装配式超高性能混凝土连续箱梁天桥设计研究

曾储惠

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广州 510060）

1 引言

随着桥梁工程朝着新技术、新材料方向的蓬勃发展，超高性能混凝土UHPC（Ultra-High Performance Concrete）在桥梁工程领域已得到迅速发展。 超高性能混凝土是一种新型纤维增强水泥基复合材料，弹性模量、抗拉强度更高，徐变系数更小，耐久性好。 与同等跨径的高强混凝土构件相比，UHPC 构件抗弯承载力要大得多， 同时具有良好的变形性能和开裂性能，因而具有更好的跨越能力，应用前景广泛[1]。 超高性能混凝土具有良好的韧性、超高的抗压强度和优异的耐久性能，可实现桥梁结构向轻型、大跨方向发展，获得使用环境下的长寿命以及减少运营期的维护。 工程实践表明：UHPC 能进一步减小构件几何尺寸、减轻结构自重、提高结构抵抗使用荷载的有效性和增大桥梁结构的跨越能力[2]。 本文以广花一级公路22 座天桥为背景，研究超高性能混凝土在天桥中的应用，采用预制装配化施工，以节约工程造价、减少全寿命周期成本，为超高性能混凝土在城市桥梁建造中的推广应用积累经验。

2 桥梁结构设计

桥梁结构采用预应力简支转连续刚构UHPC 组合梁，天桥跨径布置为2.55 m 悬臂+23.6 m+26.4 m+2.55 m 悬臂，全长55.1 m，桥宽5.3 m，桥型布置如图1 所示。 主梁采用预应力超高性能混凝土单箱单室组合箱梁，其中，预制超高性能混凝土U 形梁高1 m，预制UHPC 桥面板厚0.2 m，组合箱梁高1.2 m，顶板厚0.12 m，底板厚0.1 m，腹板厚0.2~0.3 m。 U 形梁每片腹板配置3 束型号为15~13 的预应力钢束， 采用两端对称张拉。 UHPC 组合箱梁采用节段预制拼装法施工， 混凝土采用RPC140。 全桥共设置2 片U 形梁，U 形梁预制长度为25.9 m和28.7 m，最大吊装质量为51 t。 中墩墩顶处设置0.5 m 厚湿接缝，采用微膨胀RPC140 现场浇筑。 桥墩采用RPC120 预制倒梯形板式墩，墩顶尺寸为2.6 m（横向）×0.7 m（纵向），墩底尺寸为1.5 m（横向）×0.7 m（纵向），主桥桥墩统一预制高度为6.1 m。 梯道板梁采用RPC120 预制，休息平台和梯道桥墩采用RPC120 分开预制，其中桥墩为40 cm×60 cm 矩形截面，立面布置如图2 所示。

图1 桥梁横断面图（单位：cm）

图2 预制梯道立面图（单位：cm）

3 计算结果分析

采用Midas Civil 软件进行整体分析计算，按A 类预应力构件对U 形梁进行验算，按UHPC 钢筋混凝土构件对桥面板进行验算。

3.1 施工阶段验算

1）主梁吊装验算：预制U 形梁在吊装过程中截面上下缘均处于受压状态，最大压应力为43.3 MPa，小于限值68.6 MPa，满足规范要求。

2）简支状态验算：主梁吊装完成后，梁顶最大压应力为36.0 MPa，梁底最大压应力为10.5 MPa，小于限值68.6 MPa。主梁全截面处于受压状态。

3）刚构状态验算：截面边缘混凝土法向压应力为36.6 MPa，小于限值68.6 MPa， 截面边缘混凝土法向拉应力为-8.8 MPa（受压），小于限值5.46 MPa，满足规范要求。

3.2 承载能力极限状态验算

1）主梁最大正弯矩设计值为6 098 kN·m，承载力设计值为13 433.8 kN·m。 最大负弯矩设计值为-2 874.3 kN·m，承载力设计值为-6 126.7 kN·m。

2）主梁最大剪力设计值为1 017.5 kN，承载力设计值为2 661.6 kN，抗剪截面承载力设计值为3 575 kN。

3）组合截面抗剪验算：按照JTG/T D64-01—2015《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》对预制超高性能混凝土U 形梁与桥面板之间单位长度上的纵桥向进行抗剪验算。 组合梁纵桥向最大剪力Z3 轴为1 006.1 kN/m，抗剪钢筋提供的抗力为1 489.6 kN/m。 边墩Z1 轴纵桥向水平剪力为936.9 kN/m，抗剪钢筋提供的抗力为1 402.0 kN/m。 中墩Z2 轴墩梁固接，纵桥向水平剪力为891.9 kN/m，抗剪钢筋（含固结桥墩伸入主梁内的钢筋）提供的抗力为1 726.2 kN/m。 组合截面抗剪验算满足规范要求。

4）按照JTG/T D64-01—2015《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》第6.3 条进行混凝土板纵向抗剪承载力验算。 单位长度内纵向抗剪界面上纵向剪力（Vld）最大值为251.5 kN/m，单位长度内混凝土板纵向抗剪承载力（VlRd）为4 840 kN/m，纵向抗剪承载力满足要求。

3.3 正常使用极限状态验算

1）正截面抗裂验算：作用频遇组合下，正应力为-6.9 MPa（受压），小于限值5.46 MPa（受拉），作用准永久组合下，正应力为-6.9 MPa（受压），小于限值0 MPa，满足规范要求且压应力富余较大。

2） 斜 截 面 抗 裂 验 算： 作 用 频 遇 组 合 下， 主 拉 应 力 为1.74 MPa，小于限值5.46 MPa，满足规范要求。

4 技术特点分析

4.1 桥梁上下部结构采用全预制装配化设计施工

随着人们环保意识的提高， 桥梁建设工期、 施工噪声污染、 减小交通压力等逐渐成为桥梁设计时必须放在首位考虑的因素[3]。 全预制拼装桥梁技术是一套高效、低碳、环保的桥梁建造技术[4]。 结合广花一级公路周边环境要求高、交通压力大的特点，桥梁桩基、承台采用现场浇筑施工，主桥上部结构、附属结构、主桥墩柱、梯道板梁、梯道平台板、梯道墩柱采用全预制装配化施工。 桥梁装配化率高，施工速度快，环境影响小，交通干扰少，有明显的经济效益和社会效益。

4.2 桥梁上下部结构采用全预制超高性能混凝土

主桥墩柱采用预制UHPC 板式墩， 墩底预留钢筋与承台连接。 主梁采用UHPC 预制U 形梁和预制桥面板，吊装就位后通过预留剪力槽及湿接缝连接成整体箱形梁。 梯道桥墩采用预制UHPC 柱式墩， 墩柱顶底部预留钢筋与承台及梯道平台板连接，梯道平台板及梯道板梁采用UHPC 预制，分块吊装就位后通过湿接缝连成整体。 桥梁采用超高性能混凝土UHPC，大大减小了预制构件几何尺寸、减轻结构吊装重量，可有效降低预制装配化施工成本，减少环境影响。 超高性能混凝土UHPC 桥梁相较于钢箱梁可大幅度节约工程造价， 且UHPC 具有优异的耐久性能，能有效降低运营期的维护费用，实现全寿命周期成本最低。

4.3 采用节段拼装的整体式箱形截面

以往的预制混凝土或预制UHPC 天桥，多采用工字形梁、π 形梁、T 形梁、小箱梁等截面形式，桥下景观效果差，已不能满足现代城市的审美要求。 针对城市天桥常用的宽度，本项目采用5.3 m 宽整体式箱形截面，外形景观效果好。 结合施工运输和吊装的实际条件，将5.3 m 宽整体式箱形截面分解为2.9 m宽的U 形预制梁和3 m 宽的预制桥面板， 大大提高了预制装配化施工效率。吊装就位后，通过U 形梁腹板顶设置的剪力键钢筋及湿接缝与预制桥面板形成整体式箱形截面。 梯道平台板整体预制，预留槽口与预制墩柱形成固结。 5.1 m 宽梯道板梁横桥向分2 块整体预制，现场吊装就位后，通过湿接缝连成整体板梁，两端简支撑在梯道平台板预留的牛腿上。 采用节段拼装的整体式箱形截面，大大提升了桥梁整体景观效果，通过“化整为零”，有效解决了施工运输和吊装的问题。

4.4 采用简支转连续刚构体系结构

通常UHPC 的生产主要是以高温预制方式进行， 据资料表明UHPC 在常温养护环境下也可被用作现场施工浇筑，现场浇筑的UHPC 性能指标较预制的低一些， 抗压强度通常在100~150 MPa[5]，为现场浇筑纵向湿接缝提供了条件。为保证桥梁简洁明快的景观效果，研究采用先简支后连续刚构体系，避免中墩设置双排支座且采用扩大墩头， 达到3 处桥墩尺寸统一，有利于预制标准化设计和施工。主梁纵向分为两跨U 形梁进行预制，利用中墩底部承台的宽度搭设临时墩，U 形梁吊装到现场后支撑于临时墩上形成简支结构， 吊装预制桥面板与U 形梁形成整体截面。 墩顶预留钢筋伸入预留的50 cm 宽纵向湿接缝内， 湿接缝现场浇筑超高性能混凝土将两跨预制梁与桥墩形成固结。 UHPC 纵向湿接缝通过强配筋设计后，可较好地满足墩梁固结处的受力要求。

5 结语

广花一级公路天桥上下部结构采用全预制装配化设计施工，大大提高了桥梁建造效率，减少对交通和环境的影响，可取得重大社会效益。 桥梁上下部结构采用全预制超高性能混凝土，减轻了预制构件吊装重量，与常规钢箱梁结构桥相比，大幅度节约了工程造价， 且可以较大程度降低运营期的维护费用，全寿命周期成本最低。 研究采用了节段拼装的整体式箱形截面和简支转连续刚构体系，桥梁景观效果好，满足了现代城市桥梁建设的高标准高要求。