主要包括：（1）结合实际情况制定梁体预制、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。该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 UHPC预制梁施工要点

3.3.1 UHPC梁预制

该普通国省干线公路危桥预制梁长18m、跨径22m，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。

3.3.2 UHPC梁养护

在室内进行蒸汽覆盖养护，养护时间为24h×7d。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7d。

3.3.3 UHPC预制梁体张拉

由于UHPC 材料初始强度很高，通过24h×7d 蒸汽养护可确保UHPC 预制梁强度满足强度要求（不低于设计强度的90%）。UHPC 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预制梁体伸长量检验张拉效果。

3.3.4 UHPC预制梁吊装

UHPC 预制梁自重轻，因此，只需使用25t 级的小型吊机即可完成梁体吊装。

3.3.5 钢筋混凝土现浇层施工

桥面现场浇筑厚17cm 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预制梁。

4 UHPC预制梁施工方案的可行性分析

4.1 UHPC预制梁截面优化验算

该公路危桥上部构造中单个UHPC 形状如图1所示。

图1 单个UHPC 形状

在CAD 中输入UHPC 预制梁尺寸数据，求得单个UHPC 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 预制梁惯性矩I=2.49×1010mm4、毛截面积为S=0.15m2，抵抗矩W=7.56×107mm3，单个UHPC 预制梁体自身重量为80kN；恒载3.85kN/m。（2）桥面为附属构造，恒载13kN/m，顺梁长恒载15.86kN/m，跨中弯矩798.7kN·m。根据相关技术规范可知公路Ⅱ级双车道均布荷载、跨中弯矩分别为7.875kN/m、393.75kN·m；人车可变冲击荷载、跨中弯矩分别为765kN、7500kN·m。由此得到产生跨中总弯矩如式（1）所示。

式（1）中：M总为产生的跨中总弯矩；M1为公路Ⅱ级双车道自重产生的跨中弯矩；M2为人车可变产生的跨中弯矩。

由式（1）计算可以求得M总为8 692.45kN·m。若中性轴与截面上缘的间距为x，受压区高度可通过式（2）求解：

式（2）中：a1根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）取0.85；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，取150；As、为受拉、受压区纵向普通钢筋截面积；Ap、为受拉、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；为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0.14m。根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）通过式（3）可验算跨中正截面：

将相应数值导入公式可求得弯矩标准M=13433.64kN·m，按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）的相关规定，该危桥改造工程采用的UHPC 预制梁体荷载组合验算取γ0=1，求得该UHPC 预制梁弯矩大小为8 692.45kN·m，小于弯矩标准值。通过验算可知，该危桥改造工程使用的UHPC 预制梁正截面承载力满足公路Ⅱ级荷载要求。

4.2 UHPC预制梁静载试验

为验证UHPC 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。

（1）根据标准静载试验数据可知：试验UHPC 预制梁跨中下曲挠度6.73mm，1/4 跨下曲挠度5.25mm，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9.66mm，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12.99mm，梁体底部出现深8～11mm 的裂缝，但钢筋保护层仅局部破坏；马蹄部位发现深6～9mm的剪切裂缝。

（2）由此可知：该公路危桥改造工程使用的UHPC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。

5 UHPC预制梁的应用效果检验

该公路危桥改造工程实践表明，合理应用UHPC 预制梁施工技术可以有效减少桥梁改造工程量，提升改造施工效率，同时降低施工成本，确保施工安全。应用效果检验结果如下：

（1）UHPC 材料自身强度高、耐久性好、抗开裂性能良好，和传统钢筋混凝土梁相比，尺寸更小，重量更轻，能满足承载力要求，同时可降低桥梁下部墩柱构件所受载荷。

（2）UHPC 预制梁施工技术适用于交通不便、施工场地狭小的普通国省干线公路危桥改造工程，尤其是基础较好，但上部桥跨狭窄或桥面病害严重的桥梁。应用UHPC 预制梁施工技术可加快施工进度，降低施工成本，同时减少场地占用，最大限度地减少施工对交通的影响。

（3）UHPC 预制梁在危桥改造工程中的应用效果良好，获得了较好的社会效益和经济效益，特别是在施工环节复杂、施工进度紧张、任务繁重、工程预算有限的桥梁改造工程中值得推广。

6 结论

该公路危桥改造工程实践表明，UHPC 预制梁技术应用效果良好，主要体现在以下几个方面：

（1）在满足相同荷载要求前提下，UHPC 预制梁构件体积更小，自重更轻，可节约改造施工成本。

（2）预制过程中，UHPC材料梁体施工时可实现桥梁上下部结构同步施工，有效节约临时预制场地建设费用，避免大型运输吊装机械设备的使用，显著提升施工效率。

（3）UHPC 预制梁技术应用可为同类公路危桥改造施工提供一定的技术参考，满足高效、安全、节能、节材、降耗要求，推广应用价值较高。

（4）结合UHPC 材料高强度及预应力钢筋抗拉抗裂特点，可减少桥梁上部结构自重。通过预应力技术组合可将多片UHPC 预制梁拼装成较大跨度，方便加宽桥面梁板，提高危桥整体结构强度。