UHPC超高性能混凝土在動物通道天橋的應用

摘要：為有效保護野生動物活動，建造一座輕量、耐久且結構穩固的動物通道天橋尤為重要。文章以實際工程為背景，介紹了一種以UHPC超高性能混凝土為基材，通過UHPC超高性能混凝土濕接縫及UHPC橫梁連接而成的動物通道（UHPC拱橋）。實踐證明，UHPC上承式肋拱橋具有大跨度優越性，在為野生動物提供通行便利的同時，又能降低對橋下空間的侵擾。研究成果可為生態公路工程探索開展野生動物通行通道的建設提供參考。

關鍵詞：UHPC；超高性能混凝土；動物通道天橋；生態保護

中文分類號：U412.37+3A210654

0引言

公路建設會對當地水文、公路兩側生態環境造成較大影響。廣西山區公路通常穿越自然生態區或原始山區，在公路的前期建設和運營使用期間，每年都有一定數量的野生動物死于車禍中。為有效保護野生動物活動，建造一座輕量、耐久且結構穩固的動物通道天橋尤為重要［1］。UHPC上承式肋拱橋具有大跨度優越性，在為野生動物提供通行便利的同時，又能降低對橋下空間的侵擾。目前我國在建或已運行的公路中，設置有動物通道天橋的公路較少，本文依托大憑高速公路工程實踐得知，UHPC拱橋施工方案有效可行，可為生態公路工程探索開展野生動物通行通道的建設提供案例參考。

1工程概況

動物通道天橋位于廣西壯族自治區崇左市大新縣欖圩鄉謹湯村谷龍屯，橋址區有X521縣道公路通過，交通條件較方便且車流量較大。動物通道天橋采用上承式肋拱橋結構，橋面總寬為10 m，橋面內、外側均設置防拋網，拱肋跨徑為85 m，矢高為9.44 m，矢跨比為1/9（f/L=9.44/85），拱軸系數為1.5。動物天橋的上部結構由4片UHPC超高性能混凝土拱肋拼裝完成，超高性能混凝土拱肋采取分段預制、吊裝到位的施工方式。主要工程量有：2個332 m3的重力式橋臺（拱座）；20片173.21 m3的UHPC拱肋；濕接縫4處；橫梁9道；橋面板現澆鋼筋混凝土為159.4 m3。通過在大流量的縣道上增設動物通道天橋，在保護野生動物的同時，還能探索UHPC拱橋在二級公路或高速公路的使用性能。

2UHPC材料特性

2.1材料定義

UHPC超高性能混凝土，是一種具有超強力學性能、超高韌性性能、超長耐久性性能的水泥基復合材料的統稱，按最大堆積密度原理配制［2］。

2.2力學性能

UHPC超高性能混凝土抗壓強度、抗折強度、彈性模量等性能參數，經與普通混凝土的性能參數比對，得到如表1所示的結果。

2.3應用優勢

相比普通凝土結構，UHPC結構主要有三大優勢：（1）UHPC結構的自重大大減輕，密實性能可有效抵抗外界各類不良因素［3］，在低溫達零下30 ℃的反復凍融后仍具備良好的性能；（2）UHPC相關材料性能優越，能減少后期運營期的養護費用投入；（3）UHPC桁架拱結構細巧、造型優美且橋下空間足夠，采用該結構能夠提高橋梁與環境的協調性，同時又不影響橋下車輛通行安全［4］。

3吊裝前的承載能力計算

由于該工程施工上跨縣道二級道路及高速公路，且施工周期僅為20 d，在考慮吊裝UHPC預制件的同時也需要考慮下方車輛通行安全，綜合施工原則為安全為先、施工有序、高質高效，在保通的同時又能維持施工進度、質量不受影響。在吊裝預制UHPC拱構件前，需要對施工場地的臨時支架、吊裝車輛提前進行靜力分析，在滿足相關驗算后，利用分析結果指導施工方案的實施。

3.1建立有限元模型

本研究施工支架模型采用Midas Civil軟件建立，該模型約束形式有固結、鉸接兩種形式。其中，鋼管樁底采用固結形式，分配梁之間采用鉸接進行約束，通過兩種約束形式的設置，實現上層分配梁不傳遞彎矩至下層分配梁的受力效果。拱肋的計算單元采用實體單元，實體單元加載在支架上，橋梁的拱肋模型采用分節間斷的形式。如圖1所示。

3.1.1橫梁承載能力計算

橫梁計算橫梁采用Ⅰ40a、2×Ⅰ40a，橋梁橫梁受力圖如圖2所示。

由圖2可知：σ=1.4 MPa，lt;215 MPa；t=0.9 MPa，lt;125 MPa；f=1 mm，lt;2 500400=6.25 mm，受力滿足條件。

3.1.2樁頂分配梁承載力計算

樁頂分配梁采用Ⅰ40a，受力如圖3所示。

由圖3可知：σ=69.7 MPa，lt;215 MPa；t=21.5 MPa，lt;125 MPa；f=3 mm，lt;2 500400=6.25 mm，受力滿足要求。

3.1.3抄墊、斜撐承載力計算

采用219 mm×8 mm鋼管，斜撐采用102 mm×6.5 mm鋼管，則σ=136.6 MPa，lt;215 MPa；t=17.7 MPa，受力滿足要求。

3.1.4鋼管立柱承載能力計算（圖4）

由圖4可知：f=68.1 MPa，lt;215 MPa，f=4.1 MPa，lt;125 MPa，滿足要求。

3.1.5立柱穩定性計算（圖5）

由圖5可知：219 mm×8 mm鋼管立柱最大軸力為N=233.7 kN，彎矩M=7.9 kN·m。

鋼管最大軸力處的應力計算式為：NφA+βmxMxyxWx（1－0.8NN′）。該計算式各參數取值分別如下：

（1）219 mm×8 mm鋼管立柱最大軸力N=233.7 kN，最大彎矩M=7.9 kN.m。

（2）鋼管穩定系數φ=0.856。

（3）鋼管截面參數A=5 303.008 4，Ix=29 554 329，Iy=29 554 328，ix=74.663 4，iy=74.653 4，Ip=59 108 657，Wx（上）=269 902.547 9，Wx（下）=269 902.547 9，Wy（上）=269 902.538 8，Wy（下）=269 902.538 8，繞y軸面積矩=178 169.333 3。計算得到yx=1.15，Wx=269 902。

（4）N′=π2EA/（1.1A2）=π2×2.06×105×5 303/（1.1×49.562）=3 990 kN。

綜上所述，鋼管最大軸力處的應力為：

NφA+βmxMxyxWx（1－0.8NN′）=233.7×1030.856×5 303+7.9×1061.15×269 902×[JB（（]1－0.8233.73 990=78.2 MPa

鋼管柱穩定性滿足要求。

3.1.6基礎承載力計算

支架采用擴大基礎，基礎尺寸為1.2 mm×0.6 m×1.2 mm，地基承載力按200 kPa來控制，σ=NA=177.61.2×1.2+25.06=138 kPa，＜200 kPa，承載能力滿足要求。

3.1.7整體屈曲計算（圖6）

由圖6可知：支架整體屈曲特征值為157.8，gt;5，結構滿足要求。

3.1.8結果分析（表2）

（1）支架各項承載力指標均達到要求。

（2）支架構件應保證焊縫質量，支架按照1.1倍設計荷載進行預壓，完成后方可進行拱肋單元吊裝。

（3）地基承載力低于臨界值，滿足要求。

3.2吊裝設備中的鋼絲繩性能參數計算

3.2.1吊重34.4 t拱肋

鋼絲繩與拱肋傾角按60°計算，吊點位置設置在距拱肋端頭2 m處，單根鋼絲繩拉力：L拉=G÷n÷sinβ=34.4÷3÷sin60°=13.2 t（4個吊點，按3根鋼絲繩受力）。其中，G為節段重量，n為起吊鋼絲繩的根數，β為起吊鋼絲繩與水平最小夾角。

綜合安全系數8倍，考慮強度降低率系數0.75：最小破斷拉力Sb=13.2×8/0.75=1 408 kN。根據《重要用途鋼絲繩》（GB8918-2006），查表11選用6×37公稱抗拉強度為1 960 MPa的鋼芯鋼絲繩。公稱直徑為46 mm，最小破斷拉力為1 480 kN，滿足節段吊裝的安全使用要求。

3.2.2吊重G=14.1～18.2 t拱肋

單根鋼絲繩拉力：L拉=G÷n÷sinβ=18.2÷2÷sin60°=10.5 t。其中，G為節段重量，n為起吊鋼絲繩的根數，β為起吊鋼絲繩與水平最小夾角。

綜合安全系數8倍，考慮強度降低率系數0.75：最小破斷拉力Sb=105×8/0.75=1 120 kN。根據《重要用途鋼絲繩》（GB8918-2006），查表11選用6×37公稱抗拉強度為1 960 MPa的鋼芯鋼絲繩。公稱直徑為42 mm，最小破斷拉力為1 230 kN，滿足節段吊裝的安全使用要求。

綜上所得，吊裝鋼絲繩采用公稱抗拉強度為1 960 MPa的鋼芯鋼絲繩，其中1#和4#鋼絲繩公稱直徑為46 mm;3#和4#鋼絲繩公稱直徑為42 mm。1#鋼絲繩長7 m、2#鋼絲繩長4.5 m、3#鋼絲繩長9.5 m、4#鋼絲繩長8.7 m。如圖7所示。

4施工準備

4.1場地準備

該項目拱肋預制單元采用在現場的臨時支架上拼接成整體拱肋。臨時支架為門型排架，基礎采用擴大基礎，擴大基礎為1 200 mm×1 200 mm×600 mm C30鋼筋混凝土。立柱采用219 mm×8 mm鋼管，連接系采用Ⅰ10和60 mm×3 mm鋼管，柱頂擺放砂桶，便于拆除支架；砂桶縱向分配梁采用Ⅰ40a型鋼，縱梁上擺放橫梁，沿橫梁橫向設置限位裝置。

4.2材料準備及驗收

施工前需要對UHPC預制拱肋進行質量驗收，混凝土表面不應存在露筋現象；蜂窩、疏松深度應＜10 mm;不應存在棱線不直、翹曲不平等限制缺陷。

4.3技術交底

施工前應進行一次技術交底，包括技術人員審閱圖紙，全面熟悉掌握有關圖紙重點節點內容、施工規范、設計要求、施工組織設計等有關技術資料，核對拱肋的空間就位尺寸和相互的關系，

掌握好預拱肋的高度、寬度、型號、編號、數量、幾何尺寸、重量及拱肋單元之間的連接方法，確?，F場施工整體可控。同時，組織工程技術、質檢、試驗、物資設備等有關人員對相關吊裝作業機具進行檢查驗收，檢查特種作業設備和特種作業人員的特種作業證件。

4.4拱肋安裝中的穩定措施

4.4.1縱向穩定措施

縱向穩定主要靠支架的穩定來實現。通過在拱肋底部預埋鋼板，設置鋼楔形塊使其傳導豎向力至砂筒及支撐上，鋼楔形塊與鋼板焊接牢固。邊跨拱肋拱腳處有預埋鋼板，通過與拱座鋼板進行焊接，為保障焊接的緊密性，可提前準備5 mm薄鋼板進行調節。拱肋分節段吊裝，務必按照先邊拱后中間的方式吊裝，可以確保中間拱肋吊裝時，濕接縫處鋼筋及時焊接，以防止2#、4#拱肋縱向滑移。

4.4.2橫向穩定措施

先安裝中拱肋，未完成拱腳及支撐點處鋼板焊接時吊車不能摘鉤，濕接頭上的四角鋼筋焊接全部完成方可摘鉤。安裝其他拱肋時，在拱肋頂部用2道［10槽鋼與已安裝好的拱肋臨時焊接，同時使用纜風繩對其加固完成后，此時汽車吊可以摘鉤，橫向穩定能有效控制。

4.4.3控制吊機的卸扣時間

整個吊裝過程中，拱肋的縱、橫向措施全部完成后，方可卸扣。

拱肋安裝穩定對接施工方式見圖8。

4.5拱肋吊裝施工

該橋拱肋分為5段，1#、5#段吊裝重量為34.4 t，2#、4#段吊裝重量為18.2 t，3#段吊裝重量為14.1 t。選用100 t汽車吊進行吊裝，其中1#、5#段采用雙機抬吊。吊裝過程中注意結構安全，避免碰撞。全橋拱肋單元總體吊裝順序為：按施工方案要求從橋兩端向橋中心對稱的順序，先吊裝兩側1#、5#拱腿段，再吊裝兩側2#、4#拱肋段，最后吊裝3#聯合段向中間合龍；依據現場地形，拱腳處梁肋由中間向兩側往外吊裝架設，其余跨段可按由一側向另一側吊裝架設。見圖9。

預制拱肋吊裝施工中，使用在梁底增加焊接鋼板或砂筒卸落綜合調節，控制高程。軸線通過經緯儀、激光儀等在橋臺上進行控制，同時委托第三方測量進行監控量測。拱肋吊裝完成后及時施作濕接縫。

UHPC現澆接縫的鋼纖維含量≥2.0%，宜通過試驗摻入適量的膨脹劑?；炷劣蓪Ｓ脭嚢铏C現場強制拌和而成，在澆筑過程中保證混凝土供應的連續性。濕接縫澆筑完畢后，應盡早覆蓋，24 h后進行自然養護，養護應符合《活性粉末混凝土》（GB/T31387）的規定。

5完工效果

崇左谷龍屯UHPC拱橋的吊裝施工效果良好，得益于橋梁大跨徑優勢，開通運營期間未發生車輛撞擊天橋的問題。UHPC材料充分發揮了主梁強度高、自重輕、耐久性好的特點，同時解決了普通混凝土天橋橋梁病害發生快、養護難、費用高的問題，橋梁周邊環境及生態得到極大保護，實現了人、結構物和自然生態的三者和諧。

6結語

（1）動物通道天橋安裝施工前，需要對臨時支架、吊機吊裝參數、鋼絲繩、卸扣、地基承載力做受力分析，相關計算結果低于臨界值方可進行施工。

（2）本文介紹的在毗鄰保護區的高速公路路段中，創新使用輕型超高性能混凝土（UHPC）材料，為大型動物或國家保護動物搭建一座上跨式的“通行天橋”，并在橋面布設草木、水體，模擬自然的山坡地形，既保障了野生動物正常覓食、遷徙和繁殖等活動需要，也有效降低了動物種群在穿越公路時發生車禍的風險性。

（3）UHPC拱橋的成功安裝，基于臨時支架和吊裝設備在拱橋吊裝工藝上的成熟實踐，施工方案安全可控，既能快速完成施工，同時滿足橋下縣道的通行需求，可為類似工程建設提供經驗借鑒。

參考文獻：

［1］吳亮，陳洪偉.超高性能混凝土（UHPC）π型梁人行天橋設計與施工［J］.城市道橋與防洪，2023（2）：83-86，15.

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［3］李玉強，邢韶華，劉生強，等.陸生野生動物通道設計方法［J］.北京林業大學學報，2013，35（6）：137-143.

［4］黎均權.超高性能混凝土在橋梁工程中的應用研究［J］.西部交通科技，2021（8）：128-132.

作者簡介：周莉莉（1990—），碩士，工程師，主要從事高速公路運營養護管理工作。