基于UHPC材料的高性能裝配式橋梁結(jié)構(gòu)研發(fā)

邵旭東，邱明紅

(1.湖南大學(xué) 風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

裝配化是橋梁工業(yè)化的主要特征，也是我國(guó)建設(shè)領(lǐng)域“十三五”期間轉(zhuǎn)型升級(jí)與戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向.2016年9月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》，力爭(zhēng)10年內(nèi)使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%；2016年7月，交通運(yùn)輸部印發(fā)《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，指出大力推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工，提升橋梁工程的質(zhì)量品質(zhì).

中小跨徑裝配式橋梁在我國(guó)橋梁建設(shè)中具有舉足輕重的地位.根據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)資料，到2017年底，全國(guó)公路橋梁達(dá)到83.25萬(wàn)座，其中中小跨徑橋梁73.61萬(wàn)座，占比達(dá)88.4%.推動(dòng)裝配式中小跨徑橋梁的發(fā)展，對(duì)推動(dòng)橋梁施工方式變革、提高工程質(zhì)量、縮短工期、減少勞動(dòng)強(qiáng)度、降低造價(jià)、節(jié)能環(huán)保等具有重要意義.

裝配式橋梁目前主要有裝配式混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁等)、裝配式鋼-混凝土組合梁、裝配式鋼箱梁等三大類型.但大量的工程實(shí)踐表明，現(xiàn)有的裝配式橋梁結(jié)構(gòu)仍存在以下兩個(gè)主要技術(shù)瓶頸.

(1)現(xiàn)有裝配式橋梁結(jié)構(gòu)或吊裝重量大，或現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)量大，裝配化水平有待進(jìn)一步提高：預(yù)應(yīng)力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)自重較大，跨徑超過(guò)30 m，梁體重量偏大，對(duì)運(yùn)輸、吊裝設(shè)備和施工安全性要求更高，導(dǎo)致大尺寸構(gòu)件的裝配化施工難以實(shí)施；常規(guī)混凝土梁和鋼-混凝土組合梁橋面板現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量大、工期長(zhǎng)；鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)焊接量大，施工質(zhì)量不易控制.因此上述常規(guī)結(jié)構(gòu)的裝配化施工水平仍有提高空間.

(2)現(xiàn)有裝配式橋梁結(jié)構(gòu)的梁體、連接節(jié)點(diǎn)易開(kāi)裂、破損、滲漏，耐久性較差，后期維護(hù)費(fèi)用較高：預(yù)應(yīng)力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)橫向連接節(jié)點(diǎn)屬于薄弱環(huán)節(jié)，易失效開(kāi)裂導(dǎo)致單梁(板)受力，且易出現(xiàn)滲漏等技術(shù)難題；鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板在實(shí)際運(yùn)營(yíng)階段易出現(xiàn)裂縫，加之雨水滲入侵蝕，影響結(jié)構(gòu)安全性和耐久性；鋼箱梁采用傳統(tǒng)的正交異性鋼橋面系，存在鋼橋面板易出現(xiàn)疲勞裂縫和鋼橋面鋪裝極易損壞的難題.上述病害導(dǎo)致常規(guī)結(jié)構(gòu)的后期維護(hù)費(fèi)用偏高.

總體而言，現(xiàn)有裝配式中小跨徑橋梁在施工性能、使用性能、耐久性能等方面仍有很大的改進(jìn)空間.面對(duì)橋梁標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化、工業(yè)化的現(xiàn)實(shí)需求，在現(xiàn)有中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，發(fā)展具有高施工性能、高使用性能、高耐久性能的高性能裝配式橋梁結(jié)構(gòu)是重要發(fā)展趨勢(shì).

結(jié)構(gòu)技術(shù)的重大變革，材料突破是根本途徑.目前傳統(tǒng)中小跨徑橋型結(jié)構(gòu)已基本定型，結(jié)構(gòu)性能的突破將依賴于新材料的應(yīng)用.超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)是一種基于最大密實(shí)度原理配制的水泥基復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，被認(rèn)為是20世紀(jì)最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料之一.因此，UHPC的引入，將有望給傳統(tǒng)裝配式中小跨徑橋梁技術(shù)帶來(lái)革命性的變化，實(shí)現(xiàn)裝配式橋梁的高性能化.

湖南大學(xué)從1993年開(kāi)始研究UHPC[1]，是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展相關(guān)研究的單位之一，經(jīng)過(guò)20余年的研究與積累，熟練掌握UHPC的配制方法和基本性能[2-4].以此為基礎(chǔ)，筆者團(tuán)隊(duì)切合國(guó)家重大需求，研發(fā)了具有高施工性能、高使用性能和高耐久性能的高性能裝配式橋梁結(jié)構(gòu)體系，以期從根源上解決傳統(tǒng)橋梁所面臨的難題.本文介紹了團(tuán)隊(duì)基于UHPC材料研發(fā)的高性能裝配式橋梁結(jié)構(gòu)，展示了相關(guān)試驗(yàn)和工作基礎(chǔ).這些原創(chuàng)性研究有望攻克現(xiàn)有裝配式橋梁中的共性技術(shù)難題，提升橋梁結(jié)構(gòu)的性能與品質(zhì)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景.

1 關(guān)于超高性能混凝土(UHPC)

超高性能混凝土(UHPC)，系指抗壓強(qiáng)度在150 MPa以上，具有超高韌性、超長(zhǎng)耐久性的水泥基復(fù)合材料的統(tǒng)稱[1].最具代表性的超高性能混凝土材料為活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)，最早由法國(guó)學(xué)者于1993年提出[6].UHPC主要由水泥、硅灰、細(xì)骨料、高效減水劑及鋼纖維等材料組成，按照最大密實(shí)度原理構(gòu)建(圖1)，使得材料內(nèi)部的缺陷(孔隙與微裂縫)減至最少，從而獲得優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性[7].

圖1 UHPC的最大堆積密度配置原理Fig.1 Maximum packing density construction theory of UHPC

研究表明[8]，由于UHPC中分散的鋼纖維可以大大減緩材料內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展，從而使材料表現(xiàn)出超高的韌性和延性；同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)致密、孔隙率低，UHPC材料的耐久性可達(dá)200 a以上.UHPC的主要力學(xué)性能和耐久性能指標(biāo)如表1所示.

表1 UHPC材料的基本性能指標(biāo)

由于力學(xué)性能和耐久性能優(yōu)異，UHPC備受學(xué)者和工程師的青睞.目前UHPC已成為國(guó)內(nèi)外土木工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究之一，法國(guó)、日本、美國(guó)、瑞士、中國(guó)等國(guó)家相繼頒布了UHPC材料或結(jié)構(gòu)的技術(shù)規(guī)程[4].

由于UHPC具有超高的強(qiáng)度，在同等承載力條件下，UHPC結(jié)構(gòu)的尺寸介于普通混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)之間，且接近于鋼結(jié)構(gòu)(圖2).因此，當(dāng)UHPC應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)，可大大減小截面尺寸、降低結(jié)構(gòu)自重，并有利于裝配化施工.目前，UHPC已逐步在國(guó)內(nèi)外的中小跨徑的裝配式橋梁中獲得應(yīng)用，并顯示出廣闊的應(yīng)用前景.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[9]，到2016年底，世界各國(guó)應(yīng)用UHPC材料的裝配式橋梁已超過(guò)400座.

圖2 不同材料等強(qiáng)度截面尺寸對(duì)比Fig.2 Comparison of cross section dimensions of different materials at equal strength

2 裝配式UHPC箱梁結(jié)構(gòu)研發(fā)

2.1 研發(fā)背景

大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋以其良好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)性，在60～200 m范圍內(nèi)極具競(jìng)爭(zhēng)力.大量工程實(shí)踐表明，目前在役的大跨箱梁橋普遍存在梁體開(kāi)裂、跨中過(guò)度下?lián)系炔『土后w自重過(guò)大、采用懸臂澆筑施工工期較長(zhǎng)等問(wèn)題[10-12].

2.2 研發(fā)思路及技術(shù)要點(diǎn)

針對(duì)大跨箱梁橋的上述病害和不足，項(xiàng)目組利用UHPC高抗拉強(qiáng)度和低徐變的特點(diǎn)，提出了一種與UHPC特性相匹配的新型裝配式UHPC箱梁結(jié)構(gòu)[13]，如圖3所示.

圖3 裝配式UHPC箱梁Fig.3 Assembled UHPC box girder

具體分析，其技術(shù)要點(diǎn)包括：

(1)結(jié)構(gòu)輕型化：利用UHPC輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，減小結(jié)構(gòu)板件尺寸，板件尺寸僅為傳統(tǒng)箱梁的1/2～1/3，大幅減輕結(jié)構(gòu)自重，自重一般約為普通混凝土箱梁的40%～60%；

(2)設(shè)置密集橫隔板：箱內(nèi)設(shè)置了間距3～5 m的密集橫隔板，以達(dá)到以下目的：①防止箱梁扭轉(zhuǎn)畸變；②對(duì)頂板加勁，從而取消橫向預(yù)應(yīng)力；③對(duì)腹板加勁，從而取消豎向預(yù)應(yīng)力；④對(duì)底板加勁，以防止承壓失穩(wěn)；⑤方便體外預(yù)應(yīng)力的轉(zhuǎn)向與錨固；

(3)僅采用單向預(yù)應(yīng)力：由于UHPC高抗拉強(qiáng)度，同時(shí)UHPC箱梁中密集分布橫隔板對(duì)箱梁頂、底、腹板的加勁作用，可取消箱梁橫向預(yù)應(yīng)力及豎向預(yù)應(yīng)力，從而將傳統(tǒng)的三向預(yù)應(yīng)力體系轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗?縱向)預(yù)應(yīng)力體系，簡(jiǎn)化預(yù)應(yīng)力體系施工，更易于保證箱梁預(yù)應(yīng)力的施工質(zhì)量；

(4)采用體內(nèi)、外混合配束：由于 UHPC 箱梁板件厚度的限制，縱向預(yù)應(yīng)力布置為部分體內(nèi)索、部分體外索；

(5)采用節(jié)段預(yù)制拼裝施工方法：UHPC經(jīng)高溫蒸養(yǎng)，后期收縮基本為零，后期徐變大幅度減小.為有效解決主跨過(guò)度下?lián)蠁?wèn)題，UHPC 箱梁橋宜考慮采用預(yù)制節(jié)段法施工，以方便UHPC箱梁的養(yǎng)護(hù)，保證施工質(zhì)量和加快施工速度.

2.3 基本受力性能與工作基礎(chǔ)

自2012年以來(lái)，項(xiàng)目組對(duì)針對(duì)新型裝配式UHPC箱梁結(jié)構(gòu)開(kāi)展了一系列試驗(yàn)研究，包括UHPC徐變特性、頂板局部受力性能、扭轉(zhuǎn)畸變性能、剪力滯、接縫構(gòu)型、腹板抗剪性能等方面，如圖4所示.通過(guò)試驗(yàn)，掌握了UHPC薄壁箱梁在不同荷載模式下的基本受力性能，驗(yàn)證了本技術(shù)的可行性：

(1)UHPC梁徐變變形僅為常規(guī)混凝土梁的20%；

(2)密集橫隔板UHPC箱梁通過(guò)高性能材料的應(yīng)用和對(duì)橋面支承體系的改變，擴(kuò)展了橋面板線彈性工作區(qū)間，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)5.5倍設(shè)計(jì)車輪局部荷載作用下橋面板仍處于線彈性受力階段，具有較高的抗超載能力；

(3)不同隔板間距的1∶5縮尺UHPC箱梁模型的偏心扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)表明，相比隔板間距為1.07 m的UHPC箱梁，隔板間距為0.8 m時(shí)UHPC箱梁最大扭轉(zhuǎn)畸變應(yīng)力可降低30%以上；

(4)UHPC箱梁抗剪試驗(yàn)結(jié)果表明UHPC腹板剪切抗裂強(qiáng)度約為8 MPa，而主跨400 m的UHPC連續(xù)箱梁橋腹板(壁厚30 cm)的最大主拉應(yīng)力約4.5 MPa，抗裂安全度為1.8.

圖4 裝配式UHPC箱梁試驗(yàn)Fig.4 Experimental tests of assembled UHPC box girder

目前裝配式UHPC箱梁結(jié)構(gòu)擬應(yīng)用于兩座實(shí)橋：(1) 英德市S292線延長(zhǎng)線一級(jí)公路新建工程北江四橋，為單跨102 m的UHPC簡(jiǎn)支箱梁橋；(2)擬應(yīng)用于廣東省清遠(yuǎn)西部一級(jí)公路工程大有互通立交省道S114跨線主橋，為30+50+30 m UHPC連續(xù)箱梁橋.基于擬應(yīng)用工程，項(xiàng)目組編制了專用技術(shù)規(guī)程，作為設(shè)計(jì)、施工的受控文件.

2.4 適用條件與顯著效果

傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋自重大，且普遍存在主梁下?lián)?、開(kāi)裂等問(wèn)題，限制了跨徑的進(jìn)一步提高，并影響了橋梁的使用性能，且懸臂澆筑施工周期較長(zhǎng).項(xiàng)目組研發(fā)了裝配式UHPC箱梁結(jié)構(gòu)，適用于60～500 m的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋.若將該新型橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大跨徑連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋，具有以下顯著效果：

(1)UHPC箱梁橋繼承了常規(guī)混凝土箱梁橋的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)點(diǎn)，研究表明，UHPC箱梁橋在60～500 m范圍內(nèi)將對(duì)其它橋梁方案形成有力競(jìng)爭(zhēng)；

(2)得益于UHPC優(yōu)異的力學(xué)性能，UHPC箱梁橋能夠同時(shí)避免梁體開(kāi)裂、下?lián)系瘸Ｒ?jiàn)病害，提高了耐久性.

(3)采用節(jié)段預(yù)制拼裝施工方法，UHPC箱梁橋可實(shí)現(xiàn)快速化施工，節(jié)省施工周期.

3 全預(yù)制UHPC “π” 形梁研發(fā)

3.1 研發(fā)背景

混凝土空心板和T梁橋具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、造價(jià)低廉、架設(shè)方便等優(yōu)勢(shì)，因而在我國(guó)既有公路中小跨徑橋梁中應(yīng)用廣泛.空心板主要用于20 m跨徑以內(nèi)和橋下凈空受限等情況，T梁主要用于20～ 40 m跨徑范圍內(nèi).但多年的工程實(shí)踐表明，空心板鉸縫易損壞導(dǎo)致單板受力，T梁橋在運(yùn)營(yíng)期橫隔板易損壞、翼緣板縱向接縫易開(kāi)裂、滲漏[14-15].裝配化施工過(guò)程中，濕接縫鋼筋需焊接，增加了現(xiàn)場(chǎng)工作量.此外，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土空心板和T梁，由于存在預(yù)應(yīng)力反拱問(wèn)題，需設(shè)置澆筑橋面調(diào)平層，也增大了現(xiàn)場(chǎng)澆筑量.

3.2 研發(fā)理念及技術(shù)要點(diǎn)

針對(duì)上述混凝土空心板和T梁的不足之處，項(xiàng)目組利用UHPC優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，提出了一種輕質(zhì)、耐久、施工便利、可適應(yīng)嚴(yán)苛凈空的全預(yù)制UHPC“π”形梁[16]，如圖5所示.

圖5 全預(yù)制UHPC“π”形梁Fig.5 Fully fabricated UHPC π-shaped girder

具體分析，其技術(shù)要點(diǎn)包括：

(1)結(jié)構(gòu)輕型化：利用UHPC輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，減小結(jié)構(gòu)板件尺寸，梁體高跨比可降至1/20，大幅減輕結(jié)構(gòu)自重，自重一般約為普通混凝土T梁的40%～60%；

(2)采用π形預(yù)制單元：通過(guò)兩片T梁整體預(yù)制形成“π”形預(yù)制單元，減少梁間縱向接縫數(shù)量，同時(shí)“π”形斷面可增強(qiáng)施工過(guò)程穩(wěn)定性，避免施工過(guò)程中梁體的傾覆，并將單榀“π”梁預(yù)制寬度控制在3 m左右，30 m跨徑吊裝重量約70 t，便于公路運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)吊裝；

(3)強(qiáng)化縱向接縫構(gòu)造：對(duì)于UHPC材料，接縫處纖維不連續(xù)，為受力薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化處理，采用局部加高的“T”形接縫(圖 6)可達(dá)到節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高于母材的設(shè)計(jì)要求.同時(shí)利用UHPC與鋼筋良好的粘結(jié)性能，可將鋼筋錨固長(zhǎng)度降低至10 d以內(nèi)，簡(jiǎn)化濕接縫鋼筋構(gòu)造，避免焊接，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量；

圖6 局部加高“T”性接縫構(gòu)造Fig.6 Locally elevated T joint

(4)采用斷續(xù)分布橫隔板構(gòu)型：為加強(qiáng)梁體的橫向受力整體性，在“π”形預(yù)制單元內(nèi)跨中、四分點(diǎn)等位置設(shè)置橫隔板，通過(guò)調(diào)整相鄰“π”形預(yù)制單元的間距和強(qiáng)化縱向接縫構(gòu)造等措施，可取消“π”形預(yù)制單元之間的跨中、四分點(diǎn)等位置橫隔板，形成斷續(xù)分布橫隔板構(gòu)型；與此同時(shí)，取消“π”形預(yù)制單元間橫隔板，可簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)模板搭設(shè)，便于快速化施工；

(5)取消預(yù)應(yīng)力筋：利用UHPC高韌性和高抗裂性能，40 m跨徑內(nèi)可取消預(yù)應(yīng)力筋，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)施工程序；同時(shí)，由于取消預(yù)應(yīng)力筋，梁體反拱不一致的問(wèn)題得到解決，進(jìn)而可取消橋面調(diào)平層，減少現(xiàn)場(chǎng)澆筑量，提高結(jié)構(gòu)裝配化水平.

3.3 基本受力性能與工作基礎(chǔ)

為了解全預(yù)制UHPC“π”形梁的受力性能，項(xiàng)目組開(kāi)展了1:2縮尺抗彎、剪性能試驗(yàn)(圖 7)、UHPC橋面板濕接縫試驗(yàn)(圖 8)，試驗(yàn)結(jié)果表明驗(yàn)證了方案的安全性和可行性：

(1)UHPC梁抗彎、抗剪試驗(yàn)表明UHPC“π”形梁彎拉應(yīng)力的抗裂安全度為1.63，主拉應(yīng)力的抗裂安全度為1.09；

(2)局部加高的強(qiáng)化濕接縫構(gòu)造初裂點(diǎn)和最終的破壞截面均位于預(yù)制UHPC板處，避免了UHPC濕接縫處鋼纖維不連續(xù)的不利影響，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高于母板.

此外，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組研究并掌握了全預(yù)制UHPC “π” 形梁抗彎、抗剪承載能力和裂縫寬度計(jì)算方法，為全預(yù)制UHPC “π” 形梁的應(yīng)用和推廣提供了理論基礎(chǔ).

圖7 預(yù)制UHCP“π”形梁縮尺模型試驗(yàn)Fig.7 Scale model test of precast UHPC π-shape beam

圖8 UHPC橋面板濕接縫試驗(yàn)Fig.8 Experimental tests of wet joint in UHPC slab

3.4 適用條件與顯著效果

傳統(tǒng)混凝土空心板和T梁橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程中橫向連接易破損，導(dǎo)致單板(梁)受力，易出現(xiàn)滲漏等病害，裝配化施工過(guò)程中濕接縫鋼筋焊接量大，且需澆筑橋面調(diào)平層，影響結(jié)構(gòu)的快速化施工.項(xiàng)目組研發(fā)了全預(yù)制UHPC“π” 形梁結(jié)構(gòu)，適用于10～50 m的簡(jiǎn)支梁與連續(xù)梁.若將該新型橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于替代空心板和T梁，具有以下顯著效果：

(1)與同等跨徑的混凝土空心板和T梁橋相比，UHPC “π” 形梁自重可減輕40%～60%，便于整體化運(yùn)輸和快速化架設(shè)；

(2)利用UHPC優(yōu)異的力學(xué)性能，強(qiáng)化連接節(jié)點(diǎn)受力性能，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高于母材，完全規(guī)避節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂、滲漏的風(fēng)險(xiǎn)；

(3)由于UHPC優(yōu)異的性能，UHPC中鋼筋錨固長(zhǎng)度可減至10 d以內(nèi)、40 m跨徑內(nèi)UHPC梁可取消預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)零焊接和取消現(xiàn)澆橋面調(diào)平層，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的快速化施工；

(4)梁體高跨比可降低至1/20，UHPC “π”形可適用于橋梁凈空受限的情況.

4 全預(yù)制鋼-UHPC組合“π”梁研發(fā)

4.1 研發(fā)背景

鋼-混凝土組合梁一般而言可充分利用鋼材受拉的性能、混凝土受壓的性能，具有較好的經(jīng)濟(jì)性能.但在負(fù)彎矩區(qū)域會(huì)產(chǎn)生混凝土受拉，鋼梁受壓的不利情況.正常使用階段，混凝土橋面板易開(kāi)裂，降低組合梁剛度，影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[17].對(duì)于施工性能而言，裝配式鋼-混凝土組合梁中，橋面板為部分預(yù)制，澆筑橋面板接縫工作量大，現(xiàn)場(chǎng)施工工作量大.這些問(wèn)題都給這類結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用造成了一定的困擾.

4.2 研發(fā)理念及技術(shù)要點(diǎn)

針對(duì)組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土易開(kāi)裂和現(xiàn)澆濕接縫量大的難點(diǎn)，項(xiàng)目組提出一種鋼-UHPC輕型組合“π”梁[18]，其構(gòu)造如圖9所示，這類結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是用UHPC橋面薄板代替原鋼-混凝土組合梁中的混凝土橋面板.

圖9 全預(yù)制鋼-UHPC輕型組合“π”形梁Fig.9 Fully fabricated steel-UHPC lightweight π-shaped composite girder

具體分析，其技術(shù)要點(diǎn)包括：

(1)結(jié)構(gòu)輕型化：利用UHPC輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)，可將UHPC橋面板厚度降低至12～20 cm，進(jìn)而可降低組合梁自重30%～40%；

(2)組合梁一次成型：鋼主梁和UHPC橋面板均在廠內(nèi)預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)僅需澆筑UHPC板和相鄰跨間的接縫，組合梁整體受力，可節(jié)省用鋼量，梁體高跨比可降至1/25，適用于凈空受限情況，并大大減少了現(xiàn)場(chǎng)濕接縫澆筑量；

(3)采用“π”性預(yù)制單元：由兩片工字形組合梁整體預(yù)制形成“π”形預(yù)制單元，大幅減少縱向接縫數(shù)量，同時(shí)“π”形斷面可增強(qiáng)施工過(guò)程穩(wěn)定性，避免施工過(guò)程中梁體的傾覆，并將單榀“π”梁預(yù)制寬度控制在3 m左右，30 m跨徑吊裝重量約45 t，便于公路運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)吊裝；

(4)強(qiáng)化縱、橫向接縫構(gòu)造：縱向接縫構(gòu)造與3.2節(jié)所述全預(yù)制UHPC“π”形梁一致，墩頂負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆接縫采用如圖 10所示的帶嵌入式鋼板的“T”形接縫方案，提高負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆接縫抗裂安全性；

(5)采用斷續(xù)分布橫隔板構(gòu)型：為加強(qiáng)梁體的橫向受力整體性，在“π”形預(yù)制單元內(nèi)跨中、四分點(diǎn)等位置設(shè)置鋼橫隔板或橫梁，通過(guò)調(diào)整相鄰“π”形預(yù)制單元的間距和強(qiáng)化縱向接縫構(gòu)造等措施，可取消“π”形預(yù)制單元之間的跨中、四分點(diǎn)等位置鋼橫隔板或橫梁，形成斷續(xù)分布橫隔板構(gòu)型；與此同時(shí)，取消“π”形預(yù)制單元間橫隔板，可簡(jiǎn)化鋼橫梁的連接施工.

圖10 鋼-UHPC組合梁負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆接縫構(gòu)造Fig.10 Steel-UHPC composite girder connectionat negative moment region

4.3 基本受力性能與工作基礎(chǔ)

為了深入了解鋼-UHPC組合梁負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆濕接縫受力性能，項(xiàng)目組開(kāi)展了1∶2縮尺模型試驗(yàn)(圖 11)，試驗(yàn)結(jié)果表明負(fù)彎矩區(qū)UHPC接縫名義開(kāi)裂應(yīng)力超過(guò)30 MPa，驗(yàn)證了接縫方案的安全性和可行性.與此同時(shí)，還開(kāi)展了鋼-UHPC組合梁彎、剪試驗(yàn)、橋面板縱向抗剪試驗(yàn)、界面靜力與疲勞推出試驗(yàn)、長(zhǎng)期收縮徐變?cè)囼?yàn)和鋼-UHPC組合梁設(shè)計(jì)方法研究工作.

4.4 適用條件與顯著效果

傳統(tǒng)鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)域混凝土橋面板易開(kāi)裂，降低組合梁剛度，影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性.裝配化施工過(guò)程中，裝配式鋼-混凝土組合梁中，橋面板為部分預(yù)制，澆筑橋面板接縫工作量大，現(xiàn)場(chǎng)施工工作量大.項(xiàng)目組研發(fā)了全預(yù)制鋼-UHPC“π” 形梁結(jié)構(gòu)，適用于20～100 m的鋼混組合梁.若將該新型橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于替代傳統(tǒng)鋼-混凝土組合梁，具有以下顯著效果：

(1)將與同等跨徑的鋼-混凝土組合梁相比，鋼-UHPC “π” 形梁自重可減輕30%～40%，便于運(yùn)輸和吊裝；

圖11 鋼-UHPC組合“π”形梁墩頂負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆接縫模型試驗(yàn)Fig.11 Test of steel-UHPC composite girderconnection at negative moment region

(2)利用UHPC優(yōu)異的力學(xué)性能，強(qiáng)化橋面板和墩頂負(fù)彎矩區(qū)連接節(jié)點(diǎn)受力性能，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高于母材，完全規(guī)避節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂、滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，解決組合梁負(fù)彎矩區(qū)易開(kāi)裂的難題；

(3)由于UHPC優(yōu)異的性能，UHPC中鋼筋錨固長(zhǎng)度可減至10 d以內(nèi)，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)零焊接，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的快速化施工；

(4)梁體高跨比可降低至1/25，鋼-UHPC “π”形組合梁可適用于橋梁凈空受限的情況.

5 結(jié)論

UHPC是一種具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性的水泥基復(fù)合材料，被認(rèn)為是20世紀(jì)最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料之一.UHPC的引入，將有望給傳統(tǒng)裝配式中小跨徑橋梁技術(shù)帶來(lái)革命性的變化，實(shí)現(xiàn)裝配式橋梁的高性能化：

(1)等強(qiáng)度承載條件下，自重可降為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的40%～60%，以方便運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)大構(gòu)件快速化架設(shè)；

(2)因UHPC中鋼筋錨固長(zhǎng)度僅需10倍的鋼筋直徑，現(xiàn)場(chǎng)各梁間結(jié)合部可大幅度縮小，并可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)零焊接；

(3)結(jié)構(gòu)抗腐蝕、抗凍、防滲漏性能優(yōu)良，基本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)免維護(hù)；

裝配式中小跨徑橋梁中引入高性能材料UHPC實(shí)現(xiàn)高性能化，有望基本解決現(xiàn)有裝配式橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)高施工性能、結(jié)構(gòu)高使用性能、結(jié)構(gòu)高耐久性能的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，結(jié)束我國(guó)傳統(tǒng)“粗放”式的高勞動(dòng)強(qiáng)度、高能耗建造模式，符合目前國(guó)家大力發(fā)展裝配式建筑政策導(dǎo)向和大力推進(jìn)建設(shè)領(lǐng)域“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”的總體目標(biāo)，是提升我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)品質(zhì)的重要途徑.