UHPC 薄壁蓋梁設計、結構試驗及施工技術研究

胡方健

[1.上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海市200125；2.上海工業化裝配化市政工程技術研究中心，上海市200125]

1 概 述

在基礎設施領域，裝配式結構是我國近期的戰略發展方向，也是重要的新興產業。在橋梁工程中，裝配式主梁已在公路和城市橋梁中有大量應用，但裝配式下部結構一直是應用難點。上海從2012 年起開始了干接法裝配式下部結構（立柱和蓋梁）的研究和應用，并取得了較好的效果。但在應用上述技術的過程中發現一些問題，較為突出的是蓋梁自重偏大（可達200～300 t），這給運輸和安裝帶來較大困難。針對上述問題，上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司開展相關研究，提出蓋梁輕型化方案[1-2]，對高強材料，如C80 以上混凝土、超高性能混凝土（以下簡稱“UHPC”）應用至整體式蓋梁中的可行性進行了探索。本文主要介紹UHPC 蓋梁的一些研究成果。

UHPC 材料作為近年來正在推廣的一種新材料，具有超高抗壓強度、較高抗拉強度、良好拉伸應變、超致密性和耐久性等特點。UHPC 應用至蓋梁的思路為：利用UHPC 良好性能，將原使用C50 混凝土的蓋梁形體挖空成薄壁構件，在滿足承受上部荷載和自重的前提下，最大限度地減輕自身重量。本課題組成員[3]研究了口形斷面UHPC 整體式蓋梁設計方案。本課題組聯合湖南大學[4-5]等對口形斷面UHPC 整體式蓋梁進行了1∶2 縮尺蓋梁試驗研究，掌握了此類蓋梁的受力特點。在此基礎上，本課題組又開展了π 形斷面整體式蓋梁和分層組合口形斷面蓋梁的設計方案研究和試驗[2]，更進一步完善了薄壁UHPC 蓋梁的研究成果。

本文結合課題組研究成果[1-2]主要介紹UHPC 蓋梁設計方法、UHPC 蓋梁結構試驗、UHPC 蓋梁施工技術。

2 設計方案

2.1 斷面設計

課題組在同種外荷載下為整體預制UHPC 蓋梁提出整澆口形斷面、整澆π 形斷面、分層澆筑口形斷面三種斷面（見圖1），并完成相關設計和縮尺靜載試驗[3-5]。設計指標見表1。結構受力滿足規范要求，試驗結果符合預期。

表1 整體預制UHP C（組合）蓋梁綜合比較

圖1 整體預制UHP C（組合）蓋梁設計方案（1/2，單位：cm）

整澆口形斷面的工作性能最好，體現在蓋梁的承壓區面積大、抗彎和抗扭慣性矩很大。此外，預應力配置量相對較小，結構減重率適中（43%）。但是從施工角度來看，該方案采取措施偏多且具有一定風險：需設置不取出的剛性內模和強大的抗浮限位，內模偏位不易控制且后果較嚴重。內模的橫向偏位會影響內側保護層厚度和UHPC 密實性，進而影響結構受力性能。內模上浮量大，則會導致構件報廢。在預制技術條件不好時，應避免采用整體澆筑口形斷面。

π 形斷面的構造減重率最高（50%），結構抗剪能力接近整澆口形斷面。由于腹板底緣承壓區小，抗彎能力稍弱。截面是開口形狀，因而抗扭能力與閉口斷面相差較多。結構整體在彎、剪、扭相關作用下的極限狀態可能發生脆性破壞，故設計時應對抗剪、扭承載力適當留有余量。從施工角度來看，π 形斷面在三種方案中施工最簡單、風險最小。該種斷面適用于結構受力明確、扭矩較小且對結構重量有較大限制的情況。

分層澆筑口形斷面的材料成本最低。結構各類承載力和剛度與整澆口形斷面略接近，試驗中的破壞狀態體現為延性。UHPC 材料約為口形斷面80%、π 形斷面92%，但由于同時存在UHPC 和普通混凝土，故結構重量并不占優（減重率42%）。從施工角度來看，采用的技術與π 形斷面接近且風險較小、結構剛度大且可按一次張拉出廠。但由于需先整體澆筑U 形UHPC 底槽后再澆筑普通混凝土頂板，所以預制施工時間比其他兩種類型要多3 d 以上，稍顯麻煩。

2.2 預應力體系設計

2.2.1 設計標準

結合UHPC 材料特性提出兩種設計思路：（1）利用UHPC 抗拉強度和應力強化段的拉伸應變能力，在頻遇組合下，裂縫寬度不超過0.05 mm。（2）利用UHPC 抗壓強度，在標準值組合下，截面不出現拉應力、壓應力不超過抗壓強度標準值50%。

選擇口形斷面蓋梁分別按第1、2 種體系設計（見圖1），蓋梁承載力和應力均能滿足要求。在蓋梁外形不變的前提下，對預應力鋼絞線、普通鋼筋和應力狀態進行比較。第1 種體系材料指標為：UHPC 用量56.8 m3，鋼絞線2 034 kg，鋼筋22.3 t；第2 種體系的UHPC 用量59.1 m3，鋼絞線4 041 kg，鋼筋10.8 t。第1 種體系的經濟性較好，相對第2 種體系的總價格差異約在10%以內。課題組按第1 種體系設計了縮尺試件，委托湖南大學進行2 組試驗（抗彎、抗剪），UHPC 由中路華程供應。在第1 個試件制造時，UHPC 按常規標準配置。由于試件頂層鋼筋配置太多，UHPC 澆筑受到一定影響，現場采用人工清理形式確保澆筑密實。在第2 個試件制造時，采取UHPC 緩凝和泵送措施，回避了試件頂層鋼筋的不利影響。從試驗結果來看，試件承載力和其他性能滿足要求。根據試件制造經驗，UHPC 結構的普通鋼筋，尤其是頂緣水平向鋼筋不宜配置太多。

2.2.2 張拉批次

按照常規設計思路，大懸臂蓋梁的設計以運營狀態為目標設計構件尺寸和配置預應力，并需復核各施工階段狀態滿足受力要求。由于蓋梁所受到的上部結構荷載遠大于蓋梁自重，設計時為避免蓋梁下緣受拉而將蓋梁預應力作分批張拉，通常是在蓋梁澆筑完成時張拉第一批，主梁安裝完成后張拉第二批。按以上方式設計出的蓋梁將是構件尺寸最小、預應力材料用量最少的方案。

對于整體預制的UHPC 蓋梁，如果按以上采用分批張拉預應力的方案，就不能充分發揮裝配式UHPC 結構的價值。這是因為蓋梁在現場安裝完成之后還需張拉一批預應力及完成相關措施，不僅增加施工投入，還耗費現場時間。

對于現場施工時間緊張的城市橋梁工程來說，分批張拉預應力的蓋梁并不合理，最理想的狀態是當蓋梁安裝后，在最短的時間內安裝上部結構。按照這種需求，項目組設計了適用于橋寬25 m 的按一次張拉的整體預制蓋梁方案（見圖1 中的分層口形斷面方案），懸臂根部梁高增加25%，總材料成本變化約在1%以內，重量增加17%至150 t，單根蓋梁的現場施工時間可減少3 d 以上，從社會效益和經濟效益進行綜合評價是相對合理的。

2.2.3 預應力類型

UHPC 蓋梁相對普通混凝土蓋梁減重的關鍵在于采用薄壁式構造。如UHPC 蓋梁仍然采用普通混凝土結構常用的預埋管道后再灌漿的預應力體系，由于UHPC 對保護層和體內流動凈距控制嚴格，構件尺寸難以縮減，結構經濟性較差。本課題組提出在工程設計中采用緩黏結鋼絞線的方案，在試驗中選擇無黏結鋼絞線替代（模擬前期性能）。

分別以采用灌漿體系、緩黏結體系的UHPC 梁設計算例（見圖2）。梁體斷面高1 000 mm，保護層厚20 mm，體內構造物并置凈距30 mm，豎向箍筋直徑16 mm（豎向布2 根）。（1）灌漿體系。預應力4 束8-15.2 鋼絞線，金屬波紋管外直徑85 mm（水平1根、豎向4 根），可得腹板最小厚度170 mm（按波紋管外直徑一半控制保護層厚度），最小凈厚度85 mm，毛截面0.17 m2，凈截面0.15 m2，平均預應力41.4 MPa。（2）緩黏結體系。預應力8 根φ28.6 mm 緩黏結鋼絞線（單根截面532 mm2），護套外直徑38 mm（水平1根、豎向8 根），可得腹板最小厚度110 mm，最小凈厚度72 mm，毛截面0.11 m2，凈截面0.10 m2，平均預應力59.3 MPa。方案1 與方案2 的預加力比為1.04，凈截面比為1.5，預應力比0.70。可見，在同等預加力噸位和外荷載前提下，緩黏結體系可減薄構件，降低UHPC 用量，提高預應力度，有充分競爭力。緩黏結體系在國內已有少量應用，待產品進一步成熟后，完全可以在UHPC 結構中推廣。

圖2 UHP C 使用不同預應力體系的比較（單位：mm）

3 試驗研究

針對通行雙向6 車道市政橋梁（總寬25 m）蓋梁的縮尺試件，設計縮尺比1∶2 的口形整體澆筑斷面UHPC 蓋梁（見圖3）進行了大剪跨比（抗彎）、小剪跨比（抗剪）工況測試[1，4，5]，縮尺試件最大加載豎向力320 t（試件未破壞），對應原型蓋梁抗剪承載力參考值12 800 kN、抗剪承載力計算值11 904 kN，剪力設計值9 472 kN；抗彎承載力計算值51 723 kN·m，彎矩設計值39 044 kN·m；在端部加載豎向力265 t 時的最大豎向位移約140 mm（L/61）。由于該試件在受拉區配置較多普通鋼筋，故彎曲變形能力較強。

圖3 口形整體澆筑斷面UHP C 蓋梁抗剪試驗

設計縮尺比1∶2.5 的π 形和口形分層澆筑斷面UHPC 蓋梁（見圖4、圖5）做了大、中、小剪跨比及彎剪扭耦合等工況測試[2]。縮尺試件最大加載豎向力約443 t，對應原型蓋梁抗剪承載力極限值27 605 kN、抗剪承載力計算值17 274 kN，剪力設計值11 023 kN；最大加載產生彎矩對應原型蓋梁抗彎承載力極限值67 421 kN·m，抗彎承載力計算值47 016 kN·m，彎矩設計值38 831 kN·m；π 形斷面蓋梁試件在端部加載豎向力115 t 時的最大豎向位移約100 mm（L/85），口形分層澆筑斷面蓋梁試件在端部加豎向力147 t 時的最大豎向位移約90 mm（L/94）。由于這兩類試件在受拉區不配置普通鋼筋，故極限彎曲變形能力相對前一種較弱。

圖4 π 形整體澆筑斷面UHP C 蓋梁試驗

圖5 口形分層澆筑斷面UHP C 蓋梁試驗

試驗中，UHPC 蓋梁的各種承載力基本符合預期，并展現了良好的抗裂性和變形能力。豎向配筋量較少的UHPC 試件，其抗剪破壞體現出脆性破壞形態。這對設計的啟示是：在設計UHPC 大懸臂蓋梁承載力時，應使蓋梁破壞發生在根部，并應將根部破壞狀態設計為受彎控制，且有一定延性。

4 施工技術研究

課題組共制造了2 個1∶2 縮尺蓋梁模型（長約12.1 m、UHPC 約6.61 m3）、7 個1∶2.5 縮尺蓋梁模型（長約9.6 m、UHPC 約2.92～3.16 m3），在試件施工過程中積累了一定經驗。

4.1 UHP C 的工作性能

對UHPC 需重點關注澆筑時的工作性能，主要指澆筑時的流動性和密實性。當常規UHPC 材料應用于體積較大的構件時，由于拌合機方量有限，需多次拌合，可采用兩臺拌合機接替、錯開出料時間實現連續澆筑，也可采用多臺罐車臨時存儲（自轉動不靜停）再分次下料實現連續澆筑。如UHPC 經過特殊配置具有較長時間（＞1 h）靜停后的流動性，在安排分批澆筑時則可間隔較長時間。項目組在試驗中先后采用了中路華程、江蘇蘇博特、上海復培、浙江宏日泰耐克和中路杜拉的UHPC，相關材料均為針對設計要求配置。

4.2 模板

課題組在試件制造根據構件表面所處位置，有區別地使用了鋼模板和木模板并對比構件的表觀質量。在制造口形斷面蓋梁時，側模和底模為鋼模，內模為木模。π 形斷面蓋梁側模為鋼模，內模為木模。分層澆筑口形斷面蓋梁全部使用木模。

課題組比較了使用鋼模板露天制造試件的表觀質量。部分試件制造時天氣晴朗，脫模后表觀質量明顯較好（見圖6）。鋼模板沾水后（其中一個為小雨后澆筑，另一個為晴天澆筑前噴高壓水清潔表面），相關試件的表觀質量均較差（見圖7）。課題組認為，UHPC 構件宜在廠房內制造且在合模澆筑前需保持鋼模板表面干燥。比較使用鋼模板與木模板（見圖8）的表觀質量發現，后者明顯優于前者：表面光滑，基本沒有氣泡。在工程中通常以鋼模板為主，澆筑前應慎重處理其表面。

圖6 使用鋼模板的試件表面（模板干燥）

圖7 使用鋼模板的試件表面（模板沾水）

圖8 使用木模板的試件表面

4.3 振搗

UHPC 在澆筑時需要適當的振搗，目的是提高密實性，減少構件表面氣泡。課題組在試件制造時，針對鋼模板和木模板采用了與之匹配的振搗方法。在使用鋼模板時，需預留基座安裝附著式高頻振搗器，在澆筑時隔一定時間開啟并持續30 s 左右。時間不宜太長，否則鋼纖維易離析。針對木模板，則需采用常規振動棒，不宜采用附著式振搗器（木模板易解體），可將振動棒端頭頂住木模板外側面做短時間激振。

4.4 養護

UHPC 可采用蒸汽養護和自然養護。這對結構受力的影響主要體現為徐變系數取值不同。從課題組的使用經驗來看，可根據工作性要求、材料配比、構件類型分別使用不同的養護方法。如構件體量大、連續澆筑時間較長，宜采用降低水用量并適當增加減水劑等措施，拆模后宜進行蒸汽養護。如是現澆接縫等少量應用，可按自然養護（覆膜保濕）處理。從預制廠制造經驗來看，蒸汽養護在經濟成本上僅增加棚架和小型電- 汽鍋爐，時間僅多3 d，對批量生產構件的總成本影響不大。

5 結 語

（1）結合工程方案設計了多種體系蓋梁方案并進行比較，提出相關適用場景和注意事項，為實際應用提供參考。

（2）對多種整體預制UHPC（組合）蓋梁進行靜載試驗和空間有限元計算，充分了解其受力性能和破壞過程，論證了其結構的可靠性和安全性。

（3）總結UHPC 試件施工過程中的若干關鍵點，為今后設計和施工提供借鑒。