超高性能混凝土（UHPC）π型梁人行天橋設計與施工

吳 亮，陳洪偉

（創輝達設計股份有限公司，湖南 長沙 410219）

0 引言

隨著橋梁技術的發展，市政項目尤其在城市快速化改造項目中，為了最大限度減小對地面交通及周邊環境的影響，同時兼顧一定的景觀效果，對于過街人行天橋結構提出了“快速施工、輕巧美觀”的要求。常規混凝土結構笨重、造型單調、耐久性差；鋼結構造價高、現場拼接質量難控制、防腐疲勞問題突出；具備良好力學性能且質量較輕、易于架設安裝的超高性能混凝土（UHPC）結構應運而生[1]。目前，加拿大、法國、馬來西亞等國家已建成多座結構型式各異的UHPC 橋梁，國內UHPC 橋梁研究應用稍晚些，將UHPC 材料應用到橋梁主體受力結構中的工程案例較少，大多處于探索、研究階段[2]。以下主要介紹超高性能混凝土結構（UHPC）在湘潭“兩干”項目人行天橋中的大面積實際應用情況。

1 工程概況

湖南省湘潭市已建成通車的潭州大道（湘潭段）（14.7 km）、芙蓉大道（湘潭段）（12 km）快速化改造項目，屬于湖南省委、省政府部署安排開展“三干兩軌”項目，是連接湘潭與長沙高、快速路網的關鍵項目，均采用一級公路標準兼顧城市快速道路功能。全線共設18 座人行天橋，原設計為鋼結構人行天橋，建設單位為優化建設成本并推廣使用新材料，變更為UHPC 結構，實現了UHPC 在國內人行天橋主體受力結構中首次大規模應用。

本項目于2020 年10 月建成并投入使用。

2 結構設計

2.1 總體布置

本項目人行天橋的設置旨在解決行人立體過街需求。根據道路總體布置，于側分帶立墩，以減小橋梁跨徑，采用兩跨或三跨等高簡支超高性能混凝土（UHPC）結構，中跨跨越行車道，典型跨徑為34 m，橋面凈寬3 m，兩側各20 cm 欄桿，總寬3.4 m；橋墩采用帶擴頭的普通鋼筋混凝土花瓶墩，為保持外觀材質協調統一，梯道采用普通混凝土結構，下部基礎均為鉆孔灌注樁基礎。橋面鋪裝采用水泥砂漿+3 cm 火燒面防滑花崗巖瓷磚。人行天橋典型立面布置圖如圖1所示。

圖1 人行天橋典型立面布置圖（單位：cm）

2.2 主梁構造

主梁采用經濟、受力狀態好且易于架設的π 型截面[3]，由兩片單T 梁通過濕接縫及橫隔板連接而成，π 型梁為整體整跨架設，無需現場連接，亦無需搭設支架或臨時墩，施工便捷。

π 型梁梁高1.6 m，支座處及跨中各設置一道橫隔板，橫隔板高147.5 cm，厚15 cm。π 型梁頂板寬3.4 m，頂板厚10 cm，濕接縫寬30 cm。跨中截面如圖2 所示，頂板與腹板加液尺寸為37 cm×10 cm，腹板厚16 cm，馬蹄寬40 cm，高12.5 cm；支點截面如圖3 所示，頂板與腹板加液尺寸為35 cm×20 cm，腹板厚20 cm，馬蹄寬40 cm，高45 cm。距梁端1 m 位置腹板厚度開始變化，變化長度為2 m。

圖2 主梁跨中截面（單位：cm）

圖3 主梁支點截面（單位：cm）

中跨34 m 跨徑，縱橋向分三段預制，各梁段間結合面采用剪力鍵齒和環氧樹脂接縫，在預壓狀態下拼接為整體，其中最大節段長度約13 m。

2.3 預應力布置

主梁為預應力UHPC π 型簡支梁，采用體內預應力體系，縱橋向按全預應力混凝土構件進行設計。π 型梁縱向預應力采用φs15.2 鋼絞線，標準強度fpk=1 860 MPa，錨下張拉控制應力1 302 MPa，采用塑料波紋管成孔真空壓漿，錨具采用與之配套的夾片錨。典型34 m 跨徑，頂板設置兩孔7 根φs15.2 鋼絞線，底板設置兩孔15 根φs15.2 鋼絞線，均設置于腹板中心線，待兩片T 梁形成π 型梁且UHPC 強度達到設計強度的85%時，方可兩端對稱張拉鋼絞線，鋼束張拉順序為N1→N2。主梁預應力布置斷面圖如圖4、圖5 所示。

圖4 跨中截面預應力布置圖（單位：cm）

圖5 支點截面預應力布置圖（單位：cm）

2.4 普通鋼筋配置

主梁為預應力構件，全截面受壓，縱向普通鋼筋不參與受力，僅滿足最低構造要求配置普通鋼筋。梁底縱筋直徑16 mm，其余縱筋直徑10 mm，間距130～200 mm，橋面板橫向鋼筋直徑12 mm，間距200～400 mm，腹板設雙肢箍，箍筋直徑10 mm，跨中間距400 mm，支點位置加密至200 mm，以滿足抗剪承載力要求。

3 UHPC 材料參數

與常規混凝土材料相比，UHPC 材料的組分去除了粒徑大于1 mm 的粗骨料，代之以石英砂、石英粉，并摻入一定比例的粉煤灰、硅灰、高效減水劑和鋼纖維，進而形成一種低孔隙率、低水膠比、含有較高比例微細短鋼纖維的纖維增強水泥基復合材料，具有超高強度、超高韌性、低滲透性和高體積穩定性等性能特點[4]，抗壓強度是常規混凝土的2 倍以上，軸拉強度是4 倍以上，彎折強度是6 倍以上。

本項目UHPC 材料，規格為RPC140,其力學指標依據湖南省地方標準《活性粉末混凝土結構設計規程》（DBJ43/T 325—2017）取值，纖維采用鍍銅鋼纖維，抗拉強度≥2 000 MPa，規格為0.2 mm×20 mm，體積摻量取2%。具體參數見表1。

表1 RP C140 力學指標匯總 單位：MPa

4 計算分析

4.1 承載能力極限狀態

構件正截面承載能力應按下列基本假定計算：

（1）構件彎曲后,其變形后仍然為平面,并且同變形后的桿件軸線垂直；

（2）截面受拉超高性能混凝土的抗拉強度不予考慮；

（3）縱向體內鋼筋的應力等于鋼筋應變與其彈性模量的乘積。

斜截面抗剪承載力的計算按式（1）計算：

其斜截面抗剪承載能力Vu應按式（2）計算：

式中：γ0為橋梁結構的重要性系數；Vd為剪力組合設計值；Vu為構件斜截面抗剪承載能力；Vc為超高性能混凝土基體抗剪承載力設計值；Vf為構件斜截面上纖維抗剪承載力設計值；Vp為構件斜截面上預應力彎起鋼筋抗剪承載力設計值。

其中，超高性能混凝土基體抗剪承載力設計值Vc：

式中：fcuk為立方體抗壓強度標準值,按本文表1 取值；b 為矩形截面寬度或T 形截面腹板寬度；z 為彎矩作用下構件的內力臂，取z=0.9 h0；h0為截面受壓邊緣到縱向受拉鋼筋的距離，取h0=7/8h；kN為荷載或預應力提高系數；γc為超高性能混凝土材料分項系數，取1.45。

纖維抗剪承載力設計值Vf：

式中：εu為承載能力極限狀態最大彎拉應變計算值；εu，lim為超高性能混凝土抗拉極限應變；εel為超高性能混凝土彈性極限應變。

預應力彎起鋼筋抗剪承載力設計值Vp：

式中：fpd，i為體內預應力筋抗拉強度設計值；Ap，i為斜截面內彎起體內預應力鋼筋的截面面積；θp，i為體內預應力筋彎起鋼筋（在斜截面受壓端正截面處）的切線與水平線夾角。

矩形、T 形和1 形截面的受彎構件,其抗剪截面尺寸應符合下列要求：

式中：αcc為荷載長期效應系數，取0.85；γc為超高性能混凝土材料分項系數，取1.45；b 為腹板厚度；z 為彎矩作用下構件的內力臂，取z=0.9 h0；fcuk為立方體抗壓強度標準值；θ 為臨界斜裂縫與梁軸線間夾角，建議取值不小于30°。

抗彎承載能力依據湖南省地方標準《活性粉末混凝土結構設計規程》（DBJ43/T 325—2017）相關條文公式計算，從模型提取內力進行驗算，具體結果見表2。

表2 抗彎、抗剪承載能力驗算

由表2 驗算結果可知，主梁正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力均滿足規范要求。

4.2 正常使用極限狀態

本項目主梁為預應力UHPC π 型簡支梁，受力模式簡單，采用MIDAS Civil 2020 軟件建立34 m 典型跨徑主梁單梁模型，模擬了各施工過程及運營階段受力情況，主梁按全預應力混凝土構件進行驗算。主梁有限元模型如圖6、圖7 所示。

圖6 π 型梁上緣應力包絡圖（單位：MPa）

圖7 π 型梁下緣應力包絡圖（單位：MPa）

從以上計算結果可得，持久狀況正常使用極限狀態正截面上、下緣均為壓應力，表明主梁全截面處于受壓狀態，跨中下緣壓應力儲備3 MPa。

同時采用MIDAS FEA 3.7.0 軟件建立34 m 典型跨徑主梁實體模型與單梁模型進行對照驗算，發現實體模型跨中下緣壓應力儲備為2.5 MPa 與單梁模型結果相近，表明UHPC π 型簡支梁受力滿足平截面假定等初等材料力學假定，單梁模型計算結果可滿足工程要求。

5 施工過程

UHPC 優越的工程使用性能，得益于其各組分適當的配合比以及高溫蒸汽養護，其施工要求較常規混凝土嚴格許多，現場澆筑條件有限，質量難以保證，所以一般為工廠預制成品。

本項目UHPC 材料配合比設計符合《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）要求，并達到設計需求的各項力學指標。UHPC 材料原材料、攪拌、運輸、澆筑、養護等符合湖南省地方標準《活性粉末混凝土結構設計規程》（DBJ43/T 325—2017）相關要求。

主要施工步驟[5]為：

（1）在工廠分節段預制UHPC 梁，并蒸汽養護成型；

（2）節段臨時拼裝，在接縫處采用硅酮硫密封膠，安裝預應力管道密封圈，移動待拼梁段，準確對位拼接，初張拉使環氧樹脂在不小于0.3 MPa 的壓力下固化；

（3）澆筑濕接縫，形成π 型梁；

（4）對稱張拉預應力，壓漿封錨；

（5）運輸、整孔吊裝就位；

（6）施工橋面系及附屬設施。

主要施工過程現場照片如圖8、圖9 所示。

圖8 綁扎鋼筋

圖9 π 型梁成型

6 結語

超高性能混凝土（UHPC）材料具有優良的力學性能，在橋梁工程中的實踐案例越來越多。本項目首次在橋梁主體結構中大規模應用了UHPC，取得了一定成效——不到40 天時間，18 座人行天橋主梁全部架設完畢，縮短了工期；相比原設計鋼結構天橋，建安費節約了約10%，建設效果良好。表明UHPCπ 型梁是一種有競爭力的人行天橋方案，特別是大規模應用時，相比鋼結構有經濟優勢，具有廣闊的應用前景。