某超高性能混凝土（UHPC）箱梁人行天橋方案設計研究

劉敏劍

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣州 510507）

1 超高性能混凝土( UHPC) 概況

超高性能混凝土（UHPC）系抗壓強度在150 MPa 以上，并具有超高韌性、超長耐久性和體積穩定性良好的水泥基復合材料的統稱[1]。其依照最大堆積密度原理配制，各組分之間相互填充，從而使材料內部的缺陷減至最少[2]。同時，通過添加纖維，改善材料的強度與變形性能[3]。UHPC 不僅具有超高的力學性能，也具有超高的耐久性能。同時，采用高溫蒸汽養護，UHPC 的收縮基本為零，徐變系數僅為普通混凝土的20%左右[4]。基于以上優點，UHPC 一經問世，便得到土木工程領域的廣泛關注，近年來更是在橋梁工程領域得到了廣泛的應用。

但UHPC 也存在成本較高，制作工藝要求高、設計標準的滯后等缺點，這些因素導致UHPC 在橋梁工程領域雖有一定發展，但遠遠無法普及和廣泛應用。

近年來，UHPC 的材料性研究已經趨于成熟，國內UHPC標準化工作密集展開并進入快速發展階段。現已編制并頒布的標準及規范包括國家標準GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》、廣東省團體標準T/GDHS 003—2021《無腹筋預應力超高性能混凝土梁橋技術規范》等標準[5，6]。在此背景下，國內的UHPC 應用也逐步應用于橋梁工程主體結構中。本文以某天橋為背景，對中小跨徑人行天橋的UHPC 預制梁進行研究，從斷面形式、材料組成進行分析比選，最終得到受力合理、施工方便、經濟性好的方案。

2 工程概況

某新建一級公路擬建人行天橋，跨徑布置為（1.5+24.5）+（24.5+1.5）=52 m，橋面凈寬為4 m。橋型布置如圖1 所示。（下部為UHPC 預制的U 梁，上部為現澆或預制的普通混凝土橋面板）。

圖1 總體布置圖（單位：cm）

研究表明，受彎梁在充分利用UHPC 的抗拉強度工況下，其受拉邊緣UHPC 拉應變達到3 倍極限拉應變，而此時其受壓邊緣尚未達到抗壓設計強度。因此，對于受彎構件，

3 UHPC預制梁方案

3.1 方案比選

3.1.1 截面形式比選

在馬來西亞已建成的93 座UHPC 橋梁中，可分為4 種主梁類型：全截面UHPC-T 梁、全截面UHPC 箱梁、全截面UHPC 槽形梁以及UHPC-NC 組合梁[7]。根據人行天橋特點，分別擬定T 形梁、箱梁和下承式槽形梁截面，如圖2 所示。

圖2 截面形式比選（單位：cm）

在同等材料用量下，T 形梁與箱梁的抗彎能力及梁高相當，槽形梁抗彎能力稍差。而箱梁截面的抗扭能力要顯著優于T 形梁及槽形梁截面；開口截面不需要內模板，施工較為簡便。從景觀性考慮，槽形梁將腹板置于橋面板上，行人過橋時通透性較差，稍顯壓抑。而箱梁梁底較為規整，景觀性比T 形梁截面稍好。

綜上，箱梁截面較優。

3.1.2 材料比選

箱型截面可分為全截面UHPC 梁和UHPC-NC 組合梁當其受拉鋼筋屈服時，UHPC 受壓側抗壓強度未能充分發揮[8]。另UHPC 材料單價高，可采用較廉價的NC 橋面板替換部分受壓區UHPC，從而達到充分利用材料性能，達到最優經濟性的目的。因此，截面材料選擇UHPC-NC 組合梁方案。

3.2 主梁設計

主橋采用2 跨預應力UHPC-NC 組合梁，由UHPC 節段預制U 梁及C50 混凝土預制板組成。U 梁采用節段預制拼裝工藝，在工廠預制養護，能保證質量，減小收縮徐變，同時減輕節段自重。養護完成后再運輸至現場進行拼裝施工，主梁拼裝并張拉預應力完成后再鋪設預制橋面板，形成整體后吊裝就位。

UHPC-NC 組合梁梁高1.1 m，頂寬4 m，底寬1.8 m，頂板懸臂長度0.75 m。跨中底板厚18 cm。全跨頂板厚15 cm，腹板厚12 cm。頂底板布置預應力，頂板采用2 束15-3 鋼束，底板采用4 束15-12 鋼束。作為對比，擬定同等跨徑橋寬的NC 梁。NC 梁梁高1.4 m，頂寬4 m，底寬1.8 m，頂板懸臂長度0.75 m。跨中底板厚18 cm，腹板厚20 cm。全跨頂板厚18 cm。腹板布置預應力，布置6 束15-4 鋼束，4 束15-3 鋼束。主梁橫斷面如圖3 所示。

圖3 UHPC-NC組合梁與NC梁構造（單位：cm）

2 種方案主梁的技術經濟性比較詳見表1。對比可知，UHPC-NC 組合梁自重大大減輕，為NC 梁的76%，普通鋼筋約為NC 梁的72%。較輕的自重和較少的鋼筋用量可方便預制結構加工運輸及快速施工。同時，橋位位于高烈度地震地區，較輕的上部結構自重可減小下部結構規模。

表1 UHPC-NC組合梁與NC梁材料用量對比

4 有限元計算

4.1 有限元模型

UHPC-NC 組合梁采用Midas Civil 建立梁單元模型，采用雙單元法模擬組合梁，并根據實際施工流程對主梁受力進行模擬。共采用102 個單元，112 個節點。模型如圖4所示。

圖4 單跨簡支梁模型

4.2 材料參數選取

UHPC 采用UC140 混凝土，NC 橋面板采用C50 混凝土。根據文獻[6]和文獻[9]，UC140 和C50 的材料參數取值見表2。UC140 混凝土采用高溫蒸汽養護，徐變系數可取0.2。材料計算參數如表2 所示。

表2 UC140 混凝土及C50 混凝土材料參數

4.3 UHPC-NC組合箱梁承載能力計算理論

UHPC-NC 組合箱梁受彎破壞經歷彈性階段、裂縫開展階段和破壞階段。開裂后，受拉區應力主要由預應力筋承擔。跨中截面的混凝土應變基本符合平截面假定，且U 梁與頂板協同工作性能良好[10]。因此，組合箱梁正截面抗彎承載能力計算可采用文獻[6]和[9]中的公式，對接縫截面考慮折減。

法國規范指出，預應力UHPC 梁的斜截面抗剪由4 個部分組成：混凝土基體抗剪、纖維抗剪、箍筋抗剪及預應力抗剪。組合箱梁斜截面抗剪承載力計算可采用文獻[6]中公式。

4.4 計算結果

1）持久狀況承載能力極限狀態計算

根據文獻[8]，計算得到基本組合下主梁跨中最大彎矩為4 445 kN·m，抗力值為10 216 kN·m。梁端最大剪力970 kN，抗力值為1451 kN，其中，基體和纖維抗剪合計927 kN，可考慮進一步減少抗剪箍筋，進而降低工程造價。

2）持久狀況正常使用極限狀態計算

根據文獻[8]，計算得到頻遇組合正截面應力為-4.9 MPa，斜截面應力為0.7 MPa。最大正截面壓應力為-26 MPa，斜截面主壓應力為-26 MPa，均滿足要求。

5 結語

本文以某人行天橋為背景，從斷面形式、材料組成進行分析比選，最終得到受力合理、施工方便、經濟性好的方案。并提出同跨徑橋寬的NC 箱梁方案進行對比，UHPC 箱梁能顯著減輕上部結構自重，減少普鋼用量，施工運輸便捷快速。