UHPC隔离栅立柱结构设计及工程应用研究

摘要 由于传统材料性能的限制，当前工程项目中广泛使用的普通混凝土隔离栅立柱存在自重大、安装运输困难、耐久性差等问题。该研究采用超高性能混凝土代替普通混凝土，设计出一款新型UHPC隔离栅立柱，并对其结构性能、生产工艺、工程应用情况进行了分析。研究结果显示：相较于普通混凝土隔离栅立柱，UHPC隔离栅立柱在保证结构性能良好的情况下，自重减少了3/4，节约了工程投入与工期，在绿色低碳的前提下保证了耐久性，应用前景良好。

关键词 隔离栅；UHPC；结构设计；工程应用；工艺流程

中图分类号 U415 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）23-0073-03

0 引言

随着我国公路事业的不断建设发展，社会对交通安全设施的要求越来越高。公路隔离栅是交通安全设施中重要的一部分，隔离栅的设置可以阻止行人和动物进入公路界，防止其侵占公路用地，从而减少严重事故的发生。目前的公路隔离栅立柱普遍采用混凝土预制，由于传统混凝土材料性能的限制，当前公路上应用的混凝土隔离栅立柱存在着自重大、安装运输困难等问题。近年来的工程实践表明，传统混凝土立柱在预制过程中容易出现蜂窝麻面等缺陷，并且由于混凝土强度不高，在长时间冻融循环与干湿循环过程中混凝土容易剥落导致钢筋锈蚀[1]。此外，传统混凝土立柱需要较长的养护时间，通常养护周期至少为7 d，影响施工进度与周期。

UHPC（Ultra-High Performance Concrete）即超高性能混凝土，是一种利用了应用紧密堆积理论进行制配的超高强水泥基复合材料，这种材料具有高强度、高韧性、高耐久性等诸多优点[2]。目前这种材料已经广泛应用于桥面工程、幕墙工程、湿接缝工程、加固工程等领域[3]，并且其在梁体加固、抗震加固等领域的应用也在逐步开发[4]，但UHPC在隔离栅立柱中的应用还未被涉及。

基于以上现状，通过有限元仿真与试验相结合的方法，设计了一种新型的隔离栅立柱—UHPC隔离栅立柱，并结合实际公路项目建设对其进行系统性研究。

1 UHPC公路隔离栅结构设计

针对传统混凝土隔离栅立柱问题，根据实际工程需求，设计了一种新型预制超高性能混凝土（UHPC）隔离栅立柱。

基于有限元数值模拟的方法（如图1所示）设计UHPC隔离栅立柱，在满足现行规范的前提下，通过改变传统的隔离栅立柱的材料、截面面积、配筋等参数的方法对其进行结构优化。

与传统混凝土隔离栅相比，设计出的新型UHPC隔离栅立柱（如图2所示）截面边长由100 mm减少为50 mm，立柱中的配筋由HPB300变为冷拔钢丝CDW550，纵筋直径由8 mm减少为5 mm，箍筋直径由6 mm减少为5 mm，箍筋间距由200 mm变为600 mm，整体重量仅为传统立柱的1/4。

结构设计完成后参照《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2017）中的相关规定进行结构风荷载验算。立柱所受到的风荷载按公式（1）计算：

（1）

式中：Fwpk——风荷载（kN）；——可变荷载分项系数；——空气密度（）；C——风力系数；——设计风速（m/s）；——标志立柱宽度（m）；——标志立柱外露高度（m）。

按照最不利条件的验算原则，风荷载验算时的基本风压取《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）中的最大值1.85 kN/m2，代入相关数据可以求得：

立柱根部所受到的由风载引起的弯矩为：

立柱根部所受到的由风载引起的剪力为：

立柱根部截面的受弯、受剪承载力验算方法参照《超高性能混凝土结构设计规程》（T/CCPA 35—2022）中的相关规定。

立柱在实际使用中可能受到各个方向的风荷载，所以纵向受拉钢筋为对称布置，为了偏保守计算，计算中不考虑受压区钢筋抗压强度与受拉区UHPC的抗拉强度。立柱根部正截面受弯承载力被简化为：

（2）

式中：——弯矩设计值（）；——系数；——超高性能混凝土轴心抗压强度设计值（MPa）；——矩形截面的宽度（mm）；——受压区超高性能混凝土等效矩形应力图的高度（mm）；——截面有效高度（mm）。

将相关数据代入公式（2）中得到：

立柱根部正截面受弯承载力验算合格。

同正截面受弯承载力验算，为了更保守地计算，斜截面受剪承载力不考虑混凝土的抗拉强度，立柱根部斜截面受剪承载力计算参照公式（3）：

（3）

式中：——剪力设计值（N）；——箍筋的抗拉强度设计值（）；——配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积（）；s——沿构件长度方向的箍筋间距（mm）。

将相关数据代入公式（3）后得：

立柱根部斜截面受剪承载力验算合格。

综上所述，UHPC隔离栅立柱符合规范关于风荷载验算的要求。

2 UHPC隔离栅立柱结构性能

2.1 原材料

UHPC原材料为水泥、硅灰、细砂、磨细石英砂、外加剂等，所用水泥、集料、矿物掺合料以及外加剂等原料应符合现行《超高性能混凝土技术要求》（T/CECS 101017—2020）的规定，所用纤维为长度12 mm、直径0.2 mm的钢纤维。立柱所用UHPC的性能测试结果如表1所示，结果显示，与传统混凝土隔离栅立柱采用的C20混凝土相比，UHPC的抗压强度约为其5倍，抗拉约为其4倍。材料的2 min扩展度达到了750 mm，说明材料流动性能与工作性能良好，适合进行流水线浇筑作业。

2.2 力学性能测试

制作3节600 mm长的UHPC隔离栅立柱试件，跨径为500 mm，在压力试验机上采用三点弯曲试验的方式进行抗折荷载F的测量试验，试验结果如表2所示。

参考《公路用复合隔离栅立柱》（JT/T 848—2013）中4.2条的相关规定：公路用复合隔离栅立柱抗折强度应不小于10 kN。试验结果显示，UHPC隔离栅立柱的抗折荷载为11.07 kN，表明UHPC隔离栅立柱在缩小截面面积的前提下依然具有良好的力学性能。

3 工程应用研究

首批UHPC隔离栅立柱已在汾石高速交安项目成功应用，根据实际应用情况进行预制工艺研究与效益分析。

3.1 预制工艺研究

UHPC隔离栅立柱的预制工艺流程如图3所示，过程应严格进行质量控制。

为了保证预制产品的可靠性，UHPC隔离栅立柱预制的工艺流程控制要点如下：

（1）模具应设计考虑实用性，应设计为开口式，以便浇筑后进行脱模，脱模剂推荐使用UHPC材料专用脱模剂，UHPC隔离珊立柱浇筑完成后应在浇筑面覆盖塑料布以保证立柱表面质量。

（2）浇筑时宜采用联排分层浇筑的方法，联排分层浇筑法是将模具并排摆入浇筑架上，逐根用软管将搅拌好的UHPC浇筑入同排模具内，浇筑完成一层后摆放上一层继续浇筑。这样的施工方法可以有效节约浇筑时的施工面积并提升施工效率；方便浇筑后的立柱进行场内运输；节约蒸汽养生的占地面积。

（3）每批拌和完成的UHPC应进行留样，并在与立柱同条件养护后对留样及时进行力学性能检测。

（4）蒸养窑应设置高温蒸汽输送管道与数显温度传感器，并在表面覆盖苫布覆盖保温，使得蒸养设备最优化使用。

3.2 实体工程应用分析

根据实际工程应用情况分析，相较于普通混凝土隔离栅立柱，UHPC隔离栅立柱具有以下优势：

（1）节约工程投入

UHPC隔离栅立柱的截面面积与重量仅为传统混凝土隔离栅立柱的1/4，减少了材料用量与运输成本，并且UHPC隔离栅立柱预制采用流水线蒸汽养生，减少了人工的投入，总成本相较于使用普通混凝土立柱减少了10%。

（2）节约工期，提高施工质量与安全性

UHPC隔离珊立柱的成品表面质量好，相较于传统混凝土立柱养生时间缩短了85%，且成品质量稳定可控。此外，更轻的重量也更易于在高边坡地区安装，提高了施工的安全性与施工效率。

（3）绿色低碳，耐久性好

现有研究表明，UHPC材料相较于普通混凝土有更好的耐久性，具体表现为氯离子扩散系数仅为普通混凝土的1/50，抗冻融剥落性能约为普通混凝土的150倍，碳化深度可以忽略不计。优异的耐久性使得UHPC隔离栅立柱的寿命与实用性比混凝土隔离栅立柱更高，进一步提高了公路交安设施的全寿命经济性。此外，UHPC每兆帕下UHPC产生的碳排放较普通混凝土下降显著，其碳强度仅为后者的62.25%[5]，使用UHPC作为建材更加绿色经济。

4 结语

相较于普通混凝土隔离栅立柱，UHPC隔离栅立柱截面小、材料使用量少、碳强度低、立柱耐久性高。实践证明，不论是对于新建公路的隔离栅立柱应用或对于现有公路隔离栅的维修和替换，UHPC隔离栅立柱都提供了一种更可靠的隔离栅方案，尤其在工期紧，需要在高边坡地带安装的情况下，是一种更加经济的选择。

参考文献

[1]王成，田青，张苗，等.干湿循环对混凝土性能的影响研究综述[J].材料导报， 2023（S2）：208-217.

[2]戴长明，王琨，丁永琪，等.UHPC的研究进展及其在混凝土结构中的应用[J].福建建筑， 2023（11）：105-108.

[3]杨飞，王雅.超高性能混凝土（UHPC）研究与应用综述[J].四川建材， 2023（12）：1-2+10.

[4]蔡雄庭，刘力，伍贤智，等.UHPC加固RC梁受力性能试验研究[J].世界桥梁， 2024（1）：117-124.

[5]丁超，贾子杰，王振华，等.基于生命周期评价的UHPC碳排放控制潜力评估[J].硅酸盐通报， 2023（4）：1242-1251.