超高性能混凝土在國內外橋梁工程中的應用

蔣欣 湯大洋 胡所亭 張周煜 石龍

1.武漢工程大學土木工程與建筑學院，武漢 430074；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；4.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）是一種抗壓強度大于120 MPa的新型水泥基復合材料。UHPC的早期研究可追溯到20世紀80年代初，丹麥學者Bache［1］提出了混凝土的細料致密法（Densified with Small Particles，DSP）。該方法通過硅灰和高效減水劑的組合效果來減少材料內部缺陷，降低孔隙率，提高整體密實度，制備的混凝土抗壓強度可以達到150 MPa。1987年丹麥奧爾堡水泥與混凝土實驗室［2］在DSP混凝土里摻入鋼纖維，并配有受拉鋼筋，制備出同時具有超高抗壓強度和抗拉強度的密實增強復合材料（Compact Reinforced Composite，CRC）。1994年法國學者Larrard等［3］在DSP理論的基礎上以石英砂為骨料，配制出了抗壓強度為164.9 MPa的密實混凝土，并首次提出了超高性能混凝土的概念。UHPC基于最大堆積密度理論設計，由水泥、石英砂、硅灰、纖維及高效減水劑等組成的纖維增強水泥基復合材料組成，與一般混凝土相比其內部缺陷更少。由于其內部微裂縫較少，孔隙相互不連通，顯著降低了材料滲透率，從而提高結構耐久性。研究表明，UHPC材料的耐久性可達200年以上［4］。此外，UHPC中致密分布的纖維將大大減緩微裂縫的發(fā)展，從而增強材料的抗拉能力，使其表現出超高的韌性和延性。UHPC和其他等級混凝土的力學性能和耐久性能對比見表1?？梢?，UHPC的抗壓強度和抗折強度等力學性能都高于普通混凝土，耐久性能指標也遠遠優(yōu)于普通混凝土和高性能混凝土。

表1 不同等級混凝土力學性能和耐久性能指標對比

自UHPC概念被提出后，由于超高的力學性能和優(yōu)異的耐久性能，逐漸成為土木行業(yè)中的熱點，各國相關規(guī)范與標準在不斷制定與完善中。尤其是近6年來，大量規(guī)范主要從UHPC的材料性能與結構設計兩個方面提出了相關要求和建議。UHPC相關規(guī)范的不斷涌現與完善，以及這種新材料在實際工程結構中的持續(xù)應用，快速地促進了UHPC在土木工程領域的發(fā)展及研究。2018年中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心發(fā)布了有關土木水利與建筑工程的前沿報告［5］，超高性能混凝土位列工程研究的第二位，被廣泛應用于大跨度橋梁、建筑、水利和海洋等工程。同年中國設立了第一個有關UHPC的國家級重大項目［6］。

目前常規(guī)橋梁結構存在自重大、鋪裝層易磨損且修復工作量大、預制構件間連接薄弱等問題，發(fā)展性能優(yōu)異的UHPC材料和結構是解決現有工程難題的可行方法。與普通混凝土相比，UHPC具有超強的抗壓強度、較低的水灰比、致密的微觀結構、極少甚至沒有粗骨料、摻雜纖維等特點。當其應用于橋梁結構中時可減小構件尺寸，降低橋梁自重，節(jié)約施工時間，降低環(huán)境影響。同時，UHPC具有極低的孔隙率，能更有效地防止有害元素侵入結構內部，提高橋梁結構的耐久性，減少后期維護成本。從橋梁的全壽命周期看，UHPC比普通混凝土在經濟性和使用功能方面更具優(yōu)勢［7］。

1 國內外UHPC橋梁的發(fā)展歷程

加拿大是最早將UHPC材料應用于橋梁結構的國家。1997年在加拿大魁北克省興建了Sherbrooke預應力UHPC梁橋，橋跨徑為60 m，由6個預制空間桁架UHPC構件拼裝組成，采用后張法施工［8］。這是世界上第一座UHPC橋梁，由此拉開了UHPC應用于橋梁結構的序幕。

法國是最早實現UHPC商業(yè)化的國家。2001年法國同時進行了Bourg-lès-Valence OA4和OA6兩座預應力UHPC公路橋的建造，是世界上最早的UHPC公路橋梁。2011年法國建成了一座橫跨A51高速公路的單跨47 m預應力UHPC箱梁橋——La Chabotte橋，為修建UHPC大跨徑預應力橋梁提供了參考。此后，法國建造了多座UHPC大橋，如跨徑67.5 m的Passerelledes Anges人行橋和跨徑27 m的Pinel公路橋等［4］，為UHPC橋梁的發(fā)展做出重大貢獻。

韓國著重于UHPC新型結構體系的研究，在充分發(fā)揮材料特性的基礎上降低工程造價，以建立經濟、環(huán)保、耐久的UHPC橋梁。為此，韓國先后開展了三項有關UHPC的研究計劃：①Bridge200研究將UHPC應用于橋梁的上部結構，提高橋梁的耐久性；②Super Bridge200計劃改進了UHPC所用材料的配比，通過減少鋼纖維摻量降低了UHPC成本，并在2009年修建了世界上第一座UHPC人行斜拉橋——Super Bridge I；③Super Structure2020旨在推廣UHPC在橋梁、風力機塔、浮筒等民用建筑結構中的應用，于2017年建成了世界上第一座UHPC公路斜拉橋Chuncheon橋。

2001年美國聯邦公路局（Federal Highway Administration，FHWA）啟動了多項UHPC研究項目，項目的重點之一是UHPC預制構件。FHWA與愛荷華州運輸部、愛荷華州立大學和拉法基北美分公司對UHPC進行了5年合作研究后［9］，于2006年在愛荷華州瓦佩洛縣修建了美國第一座UHPC橋梁——Mars Hill橋。2008年在愛荷華州布坎南縣使用UHPC預制π梁完成了Jakway公園大橋的建造。FHWA UHPC項目的第二個重點是UHPC用于構件的連接［10］。2009年美國首次將UHPC作為連接件材料應用于紐約州的State Route 23和State Route 31兩座公路橋上。美國UHPC在橋梁工程上的應用多為預制構件及接縫澆筑。至今為止，北美地區(qū)約有350座橋梁使用了UHPC材料［11］。

馬來西亞是UHPC橋梁應用最多的國家。2010年馬來西亞在Kampung Linsum峽谷建造了該國第一座UHPC橋梁，此后馬來西亞的UHPC橋梁的應用呈快速增長趨勢，見表2。

表2 馬來西亞歷年UHPC橋梁數量

其中UHPC主梁結構主要有4類［4］：全UHPC T梁、UHPC-RC（Reinforced Concrete）組合梁、全UHPC箱梁和全UHPC下承式槽梁。2010年建造的Kampung Linsum橋采用了UHPC-RC組合梁，組合梁下緣受拉區(qū)為UHPC材料，上緣受壓區(qū)采用寬度為4.5 m、厚度為200 mm的RC橋面板，充分發(fā)揮了UHPC的材料特性，節(jié)省了工程造價。隨后2012年在馬來西亞霹靂州完成了跨徑為90 m的Sungai Nerok橋的施工，該橋采用全UHPC T梁。2014年建成的Sungai Bertam JK1橋是一座單跨30 m的UHPC槽形簡支梁橋，采用預制UHPC槽形梁現場吊裝裝配完成。2015年國內單跨最大的UHPC公路橋Batu6橋建成通車。Batu6橋單跨100 m，分為40個節(jié)段，采用預制UHPC節(jié)段箱梁拼裝而成。截至2020年底，馬來西亞已完成了187座UHPC橋梁的建造［12］，成為了目前世界上建成UHPC橋梁最多的國家。

我國對UHPC的研究始于20世紀90年代初。1993年黃政宇等［13］介紹了國外鋼纖維混凝土的發(fā)展，并進行了200 MPa超高強鋼纖維混凝土的相關試驗研究。1999年覃維祖等［14］正式引入了UHPC的概念。由此，拉開了我國UHPC研究的序幕。UHPC材料在我國土木工程中的早期應用可以追溯到2003年北京石景山斜拉橋工程中［15］。該橋在隔離帶采用2 000 mm×1 200 mm×60 mm的UHPC空心板以減輕橋梁自重。2005年在遷曹鐵路灤柏干渠大橋［16］工程中，首次使用UHPC制作了跨徑為20 m的預應力簡支T梁，梁高1.35 m，跨中腹板厚度為18 cm，這是國內第一座UHPC橋梁。2011年在肇慶馬房大橋工程中首次將UHPC用于橋面加固工程中。2015年由清華大學牽頭編寫了我國第一本UHPC規(guī)范GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》［17］，同年廣東省交通運輸廳發(fā)布了第一本UHPC應用在橋梁上的技術規(guī)程GDJTG/T A01—2015《超高性能輕型組合橋面結構技術規(guī)程》［18］。2020年由中國鐵道科學研究院主持編撰的《公路橋涵超高性能混凝土應用技術規(guī)程》也已立項。與此同時，UHPC應用于橋梁上的工程實例越來越多，2015年陳寶春團隊［19］在福州大學校園內修建了跨徑10 m的UHPC人行拱橋，這是國內第一座UHPC拱橋。2016年建成通車的長沙北辰虹橋是國內首座預制節(jié)段拼裝預應力UHPC箱梁橋，大橋全長74 m，主跨跨徑為36.8 m。2019年南京長江五橋使用全新的設計理念和施工工藝，首次采用了粗骨料活性粉末混凝土來制作橋面板［20］，是世界上首座使用含粗骨料UHPC橋面板的斜拉橋。到目前為止，我國約有120座橋梁使用了UHPC材料［21］。

此外，瑞士、德國、奧地利、捷克、日本等國也都有UHPC橋梁的工程實例，瑞士使用UHPC對Chillon高架橋的橋面板進行重新鋪裝，德國修建了世界上首座UHPC-鋼組合梁橋G?rtnerplatz橋，奧地利建成了主拱跨徑70 m的UHPC公路拱橋，捷克在2014年修建了跨徑（43+156+43）m的UHPC人行斜拉橋，日本建成了主跨跨徑49.2 m的UHPC預應力人行橋，見表3?？梢?，隨著UHPC技術的不斷成熟，UHPC在橋梁中的應用越發(fā)廣泛，各類UHPC結構和橋型也不斷改進和完善。截至2020年底，全世界應用UHPC的橋梁已經超過1 000座［21］。

表3 國內外具有代表意義的UHPC橋梁

總的來說，近20年來UHPC獲得了廣泛關注，在世界范圍內橋梁工程中的應用也日益增多。法國著重于不同類型UHPC橋梁的開發(fā)；美國側重于橋梁預制UHPC構件與現澆接縫；韓國研究的重點是開發(fā)低造價的UHPC材料；馬來西亞側重于UHPC主梁結構的研發(fā)；UHPC在我國橋梁工程中的應用最為廣泛，涉及預制UHPC構件、橋梁接縫、橋面結構、主梁等多個方面。

2 UHPC在橋梁結構中的應用

自1997年UHPC首次被應用在橋梁領域后，世界各國相繼開展了對UHPC的深入研究。在橋梁結構中，UHPC主要應用于主梁結構、橋面結構、橋梁接縫。

2.1 主梁結構

主梁材料為普通混凝土的橋梁隨著跨徑的增大，由材料缺陷引起的結構問題越來越顯著：大跨徑的預應力梁式橋存在著下撓過大的問題；對于拱橋，自重是制約跨徑繼續(xù)增大的重要因素；對于斜拉橋、懸索橋，在拉索、吊桿的作用下主梁的開裂問題難以規(guī)避。在主梁中采用具有高強、抗拉、耐久等優(yōu)異特性的UHPC材料是解決上述難題的有效途徑。選擇UHPC代替?zhèn)鹘y混凝土作為橋梁主梁結構，可以降低橋梁自重，改善混凝土開裂，增加耐久性。

主梁結構使用UHPC的橋梁大致可分為2種類型：

1）全UHPC梁。2002年韓國和法國為紀念兩國建交100周年，在首爾仙游島公園內修建了一座人行拱橋［22］。其主拱跨徑為120 m，由6個預制UHPCπ型拱肋節(jié)段和1個合龍節(jié)段預制拼裝而成。這是世界上第一個也是單跨最大的UHPC拱橋。主拱結構采用UHPC材料，使得其主拱厚度從普通混凝土的12 cm減小到3 cm，大幅度減少混凝土的使用量，減輕了橋梁的自重，降低了工程成本。2008年10月美國弗吉尼亞州運輸部為研制比傳統鋼筋混凝土更薄、更輕的橋梁，采用UHPC工字梁和現澆普通混凝土橋面，完成了Cat Point Creek橋的建造。2013年中國學者邵旭東等［23］針對預應力混凝土連續(xù)箱梁下撓過大的問題［24］，提出了單向預應力UHPC薄壁連續(xù)箱梁結構，并對UHPC連續(xù)箱梁橋進行了概念設計。研究表明，這種新型UHPC連續(xù)箱梁結構自重僅為傳統預應力混凝土箱梁橋的1/2，能有效減小橋梁的撓度，延緩裂縫的開展。目前該結構已應用于中國廣東省英德市北江四橋上。2015年韓國土木工程與建筑技術研究所（Korea Instituteof Civil Engineering and Building Technology，KICT）和韓國DAELIM公司在K-UHPC設計指南［25］的指導下完成了世界上第一座UHPC公路斜拉橋Chuncheon橋的設計工作，并于2017年建成通車。該橋跨徑為100 m，使用了高度為1.8 m的UHPC主梁，自重比常規(guī)混凝土梁降低了33%，從而減少了斜拉索和基礎的數量，以達到降低造價的目的［26］。

2）UHPC-RC組合梁。為節(jié)約成本，充分利用UHPC材料的優(yōu)異性能，提出了UHPC與RC的組合結構［27］，在主梁下緣受拉區(qū)使用UHPC材料，上緣受壓區(qū)采用RC材料，相對于全UHPC梁或RC梁，UHPC-RC組合梁充分利用UHPC的抗拉強度及普通混凝土的抗壓強度，比RC梁節(jié)省了混凝土用量［28］。2017年馬來西亞建成了當時世界上最長的多跨UHPC公路橋——KT-KB橋。該橋全長420 m、寬度為13.6 m，由40個UHPC主梁節(jié)段預制拼裝而成，其主梁下緣為預制U型UHPC結構，上緣使用現澆C40混凝土橋面板，大幅度降低了橋梁自重，節(jié)省了上部結構造價。2019年中國學者劉兆鋒等［29］以主跨260 m鋼-普通混凝土混合主梁的斜拉橋設計方案為基礎，提出將鋼主梁替換成UHPC主梁，形成UHPC-RC混合主梁斜拉橋方案，并對比了2種方案的結構靜動力性能、穩(wěn)定性能和經濟性能，分析了其應用于實際工程中的可行性。截至目前，全世界至少有200座橋梁在主體結構（主梁、拱圈等）中使用了UHPC材料［11］。

2.2 橋面結構

UHPC在橋梁結構中常被用于橋面鋪裝層和橋面板。

2.2.1 UHPC用于橋面鋪裝層

橋面鋪裝層屬于橋梁結構的直接磨損部分，不僅受到車輛的摩擦作用，還受雨水侵蝕和熱膨脹等環(huán)境的影響。隨著社會經濟的快速發(fā)展，交通量不斷增加導致橋面鋪裝層的使用壽命顯著縮短。針對這一問題，瑞士洛桑聯邦理工大學Oesterlee等［30］提出了一種新型RC-UHPC組合橋面結構，基本思路是使用UHPC作為加鋪層來修復破損的鋼筋混凝土橋面，用高強度、低滲透的UHPC層保護受車輛荷載損傷的RC結構，大幅度延長結構的使用壽命。該結構可以在不更換整個橋面的前提下進行橋面修復，大幅度降低橋面維修成本。2004年該橋面結構首次應用于瑞士的一座跨徑10 m的RC梁橋的修復工程中，在其受荷載損傷的橋面板上鋪設一層厚度3 cm的UHPC保護層［31］。2010年湖南大學邵旭東團隊［32］首次提出了UHPC鋪裝層和正交異性鋼橋面板組成的鋼-UHPC輕型組合橋面板結構。該結構先在正交異性鋼橋面板上焊接剪力釘，再澆筑45 mm的UHPC薄層，從而將鋼橋面轉變成新型正交異性鋼板-薄層UHPC組合橋面。該組合結構能提高橋面剛度，降低表面瀝青混凝土的開裂風險，從而解決鋪裝層易損壞和鋼橋面結構易疲勞開裂的難題［33］。2011年該結構已被應用于廣東肇慶馬房大橋的橋面鋪裝層修復工程中。截至2021年，我國已有45座橋梁應用了該橋面結構［11］。2021年中國鐵道科學研究院左照坤等［34］通過有限元進行力學性能分析，驗證了UHPC鋪裝體系對鐵路鋼橋面具有良好的適用性。相較于傳統的混凝土橋面鋪裝，UHPC用于橋面鋪裝修復或直接用作橋面鋪裝層具有更好的耐久性能。

2.2.2 UHPC用于橋面板

鑒于UHPC良好的抗?jié)B透與抗腐蝕性能，其亦被直接用于橋面板，可較大程度地減小頂板厚度，減少材料消耗，減輕梁體自重。2007年7月工程師Fehling等在德國卡塞爾建成了世界上首座UHPC-鋼組合梁橋——G?rtnerplatz橋，該橋是在舊橋的基礎上重建的［35-36］。由于舊橋的基礎承載能力有限，新的上部結構自重存在嚴格的限制。為此，選用UHPC作為橋面板材料，與鋼桁架形成UHPC-鋼組合結構，以減輕上部結構自重，并滿足結構承載力要求。針對美國北部凍融環(huán)境下橋面板劣化的問題，FHWA在法國“井”字形UHPC橋面板的基礎上提出了“華夫餅”式橋面板，并于2013年發(fā)布了華夫餅式UHPC橋面板技術報告［37］。2011年在美國愛荷華州建成的Little Cedar Creek Waffle Deck橋［38］首次引入了UHPC華夫板結構，并在連接部位采用現澆UHPC，它是美國首座全UHPC橋面板的橋梁。為解決大跨徑鋼-混凝土組合梁自重大、橋面板易開裂的問題，湖南大學邵旭東團隊［39］提出了一種鋼-UHPC輕型組合梁橋結構，將UHPC華夫板與鋼主梁通過栓釘連接，共同受力，確保在減少自重的同時保持橋面的剛度。目前該結構已應用在湖南省益陽青龍洲大橋上。該橋為自錨式懸索橋，其橋面板為鋼板與UHPC華夫板的組合結構，橋梁全長1 636 m、寬度36.5 m，已于2021年6月25日正式通車。

2.3 橋梁接縫

裝配式橋梁具有施工周期短、質量可靠、建造成本低等特點，但預制構件間連接往往是其薄弱點［40］。UHPC因其良好的力學性能為此提供了一種有效的解決方案。2006年加拿大安大略省的Rainy Lake橋首次將UHPC用于全預制UHPC橋面板間的連接，以及鋼梁與橋面板的連接。2012年在對瀝青路面的目視檢查中未發(fā)現任何裂縫，UHPC接縫表現良好［38］。2010年FHWA發(fā)布了關于橋面板UHPC接縫在周期性荷載與靜載作用下的力學性能分析報告［41］，研究表明采用UHPC處理接縫可顯著減少鋼筋的錨固長度，簡化連接部位構造并提高裝配式結構抗裂能力。2013年，FHWA在報告中列出了北美地區(qū)有近50座橋梁在接縫部位采用UHPC材料［42］。2014年FHWA以紐約州4座公路橋為例為UHPC連接的設計和施工提供指導［43］。2016年，上海S3高架橋在縱向接縫中采用了UHPC材料，免去了鋼筋焊接，提高了施工效率。針對大量公路橋梁擴建而產生的新老橋梁接縫的連接問題，同濟大學劉超等［44］以上海市濟陽路高架新老橋梁拼接項目為背景，對UHPC接縫的局部受力性能進行了分析。研究表明UHPC接縫具有良好的抗變形能力，滿足新老橋梁接縫的受力要求。周立兵等［45］以主跨820 m的鋼混斜拉橋為背景，提出一種在鋼格室中填充UHPC材料的方案，以提升結合段的傳力性能和抗疲勞性能，目前該結構已應用于武穴長江大橋上。2019年Qi等［46］對UHPC接縫形式進行了優(yōu)化，提出了一種利用鋼絲網增強現澆UHPC接縫的新方法。因其形狀類似燕尾，這種接縫被稱為UHPC燕尾型接縫，目前已應用于南京長江五橋的橋面板間的連接。2020年陳艷良等［47］為研究裝配式橋梁縱向接縫的合理形式，以廣東惠清高速麻埔停車區(qū)跨線橋為背景，提出了一種局部加高的UHPC接縫形式，并開展抗彎試驗與傳統UHPC平頭接縫進行對比。研究表明，局部加高接縫的開裂荷載接近平頭接縫的2倍。在《2019年度中國超高性能混凝土（UHPC）技術與應用發(fā)展報告》［48］中，明確指出UHPC用于預制構件間的連接時，可顯著提高裝配式結構的抗裂、抗震、抗疲勞等性能。

3 結語

UHPC作為一種新型纖維增強水泥基復合材料，具有超高的力學性能和優(yōu)異的耐久性能。隨著國內外學者對UHPC的材料特性與結構性能的大量研究，各國相關規(guī)范與標準不斷完善，UHPC在橋梁工程中的應用也不斷增多。與傳統的混凝土橋梁相比，UHPC橋梁自重較輕、結構致密、耐久性好和維護費用低，UHPC被廣泛應用于橋梁主梁、橋面結構及接縫等部位，具有良好的應用前景與推廣價值。

另一方面，UHPC的應用仍存在諸多挑戰(zhàn)：①高昂的造價是限制UHPC推廣的主要因素。據市場調查，UHPC的原材料成本普遍在5 000元/m3以上，考慮到施工與養(yǎng)護，成品UHPC造價甚至高達15 000元/m3，遠高于普通混凝土；②UHPC材料自身的水膠比較低、膠凝材料用量大，將導致其早期收縮較大，開裂風險較高，強度120 MPa的UHPC現場往往采用普通養(yǎng)護，而150 MPa以上的UHPC則常須采用高溫蒸養(yǎng)等措施；③施工時相比普通混凝土更為復雜，在攪拌時常采用干拌與濕拌相結合的方式，且須采用分層撒布鋼纖維并配振動篩作業(yè)以減輕纖維結團與分散不均；④對UHPC的研究未臻成熟，用于指導設計與施工的相關規(guī)范與標準尚不完善。