基于UHPC預制π梁的UHPC-RC組合梁設計方案及工程應用

王 巍，馬 骉，黃少文，王 浩，冀振龍

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海市200031；3.上海城投公路投資（集團）有限公司，上海市200335）

0 引言

對于城市跨河中小橋梁上部結構而言，空心板梁整體性及耐久性問題日益突出，預制小箱梁、T梁等結構梁高及單梁起吊重量相對較大，不利于橋梁縱斷面設計及吊裝施工?？绾又行蛄河绕湫枰捎媒Y構高度低、起吊重量小的上部結構，以利于道路縱斷面接線設計，方便吊裝、運輸和快速化施工。

超高性能混凝土（UHPC）是一種纖維增強型水泥基材料，具備超高力學性能和超高耐久性。將UHPC應用于橋梁結構中可以實現混凝土結構薄壁化、輕型化，超高性能混凝土橋梁結構具有構件輕巧、運輸吊裝簡單、施工便捷、耐久性好等優點，適應目前城市橋梁建設的發展方向和趨勢，具有廣闊的應用前景。

1 國內外UHPC預制梁研究應用現狀

進入本世紀后，UHPC成為世界范圍內土木工程領域的研究與應用熱點。目前，在發達國家UHPC的配制、生產、施工和預制技術已經趨于成熟，工程與制品應用不斷取得新進展。

法國于2001年最早建成兩座相同的基于UHPC預制π型梁的公路橋梁—Bourg-lès-Valence OA4和OA6跨線橋[1]。兩座橋梁的上部結構梁為π型預制先張預應力梁，單片預制梁長22.5 m，高0.9 m，寬 2.4 m，橋面板厚 0.11 m，吊裝重量 37t；預制梁間采用UHPC現場灌注橫向接縫，剛性連接形成連續整體橋面板。

美國聯邦公路管理署（FHWA）2001年開始研發跨徑23～41 m工廠預制、現場快速組合安裝的模數化、標準規格的預應力UHPC預制π梁，該系列預制梁橫向連接也采用現澆UHPC橫向接縫的形式[2]。美國于2004年在弗吉尼亞州建造了一座試驗橋，顯示出這種橋梁具施工速度快的優點。

近年來，我國緊跟國際研究前沿，對UHPC在橋梁工程中的研究和應用開展了一些工作。目前我國針對UHPC橋梁的主要研究內容及成果應用主要集中在UHPC-鋼組合橋面技術[3]、UHPC做為連接材料應用與小箱梁橫向接縫及預制墩柱的豎向連接技術[4]、UHPC做為早強及加固材料用于橋梁破損構件的維修加固技術等方面。

在UHPC梁應用方面，2016年在長沙建成一座主跨36.8 m長全70.8 m的UHPC跨街天橋[5]。上部結構采用節段預制拼裝預應力超高性能混凝土魚腹式單箱三室連續箱梁，標準節段長4.6 m，梁高1.35 m，頂板厚0.12 m，底板厚0.08 m，腹板厚0.20 m，最大節段重量為51.3 t。

總體而言，國內基于UHPC的預制梁技術研發及應用尚在起步階段。

2 U H PC預制梁截面形式比選

在分析總結了混凝土預制梁技術現狀及存在問題、UHPC材料特性的基礎上，對適用于中小橋的UHPC預制梁斷面形式開展了截面形狀的比選、預制梁預應力方案的比選、全斷面UHPC梁及UHPC-RC組合梁方案的比選，以期獲得受力性能、施工便捷性、經濟性俱佳的結構方案形式。

2.1 截面形狀比選

（1）閉口／開口截面的比選

傳統混凝土預制梁的三種形式中，空心板和小箱梁都是閉口截面形式，預制T梁為開口截面形式，如圖1所示。

圖1 預制梁閉口及開口截面示意圖

從截面抗彎能力而言，兩種截面形式在同等材料用量情況下可以擁有相同的抗彎能力及相同的梁高。在抗扭能力方面，閉口截面梁的抗扭剛度要顯著優于開口截面。對于預制梁而言，預制施工的便捷性也十分重要。閉口截面預制梁內模脫模相對繁瑣，開口斷面預制梁預制工藝較為便捷。

預制梁一般橫橋向多片布置，通過橋面板及橫隔板連接成為整體共同受力。上部結構在偏載作用下的扭轉變形更多地通過各片梁的豎彎變形差來抵抗，同時也會在單片預制梁中產生一定的扭轉變形。對于中小跨徑橋梁而言，預制梁高度較低，腹板的高厚比較小，開口截面的自身扭轉剛度能滿足抗扭受力的需要；當跨度較大時，預制梁的梁高也隨之增大，腹板的高厚比也隨之增大，開口截面預制梁若要滿足其抗扭穩定性需要設置較多的跨中橫隔板，其施工便捷性及景觀效果都有所降低，此時采用閉口截面預制梁更為合適。

對于跨河中小橋而言，采用開口斷面形式能滿足受力需求且預制更便捷，因此UHPC預制梁推薦采用開口斷面形式。

表1 預制梁閉口截面與開口截面對比

（2）預制梁開口截面形式的比選

進一步地，對預制梁開口截面形狀進行比選。開口斷面的預制梁截面的常見形式為I形和T形，π形截面即為2個T形截面的組合，如圖2所示。三種截面形式從受力、施工便捷性、施工過程穩定性、施工速度等方面比選見表2。

圖2 預制梁開口截面形式

表2 預制梁開口截面形狀比選

相比而言，I形截面的上翼緣較窄，其抗彎能力較弱，且橫向多片布置時需要較寬的橋面后澆帶或通過整幅后澆橋面板連接成為整體，后澆部分需要支模板完成，因此其施工便捷性相對較差。T形截面在相同梁高下相比I形截面的抗彎能力更大，橫向多片布置時橫向橋面后澆帶較窄，施工相對便捷。但T形截面與I形截面在施工過程中的側向穩定性較差。

π形截面預制梁在保留T形截面梁的優勢的同時，具有更好的施工過程側向穩定性；且單片梁寬度的增加在橋梁總寬固定的情況下減少了預制梁的片數，進而減少了橫向接縫數量，加快了預制梁的施工速度。相比I形梁及T形梁，π形梁的吊裝重量較大。但由于UHPC材料比強高，預制梁截面板件輕薄，因此預制π梁的吊裝重量要明顯小于常規空心板梁及小箱梁。

綜合考慮預制梁的受力性能、施工便捷性、施工過程中的穩定性、施工速度及吊裝重量等因素，推薦UHPC預制梁采用π形截面。

2.2 預制梁預應力方案比選

為增加預制梁的跨越能力、減小結構高度、提升預制梁的抗裂能力及耐久性，混凝土預制梁往往采用預應力結構，結構預應力通過預應力鋼束施加。預應力方案分為先張法與后張法預應力方案，后張法預應力方案中又分為體內束方案和體外束方案。從鋼束抗彎效率、預制梁施工便捷性及施工場地限制性等角度進行預制梁的預應力方案比選見表3。

表3 預制梁預應力方案比選表

在抗彎能力相同的情況下，先張法預應力方案由于其預應力效率較高、無需特殊錨固構造考慮，因此其材料經濟性較好，但其截面構型及施工場地都受限于張拉臺座，施工便捷性不佳。后張法體內束方案由于鋼束直徑大，技術經濟指標稍次于先張法方案，但其截面構型及施工預制場地相對靈活。后張法體外束方案在中小跨徑橋梁梁高較低的情況下鋼束效率低的劣勢尤為明顯，因此其鋼束用量較大；另外轉向塊及錨固塊的設置增加了預制梁UHPC材料用量。

綜合考慮方案的技術經濟性、截面構型靈活性、預制梁施工便捷性、預制梁施工場地適應性等因素，推薦選用后張法體內束方案做為UHPC預制梁的預應力方案。

2.3 全斷面UHPC預制梁與UHPC-RC組合梁方案比選

不同于普通混凝土，UHPC具有超高的抗壓和抗拉強度。特別對于應變硬化型UHPC，受拉時具有很強的延性變形能力，其極限拉應變往往超過2 000 με。這表明對于配筋UHPC受彎構件，在受拉鋼筋達到屈服、充分發揮其抗拉強度時，受拉區UHPC仍能發揮其抗拉強度。因此UHPC受彎構件抗彎承載力計算中應計入UHPC的抗拉貢獻，并充分利用這一優勢[6]。

雖然UHPC的抗拉強度較高（通常在7～12 MPa左右），但相比其抗壓強度（通常超過120 MPa）而言要低一個數量級。因此π形梁由受壓側達到抗壓強度時按內力平衡條件求出的受壓區高度較小。

要充分利用UHPC抗拉強度對抗彎承載力的貢獻，其抗彎承載力由受拉邊緣UHPC拉應變達到3倍極限拉應變控制[6]，此時受壓側UHPC邊緣的壓應變尚未達到其抗壓設計強度對應的壓應變，如圖3所示，因此在UHPC抗拉強度充分發揮、受拉鋼筋屈服時，UHPC受壓側抗壓強度不能充分發揮。

圖3 受壓邊緣UHPC達到抗壓設計強度時截面應變及內力平衡關系

由于UHPC材料價格較高，若采用經濟性好的普通鋼筋混凝土板（RC橋面板）替換部分受壓區UHPC橋面板組成UHPC-RC組合斷面可以優化UHPC材料用量，具有較好的經濟性。

從預制加工便捷性、施工吊裝穩定性及便捷性、充分發揮材料受力性能、方案經濟性等方面綜合比選，推薦選用基于UHPC后張法預應力預制π梁+后澆整體RC橋面板組成的UHPC-RC組合梁方案。

3 基于U H PC預制π梁的U H PC-R C組合梁結構設計方案及實橋應用

3.1 工程概況

上海嘉閔高架路（S32～莘松路）道路新建工程是已建成嘉閔高架路（聯明路～北翟路）段的向南延伸段，袁家河地面橋為該工程中的一座單跨簡支地面跨河橋，橋梁跨徑22 m，橋寬17.75 m。袁家河地面橋上部結構原方案采用剛接空心板，下部結構為重力式橋臺，樁基采用直徑1 m的鉆孔灌注樁。

本文以該地面橋為工程背景，開展了基于UHPC預制梁的UHPC-RC組合梁上部結構方案設計及實橋應用探索。

3.2 結構設計方案

袁家河橋上部結構UHPC-RC組合梁方案如下：上部結構由7片預制UHPCπ形梁構成，如圖4所示，UHPC預制π形梁橫橋向并排布置，預制梁間彼此翼緣板密貼，預制梁頂緣預留鋼筋連接件，吊裝就位后在梁頂布設橋面板鋼筋網片，在其上現澆0.15 m厚C50普通鋼筋混凝土（RC）橋面板將各片預制梁連接形成整體，現澆RC橋面板兼做找平層。該方案結構形式在橫橋向表現為通過現澆RC橋面板形成整體剛接板梁，在縱橋向形成UHPC-RC組合梁的新型結構形式。該結構形式具有吊裝重量輕、施工快速便捷、受力性能及耐久性好、經濟性好等優點。

預制UHPCπ形梁梁高930mm，頂板寬2500mm，頂板厚度50～100 mm，腹板厚100 mm，單個下翼緣寬500 mm，厚度200～300 mm，截面沿梁長全長采用等截面設計，構造橫斷面如圖5所示。

圖5 UHPC預制π梁橫斷面構造圖（單位：mm）

預制梁配筋斷面如圖6所示，下馬蹄除了設置預應力鋼束外，設置了普通鋼筋以提高其抗彎極限承載力。腹板中設置直徑12 mm的單肢豎向分布鋼筋和水平分布鋼筋，豎向分布鋼筋伸出預制梁頂緣兼做鋼筋連接件。預制梁頂板在翼緣范圍內布置了C形預留鋼筋連接件，實現與現澆RC橋面板間的剪力連接。RC橋面板在橫橋向布置了直徑16 mm的頂底緣抗彎鋼筋及順橋向的構造架立筋。

對于袁家河橋，UHPC-RC組合梁與傳統的剛接空心板梁方案的技術經濟性比較如表4所示。可以看出，在預制梁混凝土指標方面，UHPC-π梁大幅減輕了上部結構重量（僅為60%），方便預制結構運輸吊裝快速施工。

圖6 UHPC預制π梁配筋斷面圖（單位：mm）

表4 袁家河橋UHPC-RC組合梁與剛接空心板梁方案材料指標比較

在結構造價方面，由于UHPC材料價格較高，該工程中UHPC-RC組合梁上部結構單價相當于剛接空心板梁的2倍，但由于減輕了上部結構自重、優化了基礎工程量、簡化了橋面系施工，因此整座橋造價UHPC-RC組合梁方案僅比剛接空心板梁方案增加約9%。隨著UHPC材料的推廣應用，其材料價格會逐步降低，因此該新型整體剛接板梁方案在中小跨徑橋梁中有較好的應用前景。

3.3 實橋施工方案及特點

該方案預制梁采用后張法預應力方案，施工便捷，不受場地限制；預制梁頂緣設置鋼筋連接件，便于吊裝就位后與現澆橋面板結合。

該方案預制梁間以梁頂緣現澆15 cm厚RC橋面板實現橫向連接。預制梁先期制作并吊裝就位，π形斷面預制梁梁端兩道腹板下共設四個支座，吊裝施工穩定性好；預制梁頂緣橫向彼此密貼，兼做現澆RC橋面模板及施工平臺，無需另設支架及模板?，F澆RC橋面施工時板以先期吊裝就位的預制梁頂板為底模及施工平臺，放置橋面板鋼筋網片后即可澆筑普通混凝土通過預制梁頂緣預埋鋼筋連接件形成整體，現澆橋面板具有施工便捷、受力整體性好等特點；且現澆RC橋面板兼做鋪裝找平層，可進一步減輕上部結構自重。

袁家河橋單片UHPC預制π自重34 t，僅為相同橋面面積剛接空心板梁自重的60%；每片梁平均架梁時間僅為20 min，在2.5 h內完成了7片梁的吊裝，如圖7所示。

圖7 預制UHPC-π梁吊裝實景

3.4 預制梁靜力試驗

靜力試驗包含兩個截面足尺試件，試件截面為UHPCπ梁及UHPC-RC組合梁截面的一半（T形），每片試驗梁長15 m，開展了靜力抗彎、抗剪試驗。試驗梁的材料、配筋、配束均與前文結構設計方案完全相同。

靜力試驗研究了UHPC預制梁的裂縫發展規律、結構破壞形式及抗彎和抗剪承載力。試驗結果表明：抗彎及抗剪試驗中，梁體裂縫都表現為分散密布裂縫，應變強化型UHPC具有很強的裂縫寬度控制能力，配置后張法預應力鋼束的UHPC預制梁在卸載后還具有較好的裂縫閉合能力。

抗彎試驗破壞時出現貫穿主梁高度的主裂縫，破壞形態為塑性破壞，結構具有較強的延性。全斷面UHPC預制梁的抗彎承載力試驗值為4 629 kN·m，大于其承載能力組合設計彎矩2 207 kN·m，結構安全系數2.10；UHPC-RC組合梁的的抗彎承載力試驗值為5 232 kN·m，大于其承載能力組合設計彎矩2 838 kN·m，結構安全系數1.85，證明實橋結構受力安全。

受限于試驗加載設備的最大加載能力，試驗梁未達到抗剪極限承載力，試驗最大加載剪力1 770 kN，大于實橋承載能力組合設計剪力628 kN，證明實橋結構安全。

3.5 實橋荷載試驗

通過對袁家河橋直接加載后進行有關測試、與分析工作，了解橋梁結構在試驗荷載作用下的實際工作狀態，進而評定橋梁結構的使用狀況，為設計提供數據支持。實橋荷載試驗包括靜載、動載試驗。

靜載試驗分跨中及支點加載兩個不利荷載工況，加載效率系數0.97。靜載試驗結果顯示，結構的應變及位移校驗系數小于1.0，表明結構的實際剛度優于理論計算；相對殘余變位均小于20%，結構處于彈性工作階段。

動載試驗分行車試驗、剎車試驗及脈動試驗三部分。試驗結果表明，袁家河橋的模態試驗測試頻率5.684 Hz大于計算值5.548 Hz，橋梁動剛度較好；40 km/h跑車試驗表明該橋實測沖擊系數為1.188，符合規范要求。

通過對袁家河橋的靜、動載試驗結果可知，在靜荷載作用下，實橋抗彎承載能力、裂縫開展情況及剛度符合規范的要求；在動荷載作用下，結構模態正常，沖擊系數符合規范要求。袁家河橋的整體剛度和結構受力性能優于預期。圖8為荷載試驗現場。

圖8 實橋荷載試驗實景

4 結 語

本文從城市跨河中小橋上部結構設計、施工需求出發，結合超高性能混凝土（UHPC）的材料特點，比選了適宜中小跨徑UHPC預制梁的截面形式，提出了基于UHPC預制π梁與現澆鋼筋混凝土橋面板（RC橋面板）的UHPC-RC組合梁結構形式。并以上海嘉閔高架袁家河地面橋為工程背景，開展了UHPC-RC組合梁的上部結構方案設計、預制梁力學性能試驗、工程應用及實橋荷載試驗。

靜力試驗、實橋荷載試驗結果及工程實踐表明，該結構形式具有優良的結構力學性能的同時，兼具構件輕巧、運輸吊裝簡單、施工快速便捷、經濟性相對較好等優點，適應目前城市橋梁建設的發展方向和趨勢，因而具有廣闊的應用前景。