王 巍，马 骉，黄少文，王 浩，冀振龙

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092；2.上海市市政规划设计研究院有限公司，上海市200031；3.上海城投公路投资（集团）有限公司，上海市200335）

0 引言

对于城市跨河中小桥梁上部结构而言，空心板梁整体性及耐久性问题日益突出，预制小箱梁、T梁等结构梁高及单梁起吊重量相对较大，不利于桥梁纵断面设计及吊装施工。跨河中小桥梁尤其需要采用结构高度低、起吊重量小的上部结构，以利于道路纵断面接线设计，方便吊装、运输和快速化施工。

超高性能混凝土（UHPC）是一种纤维增强型水泥基材料，具备超高力学性能和超高耐久性。将UHPC应用于桥梁结构中可以实现混凝土结构薄壁化、轻型化，超高性能混凝土桥梁结构具有构件轻巧、运输吊装简单、施工便捷、耐久性好等优点，适应目前城市桥梁建设的发展方向和趋势，具有广阔的应用前景。

1 国内外UHPC预制梁研究应用现状

进入本世纪后，UHPC成为世界范围内土木工程领域的研究与应用热点。目前，在发达国家UHPC的配制、生产、施工和预制技术已经趋于成熟，工程与制品应用不断取得新进展。

法国于2001年最早建成两座相同的基于UHPC预制π型梁的公路桥梁—Bourg-lès-Valence OA4和OA6跨线桥[1]。两座桥梁的上部结构梁为π型预制先张预应力梁，单片预制梁长22.5 m，高0.9 m，宽 2.4 m，桥面板厚 0.11 m，吊装重量 37t；预制梁间采用UHPC现场灌注横向接缝，刚性连接形成连续整体桥面板。

美国联邦公路管理署（FHWA）2001年开始研发跨径23～41 m工厂预制、现场快速组合安装的模数化、标准规格的预应力UHPC预制π梁，该系列预制梁横向连接也采用现浇UHPC横向接缝的形式[2]。美国于2004年在弗吉尼亚州建造了一座试验桥，显示出这种桥梁具施工速度快的优点。

近年来，我国紧跟国际研究前沿，对UHPC在桥梁工程中的研究和应用开展了一些工作。目前我国针对UHPC桥梁的主要研究内容及成果应用主要集中在UHPC-钢组合桥面技术[3]、UHPC做为连接材料应用与小箱梁横向接缝及预制墩柱的竖向连接技术[4]、UHPC做为早强及加固材料用于桥梁破损构件的维修加固技术等方面。

在UHPC梁应用方面，2016年在长沙建成一座主跨36.8 m长全70.8 m的UHPC跨街天桥[5]。上部结构采用节段预制拼装预应力超高性能混凝土鱼腹式单箱三室连续箱梁，标准节段长4.6 m，梁高1.35 m，顶板厚0.12 m，底板厚0.08 m，腹板厚0.20 m，最大节段重量为51.3 t。

总体而言，国内基于UHPC的预制梁技术研发及应用尚在起步阶段。

2 U H PC预制梁截面形式比选

在分析总结了混凝土预制梁技术现状及存在问题、UHPC材料特性的基础上，对适用于中小桥的UHPC预制梁断面形式开展了截面形状的比选、预制梁预应力方案的比选、全断面UHPC梁及UHPC-RC组合梁方案的比选，以期获得受力性能、施工便捷性、经济性俱佳的结构方案形式。

2.1 截面形状比选

（1）闭口／开口截面的比选

传统混凝土预制梁的三种形式中，空心板和小箱梁都是闭口截面形式，预制T梁为开口截面形式，如图1所示。

图1 预制梁闭口及开口截面示意图

从截面抗弯能力而言，两种截面形式在同等材料用量情况下可以拥有相同的抗弯能力及相同的梁高。在抗扭能力方面，闭口截面梁的抗扭刚度要显著优于开口截面。对于预制梁而言，预制施工的便捷性也十分重要。闭口截面预制梁内模脱模相对繁琐，开口断面预制梁预制工艺较为便捷。

预制梁一般横桥向多片布置，通过桥面板及横隔板连接成为整体共同受力。上部结构在偏载作用下的扭转变形更多地通过各片梁的竖弯变形差来抵抗，同时也会在单片预制梁中产生一定的扭转变形。对于中小跨径桥梁而言，预制梁高度较低，腹板的高厚比较小，开口截面的自身扭转刚度能满足抗扭受力的需要；当跨度较大时，预制梁的梁高也随之增大，腹板的高厚比也随之增大，开口截面预制梁若要满足其抗扭稳定性需要设置较多的跨中横隔板，其施工便捷性及景观效果都有所降低，此时采用闭口截面预制梁更为合适。

对于跨河中小桥而言，采用开口断面形式能满足受力需求且预制更便捷，因此UHPC预制梁推荐采用开口断面形式。

表1 预制梁闭口截面与开口截面对比

（2）预制梁开口截面形式的比选

进一步地，对预制梁开口截面形状进行比选。开口断面的预制梁截面的常见形式为I形和T形，π形截面即为2个T形截面的组合，如图2所示。三种截面形式从受力、施工便捷性、施工过程稳定性、施工速度等方面比选见表2。

图2 预制梁开口截面形式

表2 预制梁开口截面形状比选

相比而言，I形截面的上翼缘较窄，其抗弯能力较弱，且横向多片布置时需要较宽的桥面后浇带或通过整幅后浇桥面板连接成为整体，后浇部分需要支模板完成，因此其施工便捷性相对较差。T形截面在相同梁高下相比I形截面的抗弯能力更大，横向多片布置时横向桥面后浇带较窄，施工相对便捷。但T形截面与I形截面在施工过程中的侧向稳定性较差。

π形截面预制梁在保留T形截面梁的优势的同时，具有更好的施工过程侧向稳定性；且单片梁宽度的增加在桥梁总宽固定的情况下减少了预制梁的片数，进而减少了横向接缝数量，加快了预制梁的施工速度。相比I形梁及T形梁，π形梁的吊装重量较大。但由于UHPC材料比强高，预制梁截面板件轻薄，因此预制π梁的吊装重量要明显小于常规空心板梁及小箱梁。

综合考虑预制梁的受力性能、施工便捷性、施工过程中的稳定性、施工速度及吊装重量等因素，推荐UHPC预制梁采用π形截面。

2.2 预制梁预应力方案比选

为增加预制梁的跨越能力、减小结构高度、提升预制梁的抗裂能力及耐久性，混凝土预制梁往往采用预应力结构，结构预应力通过预应力钢束施加。预应力方案分为先张法与后张法预应力方案，后张法预应力方案中又分为体内束方案和体外束方案。从钢束抗弯效率、预制梁施工便捷性及施工场地限制性等角度进行预制梁的预应力方案比选见表3。

表3 预制梁预应力方案比选表

在抗弯能力相同的情况下，先张法预应力方案由于其预应力效率较高、无需特殊锚固构造考虑，因此其材料经济性较好，但其截面构型及施工场地都受限于张拉台座，施工便捷性不佳。后张法体内束方案由于钢束直径大，技术经济指标稍次于先张法方案，但其截面构型及施工预制场地相对灵活。后张法体外束方案在中小跨径桥梁梁高较低的情况下钢束效率低的劣势尤为明显，因此其钢束用量较大；另外转向块及锚固块的设置增加了预制梁UHPC材料用量。

综合考虑方案的技术经济性、截面构型灵活性、预制梁施工便捷性、预制梁施工场地适应性等因素，推荐选用后张法体内束方案做为UHPC预制梁的预应力方案。

2.3 全断面UHPC预制梁与UHPC-RC组合梁方案比选

不同于普通混凝土，UHPC具有超高的抗压和抗拉强度。特别对于应变硬化型UHPC，受拉时具有很强的延性变形能力，其极限拉应变往往超过2 000 με。这表明对于配筋UHPC受弯构件，在受拉钢筋达到屈服、充分发挥其抗拉强度时，受拉区UHPC仍能发挥其抗拉强度。因此UHPC受弯构件抗弯承载力计算中应计入UHPC的抗拉贡献，并充分利用这一优势[6]。

虽然UHPC的抗拉强度较高（通常在7～12 MPa左右），但相比其抗压强度（通常超过120 MPa）而言要低一个数量级。因此π形梁由受压侧达到抗压强度时按内力平衡条件求出的受压区高度较小。

要充分利用UHPC抗拉强度对抗弯承载力的贡献，其抗弯承载力由受拉边缘UHPC拉应变达到3倍极限拉应变控制[6]，此时受压侧UHPC边缘的压应变尚未达到其抗压设计强度对应的压应变，如图3所示，因此在UHPC抗拉强度充分发挥、受拉钢筋屈服时，UHPC受压侧抗压强度不能充分发挥。

图3 受压边缘UHPC达到抗压设计强度时截面应变及内力平衡关系

由于UHPC材料价格较高，若采用经济性好的普通钢筋混凝土板（RC桥面板）替换部分受压区UHPC桥面板组成UHPC-RC组合断面可以优化UHPC材料用量，具有较好的经济性。

从预制加工便捷性、施工吊装稳定性及便捷性、充分发挥材料受力性能、方案经济性等方面综合比选，推荐选用基于UHPC后张法预应力预制π梁+后浇整体RC桥面板组成的UHPC-RC组合梁方案。

3 基于U H PC预制π梁的U H PC-R C组合梁结构设计方案及实桥应用

3.1 工程概况

上海嘉闵高架路（S32～莘松路）道路新建工程是已建成嘉闵高架路（联明路～北翟路）段的向南延伸段，袁家河地面桥为该工程中的一座单跨简支地面跨河桥，桥梁跨径22 m，桥宽17.75 m。袁家河地面桥上部结构原方案采用刚接空心板，下部结构为重力式桥台，桩基采用直径1 m的钻孔灌注桩。

本文以该地面桥为工程背景，开展了基于UHPC预制梁的UHPC-RC组合梁上部结构方案设计及实桥应用探索。

3.2 结构设计方案

袁家河桥上部结构UHPC-RC组合梁方案如下：上部结构由7片预制UHPCπ形梁构成，如图4所示，UHPC预制π形梁横桥向并排布置，预制梁间彼此翼缘板密贴，预制梁顶缘预留钢筋连接件，吊装就位后在梁顶布设桥面板钢筋网片，在其上现浇0.15 m厚C50普通钢筋混凝土（RC）桥面板将各片预制梁连接形成整体，现浇RC桥面板兼做找平层。该方案结构形式在横桥向表现为通过现浇RC桥面板形成整体刚接板梁，在纵桥向形成UHPC-RC组合梁的新型结构形式。该结构形式具有吊装重量轻、施工快速便捷、受力性能及耐久性好、经济性好等优点。

预制UHPCπ形梁梁高930mm，顶板宽2500mm，顶板厚度50～100 mm，腹板厚100 mm，单个下翼缘宽500 mm，厚度200～300 mm，截面沿梁长全长采用等截面设计，构造横断面如图5所示。

图5 UHPC预制π梁横断面构造图（单位：mm）

预制梁配筋断面如图6所示，下马蹄除了设置预应力钢束外，设置了普通钢筋以提高其抗弯极限承载力。腹板中设置直径12 mm的单肢竖向分布钢筋和水平分布钢筋，竖向分布钢筋伸出预制梁顶缘兼做钢筋连接件。预制梁顶板在翼缘范围内布置了C形预留钢筋连接件，实现与现浇RC桥面板间的剪力连接。RC桥面板在横桥向布置了直径16 mm的顶底缘抗弯钢筋及顺桥向的构造架立筋。

对于袁家河桥，UHPC-RC组合梁与传统的刚接空心板梁方案的技术经济性比较如表4所示。可以看出，在预制梁混凝土指标方面，UHPC-π梁大幅减轻了上部结构重量（仅为60%），方便预制结构运输吊装快速施工。

图6 UHPC预制π梁配筋断面图（单位：mm）

表4 袁家河桥UHPC-RC组合梁与刚接空心板梁方案材料指标比较

在结构造价方面，由于UHPC材料价格较高，该工程中UHPC-RC组合梁上部结构单价相当于刚接空心板梁的2倍，但由于减轻了上部结构自重、优化了基础工程量、简化了桥面系施工，因此整座桥造价UHPC-RC组合梁方案仅比刚接空心板梁方案增加约9%。随着UHPC材料的推广应用，其材料价格会逐步降低，因此该新型整体刚接板梁方案在中小跨径桥梁中有较好的应用前景。

3.3 实桥施工方案及特点

该方案预制梁采用后张法预应力方案，施工便捷，不受场地限制；预制梁顶缘设置钢筋连接件，便于吊装就位后与现浇桥面板结合。

该方案预制梁间以梁顶缘现浇15 cm厚RC桥面板实现横向连接。预制梁先期制作并吊装就位，π形断面预制梁梁端两道腹板下共设四个支座，吊装施工稳定性好；预制梁顶缘横向彼此密贴，兼做现浇RC桥面模板及施工平台，无需另设支架及模板。现浇RC桥面施工时板以先期吊装就位的预制梁顶板为底模及施工平台，放置桥面板钢筋网片后即可浇筑普通混凝土通过预制梁顶缘预埋钢筋连接件形成整体，现浇桥面板具有施工便捷、受力整体性好等特点；且现浇RC桥面板兼做铺装找平层，可进一步减轻上部结构自重。

袁家河桥单片UHPC预制π自重34 t，仅为相同桥面面积刚接空心板梁自重的60%；每片梁平均架梁时间仅为20 min，在2.5 h内完成了7片梁的吊装，如图7所示。

图7 预制UHPC-π梁吊装实景

3.4 预制梁静力试验

静力试验包含两个截面足尺试件，试件截面为UHPCπ梁及UHPC-RC组合梁截面的一半（T形），每片试验梁长15 m，开展了静力抗弯、抗剪试验。试验梁的材料、配筋、配束均与前文结构设计方案完全相同。

静力试验研究了UHPC预制梁的裂缝发展规律、结构破坏形式及抗弯和抗剪承载力。试验结果表明：抗弯及抗剪试验中，梁体裂缝都表现为分散密布裂缝，应变强化型UHPC具有很强的裂缝宽度控制能力，配置后张法预应力钢束的UHPC预制梁在卸载后还具有较好的裂缝闭合能力。

抗弯试验破坏时出现贯穿主梁高度的主裂缝，破坏形态为塑性破坏，结构具有较强的延性。全断面UHPC预制梁的抗弯承载力试验值为4 629 kN·m，大于其承载能力组合设计弯矩2 207 kN·m，结构安全系数2.10；UHPC-RC组合梁的的抗弯承载力试验值为5 232 kN·m，大于其承载能力组合设计弯矩2 838 kN·m，结构安全系数1.85，证明实桥结构受力安全。

受限于试验加载设备的最大加载能力，试验梁未达到抗剪极限承载力，试验最大加载剪力1 770 kN，大于实桥承载能力组合设计剪力628 kN，证明实桥结构安全。

3.5 实桥荷载试验

通过对袁家河桥直接加载后进行有关测试、与分析工作，了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，进而评定桥梁结构的使用状况，为设计提供数据支持。实桥荷载试验包括静载、动载试验。

静载试验分跨中及支点加载两个不利荷载工况，加载效率系数0.97。静载试验结果显示，结构的应变及位移校验系数小于1.0，表明结构的实际刚度优于理论计算；相对残余变位均小于20%，结构处于弹性工作阶段。

动载试验分行车试验、刹车试验及脉动试验三部分。试验结果表明，袁家河桥的模态试验测试频率5.684 Hz大于计算值5.548 Hz，桥梁动刚度较好；40 km/h跑车试验表明该桥实测冲击系数为1.188，符合规范要求。

通过对袁家河桥的静、动载试验结果可知，在静荷载作用下，实桥抗弯承载能力、裂缝开展情况及刚度符合规范的要求；在动荷载作用下，结构模态正常，冲击系数符合规范要求。袁家河桥的整体刚度和结构受力性能优于预期。图8为荷载试验现场。

图8 实桥荷载试验实景

4 结 语

本文从城市跨河中小桥上部结构设计、施工需求出发，结合超高性能混凝土（UHPC）的材料特点，比选了适宜中小跨径UHPC预制梁的截面形式，提出了基于UHPC预制π梁与现浇钢筋混凝土桥面板（RC桥面板）的UHPC-RC组合梁结构形式。并以上海嘉闵高架袁家河地面桥为工程背景，开展了UHPC-RC组合梁的上部结构方案设计、预制梁力学性能试验、工程应用及实桥荷载试验。

静力试验、实桥荷载试验结果及工程实践表明，该结构形式具有优良的结构力学性能的同时，兼具构件轻巧、运输吊装简单、施工快速便捷、经济性相对较好等优点，适应目前城市桥梁建设的发展方向和趋势，因而具有广阔的应用前景。