UHPC華夫板在橋面鋪裝更換中的應用研究

李強興 楊小森 劉宏 吳彥平

（1 甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030；2 甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術研究院有限公司，甘肅 蘭州 730203）

0 引言

橋面鋪裝層是橋梁隔離橋面有害物質侵蝕主梁的第一道屏障，橋面鋪裝破損后，主梁直接遭腐蝕，常見主梁病害為主梁鋼筋銹蝕、混凝土脹裂。橋面鋪裝破損后影響橋面平整度，加速了橋梁橫向連接及其他構造物的破壞。舊橋改造維修對交通影響較大，因此，對現(xiàn)有預制拼裝橋梁進行橋面鋪裝改造，可以從減小后澆接縫數(shù)量、增加接縫承載能力和改善橋面鋪裝結構形式考慮，加快橋梁建設速度，降低工程總造價，最大程度地減少對既有交通的不利影響[1][2]。超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是一種新型纖維增強水泥基復合材料，與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC具有強度高、耐久性好等一系列優(yōu)點[3]，可以解決傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋面鋪裝開裂破損、工藝復雜、質量難以保證及耐久性差等問題。本文以橋寬為12m多主梁橋用UHPC華夫板更換橋面鋪裝為背景，對施工過程中板間縱橫向接縫主要工藝進行總結，并對設計過程中結構相關設計參數(shù)進行對比研究。

1 華夫板及橋梁構造

活載作用（如圖1）[4]。橋梁上部結構為多主梁工字梁或預應力混凝土I型梁，主梁橫橋向中心間距為2.5m，華夫板外懸臂1m；橫橋向橋面布置兩塊華夫板，縱橋向根據(jù)橋梁主跨長度進行布置，縱縫、橫縫及剪力槽通過現(xiàn)澆UHPC高強性能混凝土進行連接（如圖2）。

圖1 UHPC華夫板縱橫梁肋示意圖

2 華夫板設計參數(shù)研究

UHPC華夫板是由頂板與縱向和橫向梁肋構成的整體板，橫梁可等效為T梁將活載分配到鄰近主梁，縱肋起著將活載分配給鄰近板的作用，縱肋和橫肋內設置鋼筋以抵抗

華夫板在受到移動荷載作用時，首先由頂板將荷載分布于縱向和橫向梁肋，通過橫肋將荷載作用傳遞到相鄰主梁，通過縱肋梁荷載傳遞到相鄰華夫板上。因此，本節(jié)采用ansys建立有限元模型對頂板厚度、梁肋的梁高、鋼筋直徑及縱向和橫向梁肋數(shù)量對結構力性能的影響進行對比研究分析，華夫板的設計提供相應理論借鑒。UHPC用solid45單元模擬，彈性模量取44.5GPa，泊松比為0.2，容重取2.6，鋼筋用link8單元模擬，彈性模量取200GPa，泊松比取0.3，屈服強度為400MPa。荷載取公路-Ⅰ級車輛荷載中軸重為140kN的單輪，通過面荷載進行加載。主梁與華夫板之間采用面約束進行模擬。

圖2 UHPC華夫板平面布置示意圖

圖3 UHPC華夫板平面布置示意圖

2.1 頂板厚度和梁肋高度

橋面鋪裝更換中，鋪裝厚度在原橋設計中已確定，在更換維修過程中華夫板總厚度受到限制，通過查閱相關資料，原橋面鋪裝與瀝青面層總厚度范圍多數(shù)為20～25cm，這里取華夫板總厚度為20cm。華夫板頂板厚度與梁肋間剪力、頂板處加強鋼筋保護層厚度和后期磨耗有關。通過計算，華夫板頂板取58mm可以滿足活載剪力要求，此處取最小值60mm，以10mm增量建立4個模型，鋼筋均采用C20鋼筋，縱橫梁肋數(shù)量取5條。

圖4 頂板厚度變化引起力學性能變化

通過對比可以看出，隨著頂板厚度的增加，最大應力、最小應力及最大撓度基本呈直線減小，三種力學指標減小幅度基本平行。

2.2 鋼筋直徑

鋼筋直徑從C16以2mm增量變化到C22，華夫板頂板厚度取60mm，縱橫肋高度取140mm，縱橫肋數(shù)量為5條，建立四個模型。

圖5 鋼筋直徑變化引起力學性能變化

通過對比可以看出，隨著鋼筋直徑的增加，最大應力、最小應力及最大撓度基本呈直線減小。

2.3 橫肋數(shù)量

圖1所示的一塊華夫板橫肋數(shù)量為5條，本節(jié)通過變化華夫板橫肋數(shù)量來研究橫肋數(shù)量變化對華夫板受力性能的影響，華夫板橫肋數(shù)量由2條增加到5條，華夫板頂板厚度取60mm，縱橫肋高度取140mm，鋼筋均采用C20鋼筋，建立四個模型。

圖6 橫肋數(shù)量變化引起力學性能變化

圖7 橫肋數(shù)量變化引起力學性能變化幅度

通過對比可以看出，當橫肋增加到4肋時，最大應力和最大撓度變化幅度較大，特別是橫肋數(shù)量從3條增加到4條時變化較明顯。

2.4 縱肋數(shù)量

圖1所示的一塊華夫板縱肋數(shù)量為5條，本節(jié)通過變化華夫板縱肋數(shù)量來研究縱肋數(shù)量變化對華夫板受力性能的影響，華夫板縱肋數(shù)量由2條增加到5條，華夫板頂板厚度取60mm，縱橫肋高度取14mm，鋼筋均采用C20鋼筋，建立四個模型。

圖8 縱肋數(shù)量變化引起力學性能變化

從圖中可以看出，縱肋增加對最大應力、最小應力及最大撓度的影響副度較平緩。

2.5 相同指標變化對比

從上面所示數(shù)據(jù)可以看出華夫板在荷載作用下壓應力較小，且UHPC抗壓強度較高，所以本節(jié)指標對比中不考慮壓應力，只對比最大拉應力及撓度變化；頂板及鋼筋直徑變化對華夫板最大拉應力及撓度變化影響幅度不大，所以重點研究橫肋和縱肋變化對華夫板最大拉應力及撓度的影響。

圖9 縱橫肋數(shù)量變化引起最大應力變化

圖10 縱橫肋數(shù)量變化引起最大撓度變化

可看出，橫肋數(shù)量增加對最大應力及撓度影響較大，當橫肋數(shù)量增加兩條時，華夫板最大拉應力明顯下降，橫肋繼續(xù)增加時，華夫板最大拉應力趨于穩(wěn)定；縱肋數(shù)量變化對最大應力變化影響較平緩且趨于平行。

3 華夫板施工要點

板與板之間以及板與梁之間的連接質量影響著橋面更換以后結構的整體質量，因此，預制板制造精度要求較現(xiàn)澆混凝土板大幅上升。UHPC華夫板間采用濕接縫，通過現(xiàn)澆UHPC和連接處鋼筋以達到剛性聯(lián)結的目的。

3.1 板與板之間接縫

為提高橋面板抗拉和抗剪能力，防止橋面接縫在后期運營中開裂，接縫處可設計搭接鋼筋并沿接縫長度方向布置通長鋼筋，華夫板在預制時應預留鋼筋銷接頭，保證板與濕接縫符合等強度原則，以保持橋面板鋼筋連續(xù)性和橋面板間的連接剛度。常見的構造形式有搭接直鋼筋連接（如圖11）、搭接環(huán)箍鋼筋（如圖12）和其他形式等。為保證鋼筋所需搭接長度，采用直筋搭接的接縫寬度通常要大于環(huán)箍搭接接縫寬度；UHPC本身具有較好的現(xiàn)場施工性能，保證接縫的施工質量，克服了傳統(tǒng)接縫在后期運營中相對薄弱而破壞的缺點。

圖11 搭接直鋼筋連接

圖12 搭接環(huán)箍鋼筋連接

3.2 板與梁之間連接

圖13 中主梁與板間連接

圖14 邊主梁與板間連接

板與梁之間的連接主要有兩種類型，一種是中主梁與華夫板之間的連接（如圖13），橋梁同一橫斷面上，兩塊華夫板在中主梁上進行對接，此對接接縫不僅是板與板之間的接縫，也是板與梁之間的連接。兩板對接處鋼筋形式與板與板之間類似，這里不再贅述；，板與梁之間連接是通過從主梁中預埋或植入的剪力筋與橋面板連接。另一種是邊主梁與華夫板之間的連接（如圖14），由于栓釘剪力連接安裝方便，力學性能較好，其設計理論和施工方法較為成熟，華夫板與邊梁和次邊梁之間的連接一般采用栓釘連接，常見的栓釘連接有均布栓釘和集束栓釘，國外和國內學者大量研究表明，群釘式栓釘能夠滿足橋面板與主梁抗剪要求。考慮到安裝的時效及結構形式簡單化，華夫板設計時宜采用集束栓釘，在華夫板預制時設置剪力槽方便后期安裝剪力釘。

4 結論與展望

1）頂板厚度和鋼筋直徑變化對UHPC華夫板受力性能影響幅度較平緩，特別是當橋面厚度一定時，增加頂板厚度會大幅增加結構自重和成本，因此，在設計過程中頂板厚度能滿足橋面板抗剪即可。

2）橫肋數(shù)量對UHPC華夫板受力性能影響較大，對于常見主梁間距為2.5m左右的多主梁橋，當橫肋數(shù)量由3條增加到4條時（橫肋間距約773cm），華夫板最大應力減小幅度達到30%，繼續(xù)增加橫肋數(shù)量時，最大應力變化不大；橫肋數(shù)量由2條增加到3條時（橫肋間距1140cm），華夫板最大撓度減小幅度達到42%，繼續(xù)增加橫肋數(shù)量時，最大撓度變化不大；而縱肋數(shù)量增加時，華夫板最大應力及撓度變化較平緩且變化幅度趨于平行。

展望未來，現(xiàn)在較多基建期建設的橋梁正處于養(yǎng)護和大修的階段，重大交通壓力和多元化的移動荷載對結構的強度、剛度和耐久性提出了更高的要求，而工廠化、高性能化和模數(shù)化將成為解決以上問題的重要途徑。