中国第一座超高性能混凝土UHPC拱桥的设计与施工梅琳

中国第一座超高性能混凝土（UHPC）拱桥的设计与施工

摘要：超高性能混凝土(UHPC)具有超高的抗压强度，极适合于在以受压为主的拱结构中应用。该文介绍了中国第一座超高性能混凝土拱桥的设计与施工，该桥跨径10m，拱肋厚度仅10cm，充分显示了超高性能混凝土在拱桥中应用的潜力。

1、概述

拱桥是一种以受压为主的结构，采用抗压强度高、抗拉强度低的混凝土，在地质与地形条件合适的桥位处修建，具有很强的竞争力从施工的角度看，拱在未合龙之前不为拱，而需要依靠临时辅助设施或结构来支承。当混凝土拱桥跨径增大后，拱肋自重的增加会使施工费用急剧增加，难度也随之增大。因此，如何减轻拱肋自重成为超大跨径拱桥需要解决的首要问题。显然，采用具有极高抗压强度的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC），是解决上述问题的一种有效途径。

超高性能混凝土的概念由Larrard和Sedran于1994年提出，它指具有超高强度与良好耐久性的水泥基材料。然而，有关的研究早于此前就已开展，且持续至今。对于这一类材料迄今仍没有统一的定义，名称也多种多样，如细料致密混凝土、无宏观缺陷混凝土、密实配筋混凝土、活性粉末混凝土、超高性能纤维增强混凝土等。在这些类型混凝土中，目前研究与应用相对活跃的是活性粉末混凝土和超高性能纤维增强混凝土。相对来说，UHPC的范围大些，RPC和UHPFRC的范围小些。

克罗地亚在跨径达432m的巴卡尔桥的设计构思和跨径达500、750和1000m混凝土拱桥的系列研究中，提出采用RPC的设想。然而，在世界已建和在建的40余座UHPC桥中，拱桥仅有2座，1座是跨径为120m的韩国Sun-Yu人行拱桥，另１座是跨径为70m的奥地利Wild公路拱桥，他们均将之称为UHPFRC。

中国是拱桥的大国和强国。为了保持中国拱桥技术的世界领先地位，福州大学以中国的工程技术和规范为依据，进行了160、420和600m的RPC拱桥的试设计研究，开展了RPC拱极限承载力的受力全过程试验研究。在修建中国第一座公路UHPC梁桥的基础上，结合前期的受力性能与试设计研究，设计了中国第1座UHPC拱桥，并于2015年3月建成，也成为世界上第3座UHPC拱桥。该文将对这座拱桥的设计与施工进行介绍，并希望能够将UHPFRC应用于更大跨径的拱桥，为中国的交通基础设施建设做出更大的贡献。

2、结构设计

2.1 总体设计

该桥位于福州大学旗山校区校园内办公南楼前两湖之间的坝上，桥宽2.1m，横断面布置为0.3m栏杆+1.5m人行道＋0.3m栏杆。

为体现校园特色，要求设计在满足功能且经济合理的同时，充分重视桥梁景观，与周边环境相融合。为此，选用了拱桥方案。拱的优美曲线以及镂空的轻盈木栏杆，将与校区湖岸的树林景观融为一体。

桥梁主跨10m，矢高2.5m，矢跨比1/4。主拱为板拱，拱肋厚10cm，采用抗压强度为130MPa的超高性能混凝土，侧墙与栏杆底座为C30混凝土。最大纵坡为1∶2.25，设8级台阶，不设横坡，总体布置见图1。

图１　桥梁总体布置图

桥位处地质条件较差，为抵抗拱的水平推力，桥梁采用钢筋混凝土系杆拱体系。由于桥梁所跨越的并不是常年的流水，将系杆埋于拱的下方，在其上铺砌保护层，既平衡拱的水平推力、降低下部结构费用，又不影响美观。

该桥主体于2015年1月建成，细部修饰于3月份完成。

2.2 结构设计

桥梁人群荷载为5kPa；土侧压力、水浮力、静水压力及风荷载均按规范计算；温度荷载按整体升降温25℃考虑。抗震设防烈度为Ⅶ度，设计地震动加速度峰值为0.10g。

主拱净跨径为10m，拱肋采用等截面板拱，厚10cm，拱轴线为半径R＝6.25m的圆曲线，净矢高2.5m，矢跨比1／4。拱肋材料为UHPFRC。拱肋设计时，没有配置钢筋，为素混凝土拱。施工时，考虑到整体现浇拱肋，为防止早期收缩开裂，在拱肋中截面加了一层20cm×40cm的?10mm钢筋网，纵向配筋率仅为0.037％，因此结构仍应视为素混凝土结构。

拱肋两侧墙采用C30钢筋混凝土板，通过钢筋与UHPFRC拱肋连接形成拱腔，内填透水性材料，其上铺3cm砂浆和2cm厚防滑地砖铺面，较陡处为台阶。桥梁栏杆采用天然防腐木栏杆；雨水通过桥面纵坡自然排除。

拱座与桥台连成一体，采用C30钢筋混凝土结构，两层50cm厚C25片石混凝土扩大基础。两拱座间的系杆采用C30钢筋混凝土系杆，两端钢筋伸入拱座桥台。

桥下采用M10浆砌片石铺砌，内填透水性材料，铺砌表面与系杆平齐；南侧低水位一侧设置透明钢化玻璃挑檐，使桥下流水形成天然景观瀑布效果。

3、UHPFRC材料

3.1 配合比设计

该桥拱肋采用的UHPFRC的基本组成是水泥、硅粉、细砂、水、钢纤维和高效减水剂。为了获得满足设计力学性能要求的UHPFRC，使构件具有良好的颗粒级配，达到充分密实的目的，需选择合适材料和设置合适的配合比。该桥的配合比基于施工条件和结构所处的环境条件，综合文献中的配合比和河北石安高速4~30m UHPFRC连续箱梁桥的配合比，得到适合该桥的配合比。通过材性试验，测得与拱肋同批浇注的UHPFRC试块的力学参数指标为：150mm×150mm×150mm立方体抗压强度≥130MPa；弹性模量约为45GPa。

3.2 原材料的选择

水泥是混凝土最重要的原材料之一，它与其他材料混合后经过物理化学反应由可塑性的浆体变成坚硬的水泥石。在配制UHPFRC时，选择的水泥最好是强度高且同时具有良好的流变性能。因此，该桥的水泥采用福建“炼石牌”P.O.52.5普通硅酸盐水泥。

为获得高强度，UHPFRC水胶比较低，因此，需选取高效的减水剂，不宜采用引气剂和普通减水剂，以避免引入气体对强度造成不利影响。该桥高效减水剂选用福州创先工程材料有限公司提供的聚羧酸减水剂，其减水率为25％~30％。

细砂是UHPFRC中的主要集料。在选择细砂时，主要考虑其矿物成分、平均粒径、颗粒形状等。该桥的细砂采用福州闽清地区购入的闽江河砂，粒径为0.3~0.5ｍｍ。

钢纤维宜采用长10～20ｍｍ、直径0.1～0.25ｍｍ、抗拉强度不小于2000MPa的规格型号。由于纤维类型与UHPFRC材性有密切的联系，因此，应通过预试验进行钢纤维的选取。钢纤维应储存在没有杂质如灰尘、雨水等污染的地方，不允许储存时发生生锈、弯曲或纤维断裂现象。该桥所采用的钢纤维为鞍山市铁西区昌龙钢纤维厂生产的超强钢纤维，其直径为0.18~0.22mm，长度为12~14mm，抗拉强度≥2860MPa，也是河北石磁高速4~30ｍ UHPFRC连续箱梁桥所采用的钢纤维。

硅灰是生产硅和含硅合金时所产生的副产品，由烟道气气相氧化形成，呈浅灰色到深灰色，颗粒细小。用硅灰配制的混凝土具有优良的抗冲磨性能。在UHPFRC中硅灰的作用主要有：填充不同粒径颗粒间的空隙；起到很好的润滑作用，起到二次水化作用。该桥采用福州建材市场购入的硅灰，平均粒径0.1μｍ左右，SiO2含量大于90％。

4、施工

虽然该桥规模不大，但毕竟是中国第一座UHPFRC拱桥，为此，借鉴文献中拱桥的施工要点并结合UHPFRC桥梁实际情况，制订了具体的施工计划，保证了桥梁的顺利建成。

4.1 基础与桥台施工

施工前进行场地平整，清除建造桥址周围的障碍物，腾出工作面以便施工。与以往的桥梁施工一样，首先完成拱座基础与桥台的浇筑。

接着，完成系杆的浇筑。需注意的是系杆钢筋应在桥台浇筑前与桥台钢筋一同绑扎。系杆混凝土原本应待桥面系施工完毕后最后浇筑，即在系梁钢筋受拉后再浇筑系杆混凝土，以避免系杆混凝土受拉而产生裂缝。但是，由于施工单位考虑到拱肋施工的便利性，再加上该桥系杆所受的拉力较小，最终采用了先浇筑系杆的施工顺序。

4.2 主拱施工

4.2.1 支架与模板

系杆浇筑完成并达到一定强度，紧接着准备拱肋的施工。该桥跨度小，且系杆已提前浇筑完成，可为搭建拱肋支架提供一个可靠的支撑平台。因此，拱肋的施工方法采用满堂支架法，见图2。由于UHPFRC与普通混凝土相比，重度较大、早龄期收缩很大，因此支撑的杆件应采用钢材，确保支撑杆件的强度；模板采用柔性的木模板以适应UHPFRC早龄期的变形。拱肋顶、底模板采用对拉杆固定，并用方木辅助对拉杆的使用。

拱圈底板

拱圈上模板

图２　搭建拱圈模板

为了方便日后对该桥进行检查、检测，评估运营后桥梁的安全性，需对该桥建立长期的监测系统，定期对桥梁应力进行监测。因此，该桥在拱脚两侧及拱顶分别布置了３个埋入式应变计。

4.2.2 UHPFRC制备

UHPFRC在福州大学结构工程试验室中制备。为防止在浆体中加入钢纤维可能造成浆体以钢纤维为中心的结块，因此，采用钢纤维先加的方式，并适当控制钢纤维掺入后的搅拌时间，以防止结团。采用的投料顺序为：① 将称好的砂、硅灰和水泥依次倒入搅拌锅内，干搅3min，如图3(a)所示；② 用筛子将称好的钢纤维掺入干拌好的混合料中，使得钢纤维能够均匀分布，搅拌5min，如图3(b)所示；③ 将溶有高效减水剂的水缓慢加入搅拌锅，直至搅拌成混凝土浆体，参考时长3min。搅拌完成后，用叉车将混合物运送到浇注现场，见图3(c)。与普通混凝土相比，UHPFRC的粘性很高。因此，UHPFRC通过高混合性能的强制搅拌机进行拌和，见图3(d)。

图３　UHPFRC的拌制工艺

4.2.3 UHPFRC浇注

UHPFRC流动性虽好，但其重度、粘性大。因此，浇筑拱肋时，为防止拱肋产生较多的气泡，拱肋的浇筑采用自下而上的浇筑顺序。分别在拱肋两侧的1/4处及拱顶设置浇筑口，将拱肋的浇筑分成了3个节段，其中一个节段为节段1，即从拱肋一侧1/4处至另一侧1/4处，另两个节段则为节段2、3，即从拱肋1/4处至拱脚。浇筑过程中采用对称浇筑的方式，首先在拱肋1/4处的浇筑口灌入UHPFRC，形成节段2、3，并用振动棒振实。待节段2、3浇筑完成后，将拱肋1/4处的浇筑口封上，再进行节段１的浇筑。由于UHPFRC自重、流动性大，拱顶浇筑时应注意拱脚附近处对拉杆的端部受压情况，防止用于辅助对拉杆的方木受力不均而断裂。另外，为方便检验该桥实际使用的UHPFRC的材性与试配试验得到的UHPFRC的材性是否一致，因此，采用浇筑拱肋的混合物浇筑了一批试件以供检测。

4.2.4 UHPFRC养护

该桥施工时为1月份，恰为当地气温最低的季节，最高温度为16℃，最低温度为7℃，月平均温度为12℃。为保证UHPFRC的强度、避免低温引起的早期收缩裂缝，采用了蒸气养护的措施。

拱肋浇筑完成6h以后，用3层加厚的塑料薄膜包裹拱肋，并用简易的支撑薄膜形成一个养护空间，不仅用于蒸气的注入，也避免早期的拱肋UHPFRC表面与外面的低气温直接接触。

在现场设置一个小型的锅炉，将锅炉产生的水蒸气，注入拱肋养护空间中，试件也放在其中进行养护。蒸养时，每隔1h便用温、湿度计对养护空间中的温、湿度进行测量，以便将其温度控制在55～65℃之间，湿度控制在85％～100％之间。

4.3 拱上建筑与附属工程施工

将拱肋蒸养3d以后便停止向棚里输入蒸气。为防止温度骤降导致拱肋开裂，拱肋带膜放置冷却1d以后才拆除拱肋外包的塑料薄膜，随后进行拱肋的顶模及侧模的拆除。

拱肋达到一定强度以后，拆除拱肋底模板，肉眼可见拱肋表面光滑、无气泡，如图4(a)所示。紧接着完成拱上建筑的建设，即浇筑拱肋上部左右两片肋板、铺设拱上填料，进行桥面铺装，增设木栏杆。成桥照片见图4(b)。

图４　福州大学校园人行UHPFRC拱桥

5、结语

国内外的试设计研究与工程应用表明：UHPFRC具有超高的抗压强度，应用于以受压为主的拱桥具有良好的应用前景。根据前期的研究结果，建成了中国第一座UHPFRC拱桥，为今后UHPFRC拱桥的应用提供了借鉴。

中国UHPFRC试验室制备技术已经成熟，该桥的实践表明：它在拱桥结构中的规模应用也是可行的。UHPFRC流动性虽好，但其重度和粘性均较大。该桥浇筑拱肋时，采用了自下而上分段浇筑的顺序，实践表明可以防止拱肋产生较多的气泡。该桥施工时为1月份，恰为当地气温最低的季节，施工时采用了简易的蒸气养护措施，取得了较好的效果。

中国目前尚无UHPFRC桥梁的技术规范，试验时在该桥中埋置了一些应变片，将在后期进行跟踪观测，并在前期研究的基础上对结构的受力行为与计算方法进行深入的探讨，为UHPFRC在更大跨径拱桥中的应用提供技术支撑。

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