UHPC隔離柵立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用研究

摘要 由于傳統(tǒng)材料性能的限制，當(dāng)前工程項(xiàng)目中廣泛使用的普通混凝土隔離柵立柱存在自重大、安裝運(yùn)輸困難、耐久性差等問題。該研究采用超高性能混凝土代替普通混凝土，設(shè)計(jì)出一款新型UHPC隔離柵立柱，并對(duì)其結(jié)構(gòu)性能、生產(chǎn)工藝、工程應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。研究結(jié)果顯示：相較于普通混凝土隔離柵立柱，UHPC隔離柵立柱在保證結(jié)構(gòu)性能良好的情況下，自重減少了3/4，節(jié)約了工程投入與工期，在綠色低碳的前提下保證了耐久性，應(yīng)用前景良好。

關(guān)鍵詞 隔離柵；UHPC；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工程應(yīng)用；工藝流程

中圖分類號(hào) U415 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）23-0073-03

0 引言

隨著我國公路事業(yè)的不斷建設(shè)發(fā)展，社會(huì)對(duì)交通安全設(shè)施的要求越來越高。公路隔離柵是交通安全設(shè)施中重要的一部分，隔離柵的設(shè)置可以阻止行人和動(dòng)物進(jìn)入公路界，防止其侵占公路用地，從而減少嚴(yán)重事故的發(fā)生。目前的公路隔離柵立柱普遍采用混凝土預(yù)制，由于傳統(tǒng)混凝土材料性能的限制，當(dāng)前公路上應(yīng)用的混凝土隔離柵立柱存在著自重大、安裝運(yùn)輸困難等問題。近年來的工程實(shí)踐表明，傳統(tǒng)混凝土立柱在預(yù)制過程中容易出現(xiàn)蜂窩麻面等缺陷，并且由于混凝土強(qiáng)度不高，在長時(shí)間凍融循環(huán)與干濕循環(huán)過程中混凝土容易剝落導(dǎo)致鋼筋銹蝕[1]。此外，傳統(tǒng)混凝土立柱需要較長的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，通常養(yǎng)護(hù)周期至少為7 d，影響施工進(jìn)度與周期。

UHPC（Ultra-High Performance Concrete）即超高性能混凝土，是一種利用了應(yīng)用緊密堆積理論進(jìn)行制配的超高強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，這種材料具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。目前這種材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋面工程、幕墻工程、濕接縫工程、加固工程等領(lǐng)域[3]，并且其在梁體加固、抗震加固等領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐步開發(fā)[4]，但UHPC在隔離柵立柱中的應(yīng)用還未被涉及。

基于以上現(xiàn)狀，通過有限元仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種新型的隔離柵立柱—UHPC隔離柵立柱，并結(jié)合實(shí)際公路項(xiàng)目建設(shè)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

1 UHPC公路隔離柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)混凝土隔離柵立柱問題，根據(jù)實(shí)際工程需求，設(shè)計(jì)了一種新型預(yù)制超高性能混凝土（UHPC）隔離柵立柱。

基于有限元數(shù)值模擬的方法（如圖1所示）設(shè)計(jì)UHPC隔離柵立柱，在滿足現(xiàn)行規(guī)范的前提下，通過改變傳統(tǒng)的隔離柵立柱的材料、截面面積、配筋等參數(shù)的方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

與傳統(tǒng)混凝土隔離柵相比，設(shè)計(jì)出的新型UHPC隔離柵立柱（如圖2所示）截面邊長由100 mm減少為50 mm，立柱中的配筋由HPB300變?yōu)槔浒武摻zCDW550，縱筋直徑由8 mm減少為5 mm，箍筋直徑由6 mm減少為5 mm，箍筋間距由200 mm變?yōu)?00 mm，整體重量僅為傳統(tǒng)立柱的1/4。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后參照《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2017）中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載驗(yàn)算。立柱所受到的風(fēng)荷載按公式（1）計(jì)算：

（1）

式中：Fwpk——風(fēng)荷載（kN）；——可變荷載分項(xiàng)系數(shù)；——空氣密度（）；C——風(fēng)力系數(shù)；——設(shè)計(jì)風(fēng)速（m/s）；——標(biāo)志立柱寬度（m）；——標(biāo)志立柱外露高度（m）。

按照最不利條件的驗(yàn)算原則，風(fēng)荷載驗(yàn)算時(shí)的基本風(fēng)壓取《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）中的最大值1.85 kN/m2，代入相關(guān)數(shù)據(jù)可以求得：

立柱根部所受到的由風(fēng)載引起的彎矩為：

立柱根部所受到的由風(fēng)載引起的剪力為：

立柱根部截面的受彎、受剪承載力驗(yàn)算方法參照《超高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（T/CCPA 35—2022）中的相關(guān)規(guī)定。

立柱在實(shí)際使用中可能受到各個(gè)方向的風(fēng)荷載，所以縱向受拉鋼筋為對(duì)稱布置，為了偏保守計(jì)算，計(jì)算中不考慮受壓區(qū)鋼筋抗壓強(qiáng)度與受拉區(qū)UHPC的抗拉強(qiáng)度。立柱根部正截面受彎承載力被簡化為：

（2）

式中：——彎矩設(shè)計(jì)值（）；——系數(shù)；——超高性能混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）；——矩形截面的寬度（mm）；——受壓區(qū)超高性能混凝土等效矩形應(yīng)力圖的高度（mm）；——截面有效高度（mm）。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（2）中得到：

立柱根部正截面受彎承載力驗(yàn)算合格。

同正截面受彎承載力驗(yàn)算，為了更保守地計(jì)算，斜截面受剪承載力不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度，立柱根部斜截面受剪承載力計(jì)算參照公式（3）：

（3）

式中：——剪力設(shè)計(jì)值（N）；——箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（）；——配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積（）；s——沿構(gòu)件長度方向的箍筋間距（mm）。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（3）后得：

立柱根部斜截面受剪承載力驗(yàn)算合格。

綜上所述，UHPC隔離柵立柱符合規(guī)范關(guān)于風(fēng)荷載驗(yàn)算的要求。

2 UHPC隔離柵立柱結(jié)構(gòu)性能

2.1 原材料

UHPC原材料為水泥、硅灰、細(xì)砂、磨細(xì)石英砂、外加劑等，所用水泥、集料、礦物摻合料以及外加劑等原料應(yīng)符合現(xiàn)行《超高性能混凝土技術(shù)要求》（T/CECS 101017—2020）的規(guī)定，所用纖維為長度12 mm、直徑0.2 mm的鋼纖維。立柱所用UHPC的性能測(cè)試結(jié)果如表1所示，結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)混凝土隔離柵立柱采用的C20混凝土相比，UHPC的抗壓強(qiáng)度約為其5倍，抗拉約為其4倍。材料的2 min擴(kuò)展度達(dá)到了750 mm，說明材料流動(dòng)性能與工作性能良好，適合進(jìn)行流水線澆筑作業(yè)。

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

制作3節(jié)600 mm長的UHPC隔離柵立柱試件，跨徑為500 mm，在壓力試驗(yàn)機(jī)上采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的方式進(jìn)行抗折荷載F的測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

參考《公路用復(fù)合隔離柵立柱》（JT/T 848—2013）中4.2條的相關(guān)規(guī)定：公路用復(fù)合隔離柵立柱抗折強(qiáng)度應(yīng)不小于10 kN。試驗(yàn)結(jié)果顯示，UHPC隔離柵立柱的抗折荷載為11.07 kN，表明UHPC隔離柵立柱在縮小截面面積的前提下依然具有良好的力學(xué)性能。

3 工程應(yīng)用研究

首批UHPC隔離柵立柱已在汾石高速交安項(xiàng)目成功應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行預(yù)制工藝研究與效益分析。

3.1 預(yù)制工藝研究

UHPC隔離柵立柱的預(yù)制工藝流程如圖3所示，過程應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量控制。

為了保證預(yù)制產(chǎn)品的可靠性，UHPC隔離柵立柱預(yù)制的工藝流程控制要點(diǎn)如下：

（1）模具應(yīng)設(shè)計(jì)考慮實(shí)用性，應(yīng)設(shè)計(jì)為開口式，以便澆筑后進(jìn)行脫模，脫模劑推薦使用UHPC材料專用脫模劑，UHPC隔離珊立柱澆筑完成后應(yīng)在澆筑面覆蓋塑料布以保證立柱表面質(zhì)量。

（2）澆筑時(shí)宜采用聯(lián)排分層澆筑的方法，聯(lián)排分層澆筑法是將模具并排擺入澆筑架上，逐根用軟管將攪拌好的UHPC澆筑入同排模具內(nèi)，澆筑完成一層后擺放上一層繼續(xù)澆筑。這樣的施工方法可以有效節(jié)約澆筑時(shí)的施工面積并提升施工效率；方便澆筑后的立柱進(jìn)行場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸；節(jié)約蒸汽養(yǎng)生的占地面積。

（3）每批拌和完成的UHPC應(yīng)進(jìn)行留樣，并在與立柱同條件養(yǎng)護(hù)后對(duì)留樣及時(shí)進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。

（4）蒸養(yǎng)窯應(yīng)設(shè)置高溫蒸汽輸送管道與數(shù)顯溫度傳感器，并在表面覆蓋苫布覆蓋保溫，使得蒸養(yǎng)設(shè)備最優(yōu)化使用。

3.2 實(shí)體工程應(yīng)用分析

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用情況分析，相較于普通混凝土隔離柵立柱，UHPC隔離柵立柱具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）節(jié)約工程投入

UHPC隔離柵立柱的截面面積與重量僅為傳統(tǒng)混凝土隔離柵立柱的1/4，減少了材料用量與運(yùn)輸成本，并且UHPC隔離柵立柱預(yù)制采用流水線蒸汽養(yǎng)生，減少了人工的投入，總成本相較于使用普通混凝土立柱減少了10%。

（2）節(jié)約工期，提高施工質(zhì)量與安全性

UHPC隔離珊立柱的成品表面質(zhì)量好，相較于傳統(tǒng)混凝土立柱養(yǎng)生時(shí)間縮短了85%，且成品質(zhì)量穩(wěn)定可控。此外，更輕的重量也更易于在高邊坡地區(qū)安裝，提高了施工的安全性與施工效率。

（3）綠色低碳，耐久性好

現(xiàn)有研究表明，UHPC材料相較于普通混凝土有更好的耐久性，具體表現(xiàn)為氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為普通混凝土的1/50，抗凍融剝落性能約為普通混凝土的150倍，碳化深度可以忽略不計(jì)。優(yōu)異的耐久性使得UHPC隔離柵立柱的壽命與實(shí)用性比混凝土隔離柵立柱更高，進(jìn)一步提高了公路交安設(shè)施的全壽命經(jīng)濟(jì)性。此外，UHPC每兆帕下UHPC產(chǎn)生的碳排放較普通混凝土下降顯著，其碳強(qiáng)度僅為后者的62.25%[5]，使用UHPC作為建材更加綠色經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)語

相較于普通混凝土隔離柵立柱，UHPC隔離柵立柱截面小、材料使用量少、碳強(qiáng)度低、立柱耐久性高。實(shí)踐證明，不論是對(duì)于新建公路的隔離柵立柱應(yīng)用或?qū)τ诂F(xiàn)有公路隔離柵的維修和替換，UHPC隔離柵立柱都提供了一種更可靠的隔離柵方案，尤其在工期緊，需要在高邊坡地帶安裝的情況下，是一種更加經(jīng)濟(jì)的選擇。

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