摘 要：箱形截面是大跨度混凝土拱橋的主要截面形式，當前圍繞超高性能混凝土(UHPC)箱形拱橋開展了部分設計研究，但此前國内尚未有實際工程案例的報道，為此從設計、施工、監測等方面，系統介紹國内首座UHPC箱形拱橋——八丘田車行天橋的建設情況。該橋建造過程克服了：主拱為全預制裝配式UHPC拱橋設計難題、UHPC原材料本土化難題、UHPC現場制備與質量控制難題、拱肋内外模闆的拆裝難題、拱肋節段接頭匹配難題、拱肋吊裝精确合龍難題、拱橋受力特性評估難題。研究結果表明：采用UHPC建造拱橋可減小截面厚度，大幅減輕拱肋自重；采用機制砂制備UHPC不僅可滿足橋梁應用需求，還可降低材料成本；橋梁各項試驗結果顯示，UHPC拱橋受力性能良好。該橋的成功建造，充分顯示了UHPC在拱橋中的應用潛力，為以後大跨徑拱橋建造提供技術積累。

關鍵詞：橋梁工程;箱形拱橋;超高性能混凝土(UHPC);機制砂;

基金：廣西重點研發計劃基金資助項目，項目編号2017AB02009;中國博士後科學基金項目，項目編号2020M673095;

拱橋由于具有經濟性、耐久性好等優點一直是大跨徑橋梁的主要形式，尤其适用于山區建設的橋梁[1]。但拱橋跨徑達到600 m以上時面臨幾個技術瓶頸：(1)普通混凝土拱橋自重過大，材料強度基本被其自重消耗殆盡；(2)鋼拱橋厚闆焊接困難、風險高、造價昂貴；(3)施工用臨時設施費用過高[2]、風險較大。因此，特大跨徑拱橋急需一種輕質高強，經濟合理的建造材料。

超高性能混凝土(UHPC)具有高強度、高韌性、高耐久性等突出優點[3,4],非常适合大跨徑橋梁的發展需求。但UHPC在作為橋梁主要受力結構的應用還比較少， UHPC高昂的成本限制其大規模應用。其成本高的原因在于鋼纖維、石英砂、矽灰等原材料成本較高，并且這些原材料為地區性材料，跨地區采購物流成本高。因此，以就地取材的原則發展本土化的UHPC制備技術，降低成本才能促進UHPC在橋梁中的應用。

UHPC的特性非常适合以受壓為主的拱橋結構。國内對UHPC拱橋開展過一些研究[2,5,6,7,8,9],研究表明，采用UHPC建造拱橋可減小構件尺寸、大幅減輕拱橋自重，有望突破拱橋跨徑的限制。盡管圍繞UHPC拱橋的研究成果較多，但已建成的僅有4座[8,10,11,12],并且建成跨徑較小，UHPC的優勢未能得到充分發揮，大跨徑UHPC拱橋的建設理論急需實踐檢驗。

箱形截面是大跨徑混凝土拱橋的主要截面形式，但國内目前并未有采用UHPC建造箱形拱橋的案例。UHPC箱形拱橋的建造存在不少技術難點：在拱橋設計中如何充分利用UHPC的材料特性；拱肋節段連接問題；UHPC現場施工的質量控制問題，如新拌UHPC的均勻性和澆築連續性；薄壁箱形結構中，因UHPC收縮量大而潛在的開裂風險；拱肋模闆的拆裝問題；拱肋吊裝的就位與精确合龍問題等。

由此可見，UHPC拱橋建造技術尚未成熟。因此，以建造大跨UHPC拱橋的理念設計和建造一座小跨徑UHPC拱橋，在建造該橋的過程開展研究，為将來大跨徑UHPC拱橋建造積累經驗，具有重大現實意義。

該橋為八丘田車行天橋，位于雲南保山丙麻鄉附近，為跨越昌甯至保山高速公路的車行天橋，橋面寬8 m。八丘田車行天橋為上承式UHPC無鉸拱橋，主拱拱肋拱軸線為懸鍊線，計算跨徑L=34 m,計算矢高f=7 m,計算矢跨比f/L=1/4.86,拱軸系數m=1.543,橋型布置見圖1。主拱為等截面分離雙箱單室截面，每個箱截面高度為1.3 m,截面寬度為1.5 m。拱肋采用UC150-4級UHPC,即混凝土立方體抗壓強度fUck=150 MPa(100 mm×100 mm×100 mm),單軸抗拉強度标準值fUteu=9 MPa。拱上建築采用普通混凝土制作。

圖1 八丘田車行天橋橋型布置

單位：cm

拱肋采用預制裝配式施工方法，每根拱肋分3段預制，拱肋節段采用幹式連接，在拱肋端部設置35 cm厚端橫梁，端橫梁上設置預應力管道，拱肋通過端橫梁上16根預應力高強螺紋鋼棒連接，拱肋接頭大樣見圖2。經過計算，拼接接頭處全截面受壓，在最不利工況下，截面最小壓應力仍有2.73 MPa, 接觸面的摩阻力可抵消截面處的剪切力，但為保證接觸面緊密貼合，仍在接頭處塗抹結構膠加強整體連接。拱肋與拱座通過分别設置在拱肋底部的鋼闆和拱座上的鋼闆連接，拱肋鋼闆與拱座鋼闆通過地腳螺栓固定。

圖2 拱肋節段接頭大樣

主拱結構采用Midas Civil建立全橋空間梁單元模型，見圖3,對成橋狀态下的恒載、活載作用下進行了受力分析，并提取最不利内力按鋼筋混凝土結構對主拱進行偏心受壓承載能力計算、穩定性驗算、最大位移計算、抗剪承載力計算。

圖3 Midas計算模型

本橋計算淨跨徑34 m, 跨徑不大，軸力小而基頻大，活載沖擊系數大，使得壓力線難以控制，主拱不可避免産生拉應力，主拱變成大偏心受壓構件。經計算标準組合下，最大拉應力3.8 MPa, 發生在拱腳上緣，見圖4,對應的抗拉強度标準值為9 MPa。UHPC軸心抗拉強度一般可達8～12 MPa, 經過優化可滿足抗拉強度要求，因此該橋采用了不配筋設計。

圖4 拱圈強度驗算

經計算該橋第一類穩定系數88.4,主拱圈剛度較大，穩定性很高。主拱圈在活載作用下最大位移1.9 mm, 最小位移-2.5 mm, 最大撓度δ=1.2 mm 2.5 mm=3.7 mm, 小于規範要求的L/1 000=34 mm。對最大軸力的立柱處主拱圈進行局部承壓驗算，局部承載力為1 105.3 kN,小于規範要求的32 400 kN。主拱圈最大剪力為 756.5 kN,小于規範要求的2 491 kN。

在UHPC原材料中，鋼纖維和矽灰的作用至關重要，可替代性較低。而采用機制砂和石灰石粉來替代石英砂的可行性較高，相關研究表明，機制砂可制備出性能優良的UHPC[13,14,15,16,17,18,19,20]13-20],但至今未有實現工程應用。

八丘田車行天橋的建造中，在雲南保山找到品質穩定的母礦，再根據UHPC的要求定制機制砂。其關鍵在于提升機制砂品質，首先，采用“石打石”原理的幹法制砂工藝改善成砂粒型，大幅降低針片狀顆粒含量。其次，嚴格控制機制砂顆粒級配，通過試驗确定最大粒徑不大于2.36 mm; 1.18～2.36 mm顆粒約占15%～20%;0.075～1.18 mm顆粒占比80%～85%,其中0.15～0.6 mm顆粒占35%～45%。

該橋采用雲南大理某品牌P·O 52.5水泥；矽灰為重慶供應的微矽粉，SiO2含量90%以上；鋼纖維為上海某品牌，直徑0.2 mm長13 mm的平直鍍銅型，抗拉強度大于2 800 MPa; 減水劑為江蘇某品牌UHPC專用減水劑，減水率大于30%。采用以上材料，試驗中可獲得較好的UHPC性能，見圖5。試塊抗壓強度最高達191.8 MPa、抗彎拉強度達32.1 MPa, 彈性模量為46.8 GPa。

全橋共需預制6片拱肋和4片連系梁，UHPC用量約為67.48 m3。跨邊節段長度12.99 m, 使用9.74 m3UHPC,節段重25.33 t, 跨中節段長度14.23 m, 使用11.76 m3UHPC,節段重30.58 t。

圖5 UHPC試驗

由于采用機制砂配制UHPC,且用量較小，決定采用現場拌制的方式制備UHPC。UHPC原材中基本為細料和粉料，拌和物的均勻性對其性能影響極大。超高性能混凝土拌和物的均勻性有兩個關鍵：(1)在低水膠比條件下拌和物的均勻性；(2)鋼纖維在拌和物中均勻分散。為了提高拌和物均勻性，一方面，采用更好的立軸行星式攪拌機配合鋼纖維分散機；另一方面在攪拌程序上進行了優化：攪拌時先将砂投入攪拌機，水泥、石粉、矽灰随後投入攪拌機中，幹拌2 min, 減水劑稱量準确後提前與水混合均勻，待幹料攪拌均勻後加入水與減水劑。砂上料完畢後即開始緩慢均勻地投入鋼纖維，在UHPC攪拌過程中鋼纖維持續投料，待鋼纖維投料完畢後再持續攪拌一段時間，完成UHPC攪拌工作。投料過程約2 min, 攪拌過程約6 min。

外模闆分為底模和内外側模，采用全鋼結構分段制造，底模按照全幅拱肋設計，側模制作跨中和跨邊各1套，跨邊節段側模可對稱使用，底模共12節，每節段拱肋4節底模，每節段拱肋16片側模。由于拱肋為兩端封閉結構，内模闆的拆除隻能通過人洞進行，因此，内模闆必須采用“化整為零”的方案拼裝。内模闆采用鋼-木組合，鋼模作為内模骨架，保證内模剛度，竹膠闆作為平面模闆，易于裁切和拆裝，模闆情況見圖6。

拱肋節段采用卧式澆築法，采用長線耦合預制工藝以提高接頭接觸面契合度，完成1、2号節段澆築後以1、2号節段的端頭為3号節段的端頭模闆預制3号節段。為保證預應力管道精準對齊，加工32根略小于預應力管道的鋼棒，通過鋼棒限定預應力管道的精确位置，澆築順序見圖7。

圖6 拱肋模闆

圖7 拱肋預制順序示意

拱肋澆築完畢後立即噴灑蒸發抑制劑并覆蓋薄膜保水，避免早期幹縮開裂。大約8～12 h後，結構具有一定強度即拆除模闆，先拆外模闆再拆内模闆，拆除外模後即灑水覆膜保濕。全部拆模完畢後即進行蒸汽養護，蒸汽養護采用定制的移動裝配式養護房保溫，見圖8,采用3台48 kW電力鍋爐提供蒸汽，升溫速度不大于15℃/h, 升溫至80℃後，保持恒溫48 h以上，再以不超過15℃/h的降溫速度降至構件表面溫度與環境溫度之差不大于20℃。構件蒸養結束進行自然養護，構件表面覆膜保持濕潤至14 d齡期。

圖8 蒸汽養護裝置

拱肋吊裝采用支架法，支架采用鋼管和型鋼焊接，根據拱肋吊裝時的工況對支架進行了設計和計算。拱肋采用2台100 t汽車吊進行吊裝，預先根據施工現場對吊車布置位置進行設計，并對吊跨邊節段和跨中節段2種工況進行了驗算。考慮到拱肋起吊過程的平衡，拱肋在預制時，根據拱肋重心的計算結果設置了吊孔。拱肋吊裝見圖9。

圖9 拱肋安裝

拱肋安裝有2個關鍵問題：一是拱肋安裝前的翻轉；二是拱肋的精準安裝。拱肋轉體過程中重心瞬變易造成拱肋的碰撞損傷，解決方法是在沙堆上進行翻轉，在橋址附近根據拱肋翻轉前後的形狀設計了沙堆，沙堆采用濕潤的級配碎石堆積而成，翻轉過程2台吊車配合緩慢翻轉。

拱肋的吊裝遵循先兩邊後中間的順序，為保證拱肋的安裝精度，制定了2個措施：一是在支架頂端根據線形設置若幹螺旋千斤頂，調整拱肋合龍姿态；二是在拱肋對齊後将4根定位鋼棒插入四角的預應力管道中進行定位，随後進行高強螺紋鋼棒的安裝與張拉。成橋照片見圖10。

圖10 八丘田UHPC拱橋

由于拱箱結構在施工過程中主要發生受彎開裂，為驗證結構的抗彎承載力和UHPC澆築的均勻性，在拱肋預制前先開展了等比例模型試驗，見圖11。A1、A2兩組模型試驗與實橋拱箱尺寸、材料相同，節段長2 m。試驗對構件破壞形态、荷載～撓度關系、荷載～應變關系、彈性極限應力和極限承載力進行了分析，結果表明：試驗構件不同位置的實際破壞形态與其理論受力特性基本吻合，說明UHPC的均勻性良好；試件達到極限荷載後有明顯的應變硬化階段，達到破壞時的撓度相對較大，破壞時的延性性能好；試件不同位置的彈性極限應力基本接近，處于9.5～11.9 MPa,大于UHPC的彎曲抗拉強度設計值(4.13 MPa)和标準值(6.75 MPa)。

圖11 模型試驗

橋梁通車前開展了靜力荷載試驗和動力荷載試驗，測定橋跨結構在試驗靜力荷載作用下控制截面應力和撓度，以及在試驗動荷載作用下橋跨結構的自振特性和動力響應。試驗結果表明：在公路-Ⅱ級等效試驗荷載作用下，受檢橋控制截面實測應變值均小于其對應的理論計算值，應變校驗系數 0.700～0.833,卸載後的相對殘餘應變均小于 20%,結構強度滿足設計要求。橋梁自振特性測試得到主橋一階豎向實測振動頻率分别為 7.42 Hz,大于相應的理論計算值 7.38 Hz;實測振型與理論振型基本吻合，表明結構的整體剛度較大。不同車速的無障礙行車作用下，實測橋跨最大沖擊系數為 0.272,小于計算值 μ=0.337,橋面總體較平順。

為了解施工和運營過程主拱結構的受力情況，對主拱的應力進行監測。監測位置選取為拱腳截面上緣、立柱截面下緣以及接縫位置的下緣，共布置7個監測截面，每個監測截面布置1個應力測點(可同時監測結構表面溫度),全橋共布置15個應力測點，測點布置見圖12。

圖12 監測測點布置

近半年的運營期監測數據表明：監測過程中最大拉應力為2.22 MPa, 其他各點拉應力處于抗彎拉強度設計值(4.125 MPa)的28%～50%,主拱結構具有較大的安全餘量。

UHPC拱橋的設計研究和工程應用表明：UHPC超高力學性能可減小拱肋截面厚度，使拱圈自重大幅減小，UHPC應用于受壓為主的拱橋結構具有良好的應用前景。

(1)采用機制砂配制UHPC可取得較好的效果，同時可降低應用成本。機制砂經過生産工藝和顆粒級配優化可進一步挖掘潛能，配制出性能更加優良的UHPC。機制砂配制的UHPC滿足工程結構應用需求，首次實現工程應用。

(2)八丘田車行天橋靜荷載和動荷載試驗均體現出優異性能：在設計荷載作用下結構強度、剛度滿足設計要求，抗沖擊、動力響應表現優良。結構監測數據表明，主拱應力遠小于彎曲抗拉強度設計值，具有較大的安全餘量。

(3)八丘田車行天橋的建設為大跨徑UHPC拱橋建設進行了技術驗證，該橋在設計、建造、科研方面已獲得關鍵技術突破，大跨UHPC拱橋建造有望獲得突破。

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