預制拼裝UHPC剛架拱橋設(shè)計施工概述

周志敏，房金錢

(廣東冠生土木工程技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 511400)

0 引 言

交通部公路科學研究院于上世紀70年代提出剛架拱橋這一新型橋型，鑒于其材料用量少，結(jié)構(gòu)輕型美觀，施工便捷等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于25～70 m橋梁[1]。剛架拱橋最大的特點就是受力介于拱橋與梁橋之間，其剛架段主要為受彎構(gòu)件，中間實腹段、主拱腿及斜腿為壓彎構(gòu)件，充分發(fā)揮了拱式橋及梁式橋各自的優(yōu)勢及特點。但是隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，公路交通路日益增加，超載也逐漸增多，使得目前在役的剛架拱橋出現(xiàn)了各種開裂等病害。究其原因，筆者認為除了普通混凝土耐久性較差之外，另一主要原因就是剛架拱橋這一橋型因設(shè)計簡潔、材料用量少，導致承載力儲備不高[2]。

超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)是一種新型纖維增強水泥基復合材料，具有超高抗壓強度、良好的抗拉強度、超高的耐久性及蒸養(yǎng)后徐變小，無收縮等優(yōu)點。近年UHPC已成為土木工程領(lǐng)域研究的熱點，工程應(yīng)用也日漸增多。在橋梁工程領(lǐng)域，目前我國主要將其應(yīng)用在鋼-UHPC組合橋面、鋼-UHPC板組合結(jié)構(gòu)、濕接縫等，較少的應(yīng)用在T型簡支梁、π型梁、連續(xù)箱梁[3-4]。結(jié)合UHPC材料超高力學性能、超高耐久性的特點，將UHPC應(yīng)用在剛架拱橋中，充分發(fā)揮UHPC的性能，在較少材料用量情況下具備較大的承載力，充分體現(xiàn)剛架拱橋自重輕、通透美觀、材料用量少、裝配化程度高等優(yōu)點。本文以廣東省高恩高速K7+174跨線橋-國內(nèi)首座預制裝配式UHPC剛架拱橋為背景，介紹UHPC剛架拱橋的設(shè)計及施工特點，為UHPC在橋梁工程的進一步推廣應(yīng)用提供借鑒經(jīng)驗。

1 項目概況

1.1 設(shè)計概況

K7+174車行天橋(UHPC剛架拱)位于廣東省云浮市稔村鎮(zhèn)，跨越高明至恩平高速公路主線，為上承式剛架拱橋，上部行車部分結(jié)構(gòu)長為66 m，拱肋跨徑為58m，矢高為6.5 m，矢跨比為1/8.9。該橋所處道路等級為等外土路，設(shè)計荷載為公路-II級。上部承重結(jié)構(gòu)由3片UHPC拱肋組成，拱肋分段預制，吊裝到位后，通過UHPC濕接縫連接成整體。橋面結(jié)構(gòu)為C50普通混凝土現(xiàn)澆橋面板，通過預埋在拱肋及邊主梁剛架上部的“倒U”型剪力鍵連接與拱肋及剛架部分形成整體，承受車輛局部荷載，并傳遞到拱肋及剛架邊主梁上。

圖1 實橋照片-UHPC剛架拱橋

1．2 UHPC拱肋結(jié)構(gòu)方案

本橋采用預制UHPC拱肋，拱肋跨徑58 m，考慮預制節(jié)段運輸?shù)跹b重量及節(jié)點應(yīng)力，每片拱肋劃分為5個預制單元，設(shè)置4道濕接縫，分別為16 m(邊主梁剛架段)+5 m(拱腿段)+24 m(中間聯(lián)合段)+5 m(拱腿段)+16 m(邊主梁剛架段)，如圖2所示。

圖2 拱肋劃分立面示意圖

拱肋厚度為30 cm，在兩端剛架支座附近加厚至50 cm。剛架截面高100 cm，拱肋跨中位置處截面高度為100 cm，拱腳截面高度由80 cm變化至140 cm。拱肋下緣為二次拋物線，變化方程為Y=0.00772889X2(坐標原點為拱肋下緣曲線頂點)，拱腳上緣拱肋下緣曲線與由拱肋截面0.8 m高～1.4 m高為相加得到的曲線，剛架與拱腳連接處通過半徑R=30 cm圓曲線順接過渡。

設(shè)置9道橫系梁，其中端橫梁厚50 cm，高100 cm，預制時在拱片橫梁部位預留鋼筋，現(xiàn)場現(xiàn)澆端橫梁；中橫梁厚30 cm，高100 cm，中橫梁與拱肋中間濕接縫位置重合，現(xiàn)場在現(xiàn)澆拱肋中間濕接縫同時現(xiàn)澆中橫梁；拱腿上橫梁高110 cm，寬30 cm，預制時在拱片橫梁部位預留鋼筋，現(xiàn)場現(xiàn)澆端橫梁；其余橫梁均高100 cm，寬20 cm，預制時在拱片橫梁部位預留鋼筋，現(xiàn)場現(xiàn)澆端橫梁；

預制UHPC拱肋通過現(xiàn)澆濕接縫連接成整體，如何保證濕接縫的性能是本項目關(guān)鍵。項目組經(jīng)過大量試驗研究，濕接縫中部設(shè)計為菱形構(gòu)造，上下部則設(shè)計為矩形條帶形式，采用該種形式的接縫經(jīng)試驗驗證非常可靠[5]。如圖3所示。

圖3 濕接縫構(gòu)造示意圖

2 設(shè)計計算

2.1 UHPC材料本構(gòu)關(guān)系本項目預制UHPC拱肋采用的超高性能混凝土UHPC強度等級為R150，設(shè)計抗壓強度為150 MPa，抗彎強度22 MPa，軸拉強度8 MPa，彈性模量45 GPa，工廠預制生產(chǎn)并采用90℃高溫蒸汽養(yǎng)護。UHPC的極限壓應(yīng)變?nèi)?.0033，極限拉應(yīng)變0.003，設(shè)計拉壓本構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

圖4 UHPC材料本構(gòu)關(guān)系

2.2 結(jié)構(gòu)計算

總體計算選用Midas Civil有限元分析軟件，采用梁格法進行全橋空間建模，計算模型如圖5所示。UHPC計算與普通混凝土最大的不同就是UHPC考慮了材料的抗拉性能。

圖5 UHPC剛架拱橋計算模型

圖6 承載能力極限狀態(tài)基本組合彎矩包絡(luò)圖(單位：kN*m)

根據(jù)有限元計算得到的橋梁內(nèi)力進行配筋設(shè)計，本橋采用HRB400鋼筋，拱片關(guān)鍵截面鋼筋配置如表1所示。

表1 拱肋主要截面配筋

根據(jù)本橋UHPC-NC結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果，在承載能力極限狀態(tài)下，UHPC主拱最大壓應(yīng)力為40.5 MPa，最大拉應(yīng)力為15.6 MPa；而在正常使用極限狀態(tài)下，UHPC的最大裂縫寬度按0.05 mm進行控制。

3 實橋施工

本項目2018年11月開始施工，2019年3月完工，主要施工工序為：(1)擴大基礎(chǔ)施工→(2)橋臺施工→(3)UHPC拱肋預制→(4)UHPC拱肋吊裝→(5)濕接縫澆筑→(6)現(xiàn)澆C50橋面板施工→(7)橋面系施工。其中基礎(chǔ)、橋臺、橋面板及橋面系為普通混凝土工程，不再贅述，重點介紹UHPC拱肋的預制及吊裝的施工要點及質(zhì)量控制措施。

3.1 預制方案的確定

根據(jù)本項目拱肋節(jié)段劃分的特點，拱肋最長節(jié)段23.7 m，最大吊裝重量25.8 t，再考慮現(xiàn)場預制場地特點，選取橋位20公里的稔村東收費站廣場作為預制場地。鑒于拱肋最大高差達2.8 m，如采用立式預制，模板支撐系統(tǒng)將非常龐大，同時考慮到UHPC塑性沉縮較大，為了保證預制UHPC拱肋的質(zhì)量，拱肋節(jié)段采用臥式預制方式。吊裝時再進行翻轉(zhuǎn)。兩邊剛架采用立式預制。

3.2 UHPC拱肋預制

UHPC按最大堆積密實度理論進行設(shè)計，一般不采用粗骨料，同時添加有多種礦物摻合料等，如何將其拌和均勻是UHPC施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵。目前國內(nèi)生產(chǎn)UHPC的拌和設(shè)備有雙臥軸式、立軸行星式，以及振動攪拌方式等，本項目采用3000型雙臥軸式攪拌設(shè)備，UHPC提前在工廠制備成預混料的形式，加水后拌和8～10 min成型。需要注意的是鋼纖維的加入一定要注意分散，必要時輔以專門的分散設(shè)備，確保UHPC拌合料的均勻一致，無結(jié)團現(xiàn)象。UHPC終凝后拆除側(cè)模，在預制臺座上開始高溫蒸汽養(yǎng)護，90℃養(yǎng)護48h。本項目因UHPC拱片厚度只有30 cm，蒸養(yǎng)過程中必須重點留意升溫、降溫速度，防止溫度急劇變化導致UHPC拱肋開裂。

3.3 UHPC拱肋吊裝

UHPC拱肋預制及運輸過程中都是處于臥式狀態(tài)，如何順利將UHPC薄片翻轉(zhuǎn)成立式吊裝在臨時支架上，是本項目的難點。以拱腳拱肋為例，詳細介紹拱肋翻轉(zhuǎn)吊裝工藝：

(1)臥式吊點設(shè)計。首先計算出肋片的重心位置，據(jù)UHPC的允許拉應(yīng)力得出肋片在“臥式”狀態(tài)下需要設(shè)置的吊點數(shù)量，并使得這些吊點都落在穿過肋片重心的同一直線上，該直線最好能與豎向吊點連線平行或基本平行。

(2)豎向吊點設(shè)計。在拱肋豎立狀態(tài)下頂面中線上，基本對應(yīng)臥式吊點位置設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的豎向吊點。

(3)均衡吊點受力。單肋片出現(xiàn)3個或以上吊點時，必須采取措施使得各吊點均衡受力，避免出現(xiàn)超靜定情況。本項目采用簡單高效的“平衡輪”方式，即使用單根千斤繩兩端連接 2 個吊點，千斤繩中部“穿入”一“平衡輪”，再另一根千斤繩與“平衡輪”連接而成一個吊點。通過此法，就能簡單可靠地把3吊點的肋片拱腳拱肋和4吊點的肋片中間拱肋都“變成”2吊點的靜定受力狀態(tài)。

(4)肋片空中翻轉(zhuǎn)。先采用 1#大吊機單機通過“臥式”吊點完全提起肋片到不小于肋片高度，后另用一大一小吊機分別連接肋片兩端的“豎向”吊點并收緊起吊繩使其處于(預緊狀態(tài))，最后下降“臥式”吊點并協(xié)調(diào)“豎向”吊點的高度，直到“臥式”吊點完全不受力(重量已轉(zhuǎn)到豎向吊點上)。至此，即完成肋片翻轉(zhuǎn)。

(5)肋片吊裝。卸除“臥式”吊具，用1#大吊機替換出小吊機，即可進行肋片的正式起吊安裝。

圖7 拱腳拱肋翻轉(zhuǎn)吊裝示意圖

3.4 UHPC濕接縫

接縫位置拱肋UHPC應(yīng)鑿毛處理，直至露出大量鋼纖維，澆筑之前先灑水濕潤，以保證先后澆筑UHPC很好的結(jié)合。濕接縫模板安裝時應(yīng)特別注意，新澆筑UHPC對模板的壓力應(yīng)按液體靜壓力來計算。本項目主拱濕接縫高度達2.03 m，底部壓力大，沒有考慮周全造成漲模漏漿現(xiàn)象。為了保證接縫的抗裂性能，濕接縫位置UHPC將鋼纖維體積摻量從2%提高到了2.5%。

圖8 實橋施工主要工序

本項目共15片拱肋，吊裝耗時2天。綜合來看，UHPC剛架拱橋成功實施的關(guān)鍵就在于UHPC拱肋的預制，即UHPC這一材料的質(zhì)量控制。從UHPC原材料的選取，拌和工藝及設(shè)備的專業(yè)化，到入模成型工藝及整個蒸汽養(yǎng)護工藝，整個過程都需要精細控制精細管理，都是質(zhì)量控制的關(guān)鍵所在。目前，該橋已通車運營，運營狀況良好，筆者將持續(xù)關(guān)注其長期運營狀態(tài)。

4 結(jié) 論

預制拼裝UHPC剛架拱橋?qū)HPC材料的特點與剛架拱橋結(jié)合，自重小，跨越能力大，施工方便快捷，同時又造型美觀，對于70 m跨徑左右的跨線橋具有重大的推廣價值。通過廣東高恩高速UHPC預制拼裝剛架跨線拱橋項目的順利實施，掌握了UHPC剛架拱橋的設(shè)計計算方法，積累了一定的UHPC預制拱橋工程管理經(jīng)驗，掌握了施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵點。順利建設(shè)成功的國內(nèi)首座預制拼裝UHPC剛架拱橋，將成為國內(nèi)UHPC推廣應(yīng)用濃重的一筆，為UHPC在同類型工程的推廣應(yīng)用積累的豐富的實踐經(jīng)驗，也為UHPC新材料在更多新型橋梁主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供借鑒。