中国第一座超高性能混凝土(UHPC)公路箱梁桥的设计与施工

陈宝春，黄卿维，苏家战，郭斌，马熙伦

(1.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108；2.中交一公局桥隧工程有限公司；3.宁夏大学 土木与水利工程学院)

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)是一种具有极高抗压强度、较好的抗拉性能和良好耐久性的先进水泥基材料，它的应用符合世界向低碳、环境友好、可持续发展的趋势，故在土木工程领域的应用不断推进，尤以在桥梁工程中的应用最为突出。然而，由于材料成本较高，在桥梁工程中的应用以结构局部和部分构件(如钢桥面板)等为主，UHPC的桥梁还相对较少，主要的应用国家有中国、韩国、德国、马来西亚、瑞士、日本、美国等。此处所述的UHPC桥梁采用了材料划分的原则，指上部结构主要建筑材料为UHPC的桥梁，不包括结构局部和部分构件采用UHPC的桥梁。该文介绍中国第一座UHPC公路箱梁桥的设计与施工情况、足尺简支箱梁破坏试验和后期的优化设计，可为中国UHPC桥梁的应用与研究提供参考。

1 桥梁设计

该桥位于北京—珠海(京珠)国道主干线河北省石家庄至磁县(石磁)高速公路K34+690处，为跨越该高速公路的车行桥，简称石磁高速K34+690跨线桥。桥梁荷载等级为公路-Ⅱ级，为斜交45°的连续梁，跨径布置为4×30 m，总长127 m。主梁横向由3片预应力UHPC小箱梁构成。设计时，中国还没有UHPC材料的相关标准，要求主梁的UHPC立方体(100 mm×100 mm×100 mm)抗压强度标准值不小于130 MPa，棱柱体(100 mm×100 mm×300 mm)弹性模量不低于40 GPa，坍落度为140～180 mm，扩展度为170～220 mm，含气量为2%～4%，设计推荐并经现场试配后的配合比见表1。UHPC主梁结构分为预制梁段和后浇湿接缝与横隔梁两部分，由于后浇梁体受现场条件限制，其高温养护效果与预制梁体有所差异，为保证后浇UHPC的力学性能与预制梁段相近，将后浇UHPC的钢纤维掺量从预制梁体的157 kg/m3提高到236 kg/m3，即表1中的括号外和括号内的数值。普通钢筋采用HPB300和HRB400钢筋。预应力钢绞线采用抗拉强度标准值为1 860 MPa，公称直径为15.2 mm及12.7 mm。

表1 UHPC配合比 kg/m3

桥面宽度为8 m，横向布置为0.5 m(护栏)+7 m(2个行车道)+0.5 m(护栏)，桥面铺装采用5 cm厚沥青混凝土+8 cm厚的C50混凝土，设置1.5%的双面横坡。下部结构为柱式墩、台，钻孔灌注桩基础，采用钢筋(普通)混凝土结构。桥位总体布置示意见图1，主梁横断面见图2。

图1 桥梁总体布置图(单位：cm)

图2 主梁横断面图(单位：cm)

主梁横向由3片预应力UHPC小箱梁构成，箱梁之间中心距为2.8 m，中、边梁预制宽度均为2.3 m，由宽0.5 m、厚0.12～0.15 m的现浇带连成整体。箱梁中心高1.6 m，顶板厚0.18 m，底板在跨中处厚0.18 m，在支点处加厚至0.24 m，腹板在跨中处厚0.15 m，在支点处加厚至0.20 m。预制箱梁横截面布置见图3。

图3 主梁构造图(单位：cm)

2 结构计算

利用Midas/Civil软件建立杆系有限元模型进行设计计算，采用梁单元模拟UHPC主梁，虚拟横梁模拟横向主梁之间的湿接缝连接，弹性连接模拟支承处支座的边界条件。有限元模型共有825个节点，1 322个单元。

由于大桥设计时中国还没有UHPC桥梁的相关设计规范，因此设计计算主要依据当时的公路桥梁规范：JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》、JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》并参考《超高强度纤维增强混凝土结构设计与施工指南(草案)》(日本)进行，其中UHPC的轴心抗压、抗拉强度标准值及强度设计值，按表2采用(表中下标c代表抗压，t代表抗拉)。

表2 UHPC强度标准值与设计值 MPa

表3为承载能力极限状态下的主梁正截面抗弯承载力验算结果。从表3可以看出：4个控制截面均能满足规范要求。

表3 承载能力极限状态组合下主梁正截面验算结果

图4为正常使用短期效应组合作用下的主梁拉应力验算结果。从图4可知：所有截面顶底缘均未超过容许拉应力，满足要求。

图4 正常使用短期效应组合作用下主梁应力验算结果

主梁在长短期效应作用下的挠度计算结果，长期效应的最大挠度值为14.3 mm，小于规范规定的容许值50 mm，满足要求。

3 桥梁施工

UHPC箱梁的施工分为以下步骤：① 主梁梁段预制施工，张拉底板预应力钢束N1、N2、N3；② 梁段吊装，置于桥墩台上，进行梁体拼接，张拉顶板预应力钢束T1、T2、T3，施工横向湿接缝，将横向3片梁连成整体；③ 拆除临时支撑，完成体系转换(简支转连续)；④ 施工二期恒载铺装。

因桥梁跨径不大，总体而言施工难度不大，以下主要介绍与UHPC有关的关键施工工艺。

UHPC搅拌时的投料顺序为骨料、钢纤维、水泥、矿物掺合料，干料先预搅拌4 min以上；或投入预先拌制均匀的固态混合物，加水和液体组分后再搅拌4 min以上。在混凝土搅拌机的下料装置上应有防止钢纤维结团的装置。在拌制过程中，搅拌时间根据实际情况进行适当调整。

预制梁体采用蒸气养护，为此专门搭建了蒸养房，测试结果表明：房内的温度可达90 ℃以上。之后，开展了梁段的试制。通过梁段试制可知：UHPC由于没有粗骨料，对模板的密封性能要求较严。同时，由于其早期收缩较大，要及时进行内模松动。在梁段试制成功后，开始进行实梁的制作。

UHPC预制梁的养护过程分为静停、高温蒸气养护和自然养护3个阶段。① UHPC成型完毕后静停6 h以上，静停时环境温度为10 ℃以上、相对湿度为60%以上；② 静停完毕后放入蒸养房进行蒸气养护，升温速度应不大于12 ℃/h，升温至80 ℃后，保持恒温(80±3)℃72 h或直至同条件养护试件的抗压强度达到设计值，再以不超过15 ℃/h的降温速度降至构件表面温度与环境温度之差不大于20 ℃。升温养护过程的环境相对湿度应保持在95%以上；③ 构件终养结束后再进行自然养护，环境平均气温应高于10 ℃，构件表面保持湿润不少于7 d。

2014年底UHPC箱梁预制完成。随后进入冬季，考虑到难以进行现浇带的UHPC施工，故暂停到2015年春天，才将主梁吊到墩台上。后浇的纵桥向湿接缝与墩上简支转连续处的湿接缝，也采用蒸气养护，同样经过静停、蒸养和自然养护3个阶段。由于现场保温采用的是保温膜，保温条件有限，设计要求达到60 ℃，通过增加湿接缝处钢纤维的掺量(从2%提高到3%，如表1所示)，使其与预制部分的UHPC性能匹配。现场保温膜内的温度，实测可达70 ℃以上。

4 优化设计与足尺破坏试验

石磁高速K34+690跨线桥作为中国第一座公路UHPC桥梁，设计时偏于保守地基本保持了原设计的预应力(普通)混凝土箱梁桥结构，只是截面板厚有所减薄，混凝土用量减少有限，钢筋与预应力筋基本维持了原设计，使UHPC的材料性能没有充分发挥，经济性相对较差。为此，在当时的技术条件情况下，开展了第一次优化分析。优化后的截面尺寸外轮廓与图3相同，只是减薄了箱梁的板厚。优化后，顶板厚跨中截面为0.08 m、支点截面为0.12 m；底板厚跨中截面为0.15 m、支点截面仍为0.24 m；腹板厚跨中截面为0.08 m、支点截面为0.12 m。预应力钢绞线减小为5束φs15.2 mm。

应用施工中的外模板和调大尺寸的内模板(以减小优化后的箱梁板厚)和蒸养设备，制作了一根足尺试验梁，实测的UHPC立方体(100 mm边长)强度为145.6 MPa，抗拉强度为8.02 MPa，弹性模量为42.3 GPa。在室外现场进行了模型梁破坏试验。试验梁总长30 m，计算跨径为29.6 m，支承于高50 cm的台座上。用汽车起重车配重钢锭进行加载，通过分配梁形成距跨中截面各1 m的两点集中力。测量了试验梁的挠度、钢筋和混凝土应变、裂缝等。试验结果：初裂荷载为615 kN，加载到1 815 kN时，梁的跨中挠度达424 mm(约为跨径的1/70)，由于梁底离地面仅余76 mm，停止试验，将所对应的荷载1 815 kN，作为试验梁的试验极限荷载。此时，荷载-位移曲线已接近水平线，结构已接近理论极限荷载值，有限元分析也证实了这一结论。

实桥为先简支后连续梁，以跨中的正弯矩控制设计，试验梁为简支梁，通过等效计算，当所施加的试验荷载达692 kN时，达到了实桥跨中正弯矩的设计极限荷载。足尺试验与有限元分析表明：当荷载达到800 kN时(超过了等效设计极限荷载)，底板预应力筋应变仅为1 029 με, 远低于其名义屈服应变2 589 με；当试验加载达1 177 kN(约2倍的等效设计极限荷载)，底板预应力筋的应变也仅为2 056 με；直到加载至1 519 kN 时，才达到屈服。当施加到试验极限荷载1 815 kN时，受压区UHPC的压应变仍小于1 000 με，未达到其抗压强度。试验停止时，受拉区UHPC裂缝最大宽度为6 mm。

试验结果表明：UHPC足尺试验梁仍有优化的空间。为此，文献[14]进行了二次优化，除进一步减薄箱梁板壁的厚度、减少预应力筋用量外，认为UHPC一定的抗拉强度可以增强混凝土的抗剪性能，可免除普通钢筋，将其设计成无腹筋梁。经济性分析表明：二次优化后UHPC桥的造价仅为预应力(普通)混凝土桥的1.04倍。若考虑下部结构的进一步优化，或从全寿命周期考虑，其经济效益将十分明显。事实上，马来西亚的实践表明，UHPC的一次性投资成本可以比现有普通混凝土桥经济，从可持续观点来看，社会经济效益则十分明显。

5 结语

石磁高速K34+690跨线桥于2015年5月建成通车，多年来桥梁运行情况良好。在当时的技术条件下，作为中国第一座公路UHPC桥梁，对该桥的设计、施工等方面进行了探索，开展了足尺梁的破坏试验和优化设计。虽然今天UHPC在中国桥梁中的应用越来越多，但预应力UHPC箱梁的应用还不多，石磁高速K34+690跨线桥所取得的技术成果与经验，对推动中国UHPC工程应用具有积极的意义。