UHPC在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

賈勝利

(中鐵十八局集團有限公司,天津 300400)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，人民生活水平的不斷提高，城市化建設(shè)的步伐逐漸加快，我國的道路、橋梁等基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展非常迅猛，特別是最近十多年，我國的橋梁建設(shè)數(shù)量、質(zhì)量、規(guī)模等都是歷史上最輝煌時期。據(jù)統(tǒng)計，到2019年底，全國建成的橋梁已超過80萬座[1,2]。而制備橋梁用的混凝土憑借著成本低廉、耐久性好、取材便利等優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用。

目前，隨著人們對橋梁和公路質(zhì)量要求的不斷提高，尤其對跨海大橋、高鐵橋梁的質(zhì)量要求更加嚴(yán)格，耐久性要求也越來越高，使得過去采用的自重大、強度低和功能單一的普通混凝土已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在橋梁建設(shè)的需求[3]。同時，幾十年來大量的工程實踐表明，有些橋梁結(jié)構(gòu)存在無法解決的技術(shù)性問題，也會給橋梁結(jié)構(gòu)安全帶來諸多的隱患。因此，發(fā)展具有更高力學(xué)性能、更高耐久性的超高性能混凝土來替代常規(guī)的混凝土，以及采用UHPC制造新的橋梁結(jié)構(gòu)，將是今后發(fā)展的必然趨勢。

1 超高性能混凝土

超高性能混凝土(UHPC)是采用最大堆積密度理論設(shè)計的，利用水泥、石英砂(不使用粗骨料)、超高效減水劑(聚羧酸系)、硅灰和纖維(鋼纖維或復(fù)合有機纖維)制備的新型混凝土材料。UHPC制備時因膠凝材料用量大，水膠比低，且摻有增韌材料，從而使UHPC具有高強度、高韌性、高耐久等特性。隨著設(shè)計理論的完善、超高效減水劑(聚羧酸系)問世和配制技術(shù)的進步，UHPC已具備了普通混凝土的施工性能，甚至可以實現(xiàn)自密實，可以常溫養(yǎng)護，已經(jīng)具備了廣泛應(yīng)用的條件[4,5]。與普通混凝土和高性能混凝土相比，UHPC具有優(yōu)異的力學(xué)性能與耐久性能，見表1。

表1 UHPC、高性能混凝土、普通混凝土的主要力學(xué)和耐久性能指標(biāo)

表1給出了UHPC與高性能混凝土(HPC)、普通混凝土的主要力學(xué)和耐久性能指標(biāo)對比。從表1可以發(fā)現(xiàn)，UHPC的抗壓強度是普通混凝土的5倍以上，抗折強度則為普通混凝土的近10倍；同時，徐變系數(shù)僅是普通混凝土的30%，抗凍融性能和抗表面剝蝕性能更是具有顯著的優(yōu)勢。

2 UHPC在橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀

橋梁工程要求所有結(jié)構(gòu)材料輕質(zhì)高強、快速架設(shè)、經(jīng)久耐用，這使得UHPC材料在橋梁工程領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢與廣闊的應(yīng)用前景。目前，UHPC已開始應(yīng)用于各種橋梁工程中，包括主梁、拱圈、華夫板、橋梁接縫、舊橋加固等多方面[6]。據(jù)不完全統(tǒng)計，到2016年底，世界各國應(yīng)用UHPC材料的橋梁已超過400座[7]。

2.1 UHPC在國外橋梁中的應(yīng)用

法國是第一個將UHPC成功商業(yè)化的國家。他們的UHPC橋采用先張法預(yù)應(yīng)力UHPCΠ形梁組成。其中Π形梁間通過翼緣板現(xiàn)澆UHPC濕接縫連接。這座橋的自重只有傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的1/3。除接縫連接鋼筋和護欄、人行道板預(yù)埋鋼筋外，主梁未配置普通鋼筋。這座橋2001年建成，在11年后的2012年進行詳細的檢查評價，結(jié)果表明UHPC結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)任何裂縫，橋梁的運行狀況良好。這為如今UHPC在橋梁上的大量應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

德國將UHPC與鋼桁架組合成橋梁結(jié)構(gòu)，同時讓UHPC橋面板與桁架的上弦桿通過環(huán)氧樹脂膠連接，建成了世界上首座UHPC—鋼組合橋梁。這座橋梁，橋?qū)?.0 m，為人行和自行車兩用橋梁。

荷蘭在2013年建成了第一座UHPC桁架人行橋。當(dāng)時為了減少橋梁的制造成本，設(shè)計師將橋梁分為桁架預(yù)制單元和橋面板預(yù)制單元。通過膠接縫和后張預(yù)應(yīng)力張拉使桁架預(yù)制單元形成整體，在吊裝橋面板就位后通過螺栓連接與桁架預(yù)制單元形成一體。

美國在借鑒學(xué)習(xí)法國2001年建設(shè)UHPC橋梁的方法和經(jīng)驗后，設(shè)計了3種主梁為I形、T形和Π形的UHPC公路橋，并且UHPC主梁均未設(shè)置抗剪鋼筋，只利用UHPC自身的優(yōu)異的抗拉性能，從而大大簡化了鋼筋構(gòu)造。同時，美國針對自己國家北方氣候寒冷的特點，擔(dān)心因凍融環(huán)境引發(fā)橋梁的一系列問題，設(shè)計出了“井”字形雙向肋板UHPC橋面板，并用這種橋面板建設(shè)了一座橋。該橋的橋面板由14塊預(yù)制“華夫板”組成，各預(yù)制板之間通過UHPC接縫連接成連續(xù)板，預(yù)制板與主梁通過剪力槽和縱向濕接縫連接成整體。與承載同樣壓力的普通混凝土橋面板相比，UHPC“華夫板”橋面板自重可減少30%。

日本早在2002年設(shè)計了一款主梁截面形式為箱梁，采用預(yù)制拼裝法施工的UHPC人行橋。該橋的預(yù)制梁段間采用預(yù)應(yīng)力張拉拼接完成。這是日本首座采用UHPC建成的橋梁。在后來，日本總結(jié)自己的工程經(jīng)驗并參考法國的實例，完成了一座預(yù)應(yīng)力混凝土波形鋼腹板箱梁橋的頂推施工。該橋梁的下弦桿采用了UHPC材料，這也是世界首個將UHPC材料應(yīng)用于頂推橋建設(shè)的實例。

韓國的研究和工程人員以斜拉橋為主要應(yīng)用對象，修建了世界上第一座UHPC人行斜拉橋，并在后來修建了第一座UHPC公路斜拉橋。該公路斜拉橋為獨塔雙跨斜拉橋，主跨100 m，圓環(huán)形主塔高35 m，主梁采用UHPC雙主梁，橋面板厚15 cm。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的主梁在不損失承載能力的情況下，自重能減少30%。

馬來西亞在UHPC橋梁的建設(shè)中取得了非凡的成就。到2016年底，馬來西亞就已經(jīng)建成了約113座UHPC橋梁，累計應(yīng)用面積達到80 000 m2。這些橋梁主要包括四類UHPC主梁結(jié)構(gòu)：全UHPC-T梁型、UHPC-RC組合梁型、全UHPC箱梁型和全UHPC下承式槽形梁型。其中，UHPC—RC組合梁下緣受拉區(qū)采用UHPC U形或I形梁，上緣受壓區(qū)采用現(xiàn)澆RC橋面板，可以充分發(fā)揮材料的性能并可節(jié)省上部結(jié)構(gòu)造價。馬來西亞在2015年建成通車的Batu6橋是目前世界上單跨最大的全預(yù)制拼裝UHPC箱形梁公路橋，該橋的UHPC主梁僅重670 t。

2.2 UHPC在國內(nèi)橋梁中的應(yīng)用

在1990年，黃政宇、覃維祖等分別發(fā)表了關(guān)于UHPC的論文，成為中國最早一批研究UHPC的學(xué)者。此后，國內(nèi)的許多學(xué)者先后開展了有關(guān)UHPC材料性能與構(gòu)件力學(xué)性能的研究，并取得了一系列的研究成果。在2015年我國頒布了UHPC材料的國家標(biāo)準(zhǔn)，為UHPC的工程應(yīng)用及推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)已有超過30座橋梁使用了UHPC材料，其中有5座橋梁的主體結(jié)構(gòu)是UHPC材料，其余橋梁則主要將UHPC材料用于鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)、維修加固、現(xiàn)澆接縫等方面。

2006年，在遷曹鐵路工程中，利用UHPC修建了國內(nèi)第一座橋梁。該橋采用UHPC-T梁作為橋面板，一共使用了12片跨徑為20 m的梁。2011年，在肇慶馬房大橋中，首次將UHPC與鋼箱梁組合形成輕型組合橋面。橋面采用正交異性鋼面板，良好的解決了鋪裝層嚴(yán)重破損和鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的問題。到目前為止，國內(nèi)已有17座大橋采用了鋼-UHPC輕型組合橋面，涵蓋了梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等各類橋型。

3 UHPC在橋梁應(yīng)用中存在的問題與解決方案

3.1 UHPC在橋梁應(yīng)用中存在的問題

盡管UHPC這種新型混凝土結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異的抗拉性能、抗壓強度和耐久性，但其較低水膠比和高膠凝材料用量，使得UHPC仍然存在高成本、高能耗，并且具有較大收縮等明顯缺點，從而導(dǎo)致UHPC無法廣泛應(yīng)用于普通建筑的工程中，這也是UHPC在橋梁建設(shè)領(lǐng)域雖有發(fā)展，但遠遠無法普及和廣泛應(yīng)用的原因[8,9]。

表2是一個典型的橋面UHPC鋪裝層的配合比。從表2可知，UHPC的水膠比大約在0.21左右，遠低于普通混凝土0.5的水膠比。為了控制UHPC在凝結(jié)硬化過程中的收縮導(dǎo)致混凝土開裂，在微細粉摻合料中除摻有硅灰外，還摻有適量的膨脹劑和水泥增強劑。此外，每方混凝土中水泥的用量達到了800 kg ，而且鋼纖維的摻量也較大，這導(dǎo)致UHPC的制造成本不會太低。不過為了降低UHPC的制造價格，國內(nèi)已開始在UHPC材料組成中，采用粗骨料，如：可采用5～12 mm粒徑的玄武巖碎石，適當(dāng)降低水泥用量，但7 d強度只有120～130 MPa，冬、春季還需要蒸汽養(yǎng)護。

表2 UHPC橋面鋪裝層配合比

表3 UHPC橋面鋪裝層力學(xué)性能

表3是上面UHPC組成材料和配合比的力學(xué)性能結(jié)果。從表3可知，該UHPC的7 d抗壓強度就可以達到140 MPa以上，抗折強度也大于30 MPa；28 d抗壓強度和抗折強度分別達到170.4 MPa和35.7 MPa，其力學(xué)性能非常優(yōu)異。

UHPC橋梁的另一個難題是UHPC自身的收縮往往較大，進而會使橋梁引發(fā)開裂等一系列安全性問題。UHPC的收縮通常發(fā)生在兩個不同的階段:早期和后期。第一階段：澆注后24 h內(nèi)，這一階段為混凝土凝固并開始硬化的持續(xù)過程。第二階段:是指澆注后超過24 h的齡期。兩個階段的收縮主要包括自收縮、干燥收縮和溫度收縮，它們有重疊的結(jié)果，但機理不同。UHPC主要以自收縮為主，其自收縮量占總收縮的78.6%～90.0%，收縮范圍約為700～800 με，干燥收縮則較小，收縮范圍約為80～170 με。

圖1為普通混凝土和UHPC在收縮方面的對比分析模型圖。從圖1可以明顯看出，UHPC的自收縮在各個方向上都遠大于普通的混凝土。資料[10]的研究也表明，UHPC的收縮大小大約為普通混凝土的2.5倍左右。

3.2 UHPC在橋梁應(yīng)用中采用的方案

針對上文提到的UHPC在橋梁應(yīng)用中的兩大問題，以及UHPC自身存在的一些缺點，目前，主要采用下面的解決方法。

為了降低UHPC的使用成本，以及高能耗的問題，在滿足強度及耐久性等性能的前提下，一般采用在橋面上澆筑一層UHPC鋪裝層，以增加橋面的力學(xué)性能，再進行瀝青的鋪設(shè)；使用UHPC為核心的橋墩，其余部分還是采用普通混凝土的方案。在這樣的設(shè)計方案下，既能達到橋梁的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，又能適當(dāng)減少UHPC的使用量，以降低一定的成本。而對于跨海大橋、高質(zhì)量鐵軌大橋等大型橋梁的建造，則結(jié)合目前提出的正交異性鋼面板，合理采用不同的鋼-UHPC輕型組合結(jié)構(gòu)來替代構(gòu)造復(fù)雜的鋼-普混結(jié)合段及性能欠佳的輕質(zhì)混凝土。

UHPC的自收縮是UHPC在各個領(lǐng)域應(yīng)用時都需要面對的問題。目前認(rèn)為，養(yǎng)護制度對UHPC收縮發(fā)展影響較大，合適的養(yǎng)護制度有利于提高UHPC的強度和改善UHPC的收縮性能。為了防止收縮造成的開裂等問題，一般會采取熱養(yǎng)護的方式，使UHPC在早期就形成收縮。在實際的工程應(yīng)用中，使UHPC在溫度約為60 ℃的條件下養(yǎng)護一段時間，再進行后續(xù)的橋梁施工。亦或是提前做好鋼-UHPC輕型組合結(jié)構(gòu)，利用它相較于普通的橋梁結(jié)構(gòu)輕的優(yōu)勢，運輸至施工地點再進行施工。

4 結(jié)論與展望

UHPC橋梁具有自重小、力學(xué)性能和耐久性優(yōu)異的特點，是解決現(xiàn)有常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)存在鋼橋面開裂和鋪裝易損、鋼混組合梁自重較大、且負彎矩使混凝土易開裂等問題的一個重要方法，也是建造高質(zhì)量、高技術(shù)橋梁的必然選擇。但是，UHPC由于自身的收縮較大，使用成本和技術(shù)要求較高，限制了UHPC在橋梁工程中的廣泛應(yīng)用。同時，盡管國內(nèi)已對UHPC橋梁結(jié)構(gòu)進行了大量的研究，并研發(fā)了多類鋼-UHPC的橋梁結(jié)構(gòu)，但這些方案和構(gòu)思都處于起步階段，需要進一步的修改和完善，尚未能在國內(nèi)橋梁工程中獲得大量的應(yīng)用。今后，應(yīng)該在實驗室研究的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外實際工程應(yīng)用的經(jīng)驗，解決UHPC在橋梁應(yīng)用上的困難，推動UHPC在橋梁工程中的發(fā)展和應(yīng)用，為我國橋梁技術(shù)的進步做出貢獻。