超高性能混凝土（UHPC）π型梁人行天桥设计与施工
吴 亮，陈洪伟
（创辉达设计股份有限公司，湖南 长沙 410219）
随着桥梁技术的发展，市政项目尤其在城市快速化改造项目中，为了最大限度减小对地面交通及周边环境的影响，同时兼顾一定的景观效果，对于过街人行天桥结构提出了“快速施工、轻巧美观”的要求。常规混凝土结构笨重、造型单调、耐久性差；
钢结构造价高、现场拼接质量难控制、防腐疲劳问题突出；
具备良好力学性能且质量较轻、易于架设安装的超高性能混凝土（UHPC）结构应运而生[1]。目前，加拿大、法国、马来西亚等国家已建成多座结构型式各异的UHPC 桥梁，国内UHPC 桥梁研究应用稍晚些，将UHPC 材料应用到桥梁主体受力结构中的工程案例较少，大多处于探索、研究阶段[2]。以下主要介绍超高性能混凝土结构（UHPC）在湘潭“两干”项目人行天桥中的大面积实际应用情况。
湖南省湘潭市已建成通车的潭州大道（湘潭段）（14.7 km）、芙蓉大道（湘潭段）（12 km）快速化改造项目，属于湖南省委、省政府部署安排开展“三干两轨”项目，是连接湘潭与长沙高、快速路网的关键项目，均采用一级公路标准兼顾城市快速道路功能。全线共设18 座人行天桥，原设计为钢结构人行天桥，建设单位为优化建设成本并推广使用新材料，变更为UHPC 结构，实现了UHPC 在国内人行天桥主体受力结构中首次大规模应用。
本项目于2020 年10 月建成并投入使用。
2.1 总体布置
本项目人行天桥的设置旨在解决行人立体过街需求。根据道路总体布置，于侧分带立墩，以减小桥梁跨径，采用两跨或三跨等高简支超高性能混凝土（UHPC）结构，中跨跨越行车道，典型跨径为34 m，桥面净宽3 m，两侧各20 cm 栏杆，总宽3.4 m；
桥墩采用带扩头的普通钢筋混凝土花瓶墩，为保持外观材质协调统一，梯道采用普通混凝土结构，下部基础均为钻孔灌注桩基础。桥面铺装采用水泥砂浆+3 cm 火烧面防滑花岗岩瓷砖。人行天桥典型立面布置图如图1所示。
图1 人行天桥典型立面布置图（单位：cm）
2.2 主梁构造
主梁采用经济、受力状态好且易于架设的π 型截面[3]，由两片单T 梁通过湿接缝及横隔板连接而成，π 型梁为整体整跨架设，无需现场连接，亦无需搭设支架或临时墩，施工便捷。
π 型梁梁高1.6 m，支座处及跨中各设置一道横隔板，横隔板高147.5 cm，厚15 cm。π 型梁顶板宽3.4 m，顶板厚10 cm，湿接缝宽30 cm。跨中截面如图2 所示，顶板与腹板加液尺寸为37 cm×10 cm，腹板厚16 cm，马蹄宽40 cm，高12.5 cm；
支点截面如图3 所示，顶板与腹板加液尺寸为35 cm×20 cm，腹板厚20 cm，马蹄宽40 cm，高45 cm。距梁端1 m 位置腹板厚度开始变化，变化长度为2 m。
图2 主梁跨中截面（单位：cm）
图3 主梁支点截面（单位：cm）
中跨34 m 跨径，纵桥向分三段预制，各梁段间结合面采用剪力键齿和环氧树脂接缝，在预压状态下拼接为整体，其中最大节段长度约13 m。
2.3 预应力布置
主梁为预应力UHPC π 型简支梁，采用体内预应力体系，纵桥向按全预应力混凝土构件进行设计。π 型梁纵向预应力采用φs15.2 钢绞线，标准强度fpk=1 860 MPa，锚下张拉控制应力1 302 MPa，采用塑料波纹管成孔真空压浆，锚具采用与之配套的夹片锚。典型34 m 跨径，顶板设置两孔7 根φs15.2 钢绞线，底板设置两孔15 根φs15.2 钢绞线，均设置于腹板中心线，待两片T 梁形成π 型梁且UHPC 强度达到设计强度的85%时，方可两端对称张拉钢绞线，钢束张拉顺序为N1→N2。主梁预应力布置断面图如图4、图5 所示。
图4 跨中截面预应力布置图（单位：cm）
图5 支点截面预应力布置图（单位：cm）
2.4 普通钢筋配置
主梁为预应力构件，全截面受压，纵向普通钢筋不参与受力，仅满足最低构造要求配置普通钢筋。梁底纵筋直径16 mm，其余纵筋直径10 mm，间距130～200 mm，桥面板横向钢筋直径12 mm，间距200～400 mm，腹板设双肢箍，箍筋直径10 mm，跨中间距400 mm，支点位置加密至200 mm，以满足抗剪承载力要求。
与常规混凝土材料相比，UHPC 材料的组分去除了粒径大于1 mm 的粗骨料，代之以石英砂、石英粉，并掺入一定比例的粉煤灰、硅灰、高效减水剂和钢纤维，进而形成一种低孔隙率、低水胶比、含有较高比例微细短钢纤维的纤维增强水泥基复合材料，具有超高强度、超高韧性、低渗透性和高体积稳定性等性能特点[4]，抗压强度是常规混凝土的2 倍以上，轴拉强度是4 倍以上，弯折强度是6 倍以上。
本项目UHPC 材料，规格为RPC140,其力学指标依据湖南省地方标准《活性粉末混凝土结构设计规程》（DBJ43/T 325—2017）取值，纤维采用镀铜钢纤维，抗拉强度≥2 000 MPa，规格为0.2 mm×20 mm，体积掺量取2%。具体参数见表1。
表1 RP C140 力学指标汇总 单位：MPa
4.1 承载能力极限状态
构件正截面承载能力应按下列基本假定计算：
（1）构件弯曲后,其变形后仍然为平面,并且同变形后的杆件轴线垂直；
（2）截面受拉超高性能混凝土的抗拉强度不予考虑；
（3）纵向体内钢筋的应力等于钢筋应变与其弹性模量的乘积。
斜截面抗剪承载力的计算按式（1）计算：
其斜截面抗剪承载能力Vu应按式（2）计算：
式中：γ0为桥梁结构的重要性系数；
Vd为剪力组合设计值；
Vu为构件斜截面抗剪承载能力；
Vc为超高性能混凝土基体抗剪承载力设计值；
Vf为构件斜截面上纤维抗剪承载力设计值；
Vp为构件斜截面上预应力弯起钢筋抗剪承载力设计值。
其中，超高性能混凝土基体抗剪承载力设计值Vc：
式中：fcuk为立方体抗压强度标准值,按本文表1 取值；
b 为矩形截面宽度或T 形截面腹板宽度；
z 为弯矩作用下构件的内力臂，取z=0.9 h0；
h0为截面受压边缘到纵向受拉钢筋的距离，取h0=7/8h；
kN为荷载或预应力提高系数；
γc为超高性能混凝土材料分项系数，取1.45。
纤维抗剪承载力设计值Vf：
式中：εu为承载能力极限状态最大弯拉应变计算值；
εu，lim为超高性能混凝土抗拉极限应变；
εel为超高性能混凝土弹性极限应变。
预应力弯起钢筋抗剪承载力设计值Vp：
式中：fpd，i为体内预应力筋抗拉强度设计值；
Ap，i为斜截面内弯起体内预应力钢筋的截面面积；
θp，i为体内预应力筋弯起钢筋（在斜截面受压端正截面处）的切线与水平线夹角。
矩形、T 形和1 形截面的受弯构件,其抗剪截面尺寸应符合下列要求：
式中：αcc为荷载长期效应系数，取0.85；
γc为超高性能混凝土材料分项系数，取1.45；
b 为腹板厚度；
z 为弯矩作用下构件的内力臂，取z=0.9 h0；
fcuk为立方体抗压强度标准值；
θ 为临界斜裂缝与梁轴线间夹角，建议取值不小于30°。
抗弯承载能力依据湖南省地方标准《活性粉末混凝土结构设计规程》（DBJ43/T 325—2017）相关条文公式计算，从模型提取内力进行验算，具体结果见表2。
表2 抗弯、抗剪承载能力验算
由表2 验算结果可知，主梁正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力均满足规范要求。
4.2 正常使用极限状态
本项目主梁为预应力UHPC π 型简支梁，受力模式简单，采用MIDAS Civil 2020 软件建立34 m 典型跨径主梁单梁模型，模拟了各施工过程及运营阶段受力情况，主梁按全预应力混凝土构件进行验算。主梁有限元模型如图6、图7 所示。
图6 π 型梁上缘应力包络图（单位：MPa）
图7 π 型梁下缘应力包络图（单位：MPa）
从以上计算结果可得，持久状况正常使用极限状态正截面上、下缘均为压应力，表明主梁全截面处于受压状态，跨中下缘压应力储备3 MPa。
同时采用MIDAS FEA 3.7.0 软件建立34 m 典型跨径主梁实体模型与单梁模型进行对照验算，发现实体模型跨中下缘压应力储备为2.5 MPa 与单梁模型结果相近，表明UHPC π 型简支梁受力满足平截面假定等初等材料力学假定，单梁模型计算结果可满足工程要求。
UHPC 优越的工程使用性能，得益于其各组分适当的配合比以及高温蒸汽养护，其施工要求较常规混凝土严格许多，现场浇筑条件有限，质量难以保证，所以一般为工厂预制成品。
本项目UHPC 材料配合比设计符合《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）要求，并达到设计需求的各项力学指标。UHPC 材料原材料、搅拌、运输、浇筑、养护等符合湖南省地方标准《活性粉末混凝土结构设计规程》（DBJ43/T 325—2017）相关要求。
主要施工步骤[5]为：
（1）在工厂分节段预制UHPC 梁，并蒸汽养护成型；
（2）节段临时拼装，在接缝处采用硅酮硫密封胶，安装预应力管道密封圈，移动待拼梁段，准确对位拼接，初张拉使环氧树脂在不小于0.3 MPa 的压力下固化；
（3）浇筑湿接缝，形成π 型梁；
（4）对称张拉预应力，压浆封锚；
（5）运输、整孔吊装就位；
（6）施工桥面系及附属设施。
主要施工过程现场照片如图8、图9 所示。
图8 绑扎钢筋
图9 π 型梁成型
超高性能混凝土（UHPC）材料具有优良的力学性能，在桥梁工程中的实践案例越来越多。本项目首次在桥梁主体结构中大规模应用了UHPC，取得了一定成效——不到40 天时间，18 座人行天桥主梁全部架设完毕，缩短了工期；
相比原设计钢结构天桥，建安费节约了约10%，建设效果良好。表明UHPCπ 型梁是一种有竞争力的人行天桥方案，特别是大规模应用时，相比钢结构有经济优势，具有广阔的应用前景。
下一篇：从座椅设计看中西方设计美学差异