超高性能混凝土橋面板的應(yīng)用分析

（石家莊市交建高速公路建設(shè)管理有限公司石衡分公司，河北 石家莊 050000）

一、引言

眾所周知，公路橋梁結(jié)構(gòu)物的自重占全部設(shè)計(jì)荷載的很大一部分，且橋梁跨度越大，自重所占比例越高。對(duì)于需要經(jīng)常開(kāi)合的跨河活動(dòng)橋，在橋梁結(jié)構(gòu)物自重方面有著更為嚴(yán)格的要求，因此一般設(shè)計(jì)成開(kāi)口式格構(gòu)鋼橋面。就目前的應(yīng)用來(lái)看，鋼橋面板表現(xiàn)出抗滑力小、耐久性差、維修造價(jià)高、振動(dòng)幅度強(qiáng)、噪聲大等缺陷，亟需探索一種新材料、新工藝、新體系的橋面板。

超高性能混凝土在解決噪聲大、舒適性差、抗滑力小等方面具有極大的潛能，且后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也大大低于鋼橋面，但關(guān)鍵在于解決重量問(wèn)題。多年來(lái)，業(yè)內(nèi)專家提出了許多新材料的替代方案，如將纖維增強(qiáng)聚合物、鋁合金、超高性能混凝土等材料做成橋面板。但有的材料重量很大，無(wú)法很好地應(yīng)用于橋梁建設(shè)中。

二、超高性能混凝土橋面板的構(gòu)造

超高性能混凝土是由高強(qiáng)度水泥基材料和鋼纖維組合成的復(fù)合材料，也是一種新型建筑材料。與常規(guī)水泥混凝土相比，它具有高強(qiáng)度和高耐久性。其抗壓強(qiáng)度是常規(guī)水泥混凝土的4～8倍，摩擦力是常規(guī)水泥混凝土的8倍以上；其抗拉強(qiáng)度為6.2Mpa～11.7Mpa，抗壓強(qiáng)度為150Mpa。在標(biāo)準(zhǔn)抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)到34.5Mpa～49.7Mpa。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，將超高性能混凝土構(gòu)件浸入900℃的水中養(yǎng)生48小時(shí)后，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量將大大提高，長(zhǎng)期收縮將得到消除。目前，澳大利亞、日本、新西蘭、韓國(guó)及一些歐美國(guó)家已經(jīng)將超高性能混凝土用于公路橋、人行橋梁施工中，但用其替代鋼橋面時(shí)，自重太大的劣勢(shì)仍然存在。

本文介紹了一種截面小、重量輕的超高性能混凝土橋面板，其截面和配筋均按現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算。這種橋面板是一種具有主肋和次肋的格構(gòu)薄板，橋面板總厚127mm；主肋高（包括翼緣板）127mm，間距300mm；次肋高76mm，間距406mm，與主肋澆成一體，形成格構(gòu)板；頂板兼做主肋、次肋的翼緣板，厚度為32mm。這種橋面板的重量?jī)H有1.2KN/m2，與鋼橋面重量相當(dāng)。

超高性能混凝土的組分包括：水泥、硅灰、石英粉、砂、超級(jí)塑化劑、鋼纖維，鋼纖維的體積比為0.2%，直徑為0.2mm，長(zhǎng)度為13mm。主肋的下緣配一根φ22鋼筋，上緣配三根φ10鋼筋；次肋僅下緣配一根φ13的鋼筋，上下保護(hù)層均為13mm。鋼筋的屈服強(qiáng)度為690Mpa，屈服應(yīng)變?yōu)?.004，彈性模量為20萬(wàn)Mpa。這種高強(qiáng)度鋼筋沒(méi)有屈服臺(tái)階，屈服強(qiáng)度按殘余變形0.2%測(cè)得。

這種橋面板采用預(yù)制組裝施工，相鄰橋面板之間、橋面板與梁之間均采用特殊的連接構(gòu)造。以下討論這些連接構(gòu)造對(duì)橋梁荷載橫向分布及疲勞荷載的影響。

（一）橋面板與主梁的連接

預(yù)制的橋面板搭設(shè)在鋼主梁頂端的雙肩上，中間留一處矩形后澆槽。在該槽內(nèi)的主梁頂板上焊接一個(gè)直徑12.7mm、長(zhǎng)102mm的栓釘，并將栓釘埋入后澆的超高性能混凝土中。栓釘沿主梁頂板均勻布置，間距為300mm，屈服強(qiáng)度為350Mpa，極限強(qiáng)度為448Mpa，主要是為了避免橋面板在汽車制動(dòng)力和水平風(fēng)力作用下發(fā)生滑移。矩形后澆槽寬51mm、長(zhǎng)76mm、深127mm，用超高性能混凝土填滿。

需要注意的是，栓釘除了抵御水平剪力外，還要經(jīng)得起風(fēng)力的向上分力，確保在風(fēng)力作用下不會(huì)出現(xiàn)上浮。因此，可在栓釘頂部戴上“釘帽”，以避免出現(xiàn)浮起現(xiàn)象。

（二）相鄰橋面板間的連接

相鄰橋面板間的連接非常重要，它是橋面板間傳遞車輪荷載的關(guān)鍵。如果連接遭到破壞，可能會(huì)導(dǎo)致橋面板產(chǎn)生變形，甚至出現(xiàn)斷裂或磨耗層分離。因此，在預(yù)制過(guò)程中，橋面板側(cè)面應(yīng)設(shè)置混凝土舌榫和相對(duì)應(yīng)的凹槽。橋面板總厚度127mm，伸出的舌榫呈梯形，端部高51mm，根部高77mm，伸出長(zhǎng)度51mm。相鄰橋面板的凹槽尺寸應(yīng)和舌榫相契合，盡量做到密切接觸，必要時(shí)可在縫隙內(nèi)灌入環(huán)氧樹(shù)脂，做成無(wú)縫連接。

（三）荷載的橫向分布

橋面板除了在橫橋方向設(shè)置跨越主梁的主肋外，還在順橋方向設(shè)置了幾條次肋，次肋和主肋澆筑在一起形成格構(gòu)結(jié)構(gòu)。車輪荷載如何向下傳遞，則需要通過(guò)加載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察測(cè)量，可以將荷載布置在不同位置，求得各肋的分布系數(shù)。分布系數(shù)按下式計(jì)算：

DFi為某肋的荷載分布系數(shù)，△i為該肋的撓度，Σ△i為各肋的撓度總和，橋面板在此階段處于彈性范圍內(nèi)方可應(yīng)用這一公式。觀測(cè)結(jié)果表明，車輪荷載被很好地分配給幾條肋，避免了某一條肋單獨(dú)負(fù)擔(dān)過(guò)大的荷載。這就意味著，橋面板的斷面還有潛力可挖，還可以進(jìn)一步優(yōu)化，降低橋面板的總重量。

相鄰橋面板間設(shè)置了舌榫和凹槽連接進(jìn)行荷載傳遞。當(dāng)荷載加在凹槽一側(cè)時(shí)，舌榫一側(cè)的橋面板承受的荷載有所減少，比對(duì)側(cè)減少了6%，這意味著相鄰橋面板間的連接結(jié)構(gòu)并未把所有荷載都傳遞過(guò)來(lái)。因此要采取相應(yīng)的措施，如在預(yù)制橋面板時(shí)，相鄰橋面板需進(jìn)行匹配澆筑，確保嚴(yán)絲合縫；還可以在橋面板間的接觸面涂刷環(huán)氧樹(shù)脂。

（四）疲勞性能和剩余強(qiáng)度

為評(píng)價(jià)這種預(yù)制、組裝的橋面板的疲勞性能和剩余強(qiáng)度，本文進(jìn)行了疲勞實(shí)驗(yàn)，主要是為了驗(yàn)證橋面板之間、橋面板與梁之間連接構(gòu)造的可靠性。

本次疲勞實(shí)驗(yàn)采用了大比例尺試件，設(shè)置成兩跨連續(xù)梁，尺寸為2×1220mm。橫橋向由兩塊橋面板組成，全寬762mm，橋面板總厚127mm。在帶有凹槽的一側(cè)橋面板上通過(guò)加載鋼板墊施加荷載，荷載幅度從2.2KN～71.2KN，頻率為4Hz，橋面板經(jīng)受了200萬(wàn)次循環(huán)荷載，連續(xù)時(shí)間為6天。施加荷載過(guò)程中，每循環(huán)1000次，記錄一次荷載、撓度、應(yīng)變。在實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)后，要認(rèn)真觀測(cè)橋面板和連接處的裂縫情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，橋面板并未出現(xiàn)破壞性裂縫，一些小裂縫是由環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)裂造成的。200萬(wàn)次循環(huán)荷載作用后，橋面板的最大撓度為L(zhǎng)/320，循環(huán)荷載產(chǎn)生的混凝土壓應(yīng)力為17.2Mpa～33.8Mpa，鋼筋拉應(yīng)力為38Mpa～115Mpa。

三、結(jié)語(yǔ)

本文提出的使用超高性能混凝土制成的橋面板，采用高強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)度鋼筋組建的結(jié)構(gòu)，能盡可能縮小截面、降低總重量。橋面板采用預(yù)制、安裝的辦法成橋，可以提高施工進(jìn)度，但出現(xiàn)了橋面板之間、橋面板與梁之間的連接問(wèn)題。為驗(yàn)證連接的可靠性及使用性能，評(píng)價(jià)連接結(jié)構(gòu)的疲勞性能和剩余強(qiáng)度，本文還進(jìn)行了加載實(shí)驗(yàn)和疲勞實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)證明，橋面板順橋向的各條肋間，較合理地分擔(dān)了車輪荷載，橋面上傳來(lái)的荷載由它正下方的肋和相鄰的肋共同分擔(dān)。在疲勞實(shí)驗(yàn)中，橋面板鋼筋和混凝土的剩余應(yīng)力，分別比設(shè)計(jì)值高出了47%和94%。在施加荷載時(shí)，橋面板出現(xiàn)了很大的撓度，表明了它有很好的延性，在破壞時(shí)能給出預(yù)警信號(hào)。鑒于此，筆者認(rèn)為，超高性能混凝土與高強(qiáng)度鋼筋的搭配，將會(huì)在未來(lái)的橋梁設(shè)中做出巨大的貢獻(xiàn)。