大跨度橋梁超高性能混凝土-鋼組合橋面鋪裝應(yīng)用技術(shù)研究

張志豪，陳露一，伍賢智，王敏，李信

（1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢 430034；2.中鐵橋研科技有限公司，湖北 武漢 430034）

0 引言

正交異性板具有自重輕、極限承載力大、運輸與架設(shè)方便、施工周期短等特點，這種輕型鋼橋面已成為鋼橋，尤其是特大型橋梁的首選橋面型式。但是經(jīng)過多年使用后發(fā)現(xiàn)正交異性鋼橋面容易出現(xiàn)鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層損壞的典型病害問題[1-2]。

超高性能混凝土（UHPC）是近年來土木行業(yè)發(fā)展迅速的一種新型建筑材料。結(jié)合了高性能混凝土和纖維復(fù)合材料的性能特點，具有超高的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐久性能[3-4]。其制備原理主要包括通過顆粒緊密堆積增加體系密實度、采用高性能減水劑降低水膠比、摻入超細活性礦物摻和料改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及摻入纖維提高彎曲韌性等方法[5-7]。

UHPC的高韌性可滿足橋面鋪裝對混凝土材料抗拉強度的要求，是一種理想的鋼橋面鋪裝材料。研究表明[8]，相比于普通混凝土，UHPC在相同荷載作用下可有效減緩鋼筋應(yīng)變幅的增長，減緩橋面連續(xù)構(gòu)造在疲勞荷載作用下的剛度退化，從而大大延長橋面連續(xù)構(gòu)造的疲勞壽命。UHPC與鋼結(jié)構(gòu)可以協(xié)同工作，加載過程中UHPC的抗裂性能良好，達到極限承載能力時，鋼結(jié)構(gòu)先發(fā)生屈曲，UHPC組合橋面具有較大的靜力承載能力富余度[9]。采用UHPC組合橋面后正交異性板各構(gòu)造細節(jié)的應(yīng)力大幅下降，主要構(gòu)造細節(jié)最不利熱點應(yīng)力幅降至常幅疲勞極限以下，理論上具有無限疲勞壽命。因此，UHPC與正交異性鋼橋面結(jié)合形成的UHPC-鋼組合橋面通過抗剪剛度大的連接件相連，保證兩者性能的組合，可明顯提高橋面板的剛度[10]。應(yīng)用于公路橋面時可改善表面鋪裝層工作條件，較常規(guī)混凝土鋪裝層的開裂風(fēng)險顯著降低，有效避免鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂和鋪裝層損壞，應(yīng)用于鐵路橋面時可作為防水層和耐磨層，提高鐵路橋面結(jié)構(gòu)服役壽命。

由于UHPC的水膠比極低、超細粉料含量高，攪拌流化后往往存在高黏度、異于普通混凝土的流變特性、高風(fēng)險的失水開裂以及大摻量鋼纖維等特點，因此大跨度橋梁UHPC組合橋面鋪裝對材料與工藝控制提出了更高要求。根據(jù)武漢軍山長江大橋橋面改造、滬通長江大橋主航道橋鐵路鋼橋面鋪裝以及遵余高速飛龍湖烏江特大橋UHPC組合橋面的應(yīng)用，歸納了大跨度UHPC組合橋面體系特征，研究了超高性能混凝土材料的綜合性能和大跨度UHPC組合橋面應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，并對實施效果進行評價。橋型涵蓋新建鐵路/公路、懸索橋/斜拉橋、既有公路橋等類型，為大跨度橋梁的橋面鋪裝、大體量UHPC制備及施工質(zhì)量控制提供參考。

1 UHPC組合橋面體系設(shè)計

1.1 武漢軍山長江大橋UHPC組合橋面改造

武漢軍山長江大橋主橋跨徑為（48+204+460+204+48）m（見圖1），橋面全寬38.8 m，橋面縱坡3%，橋面橫坡2%。鋼箱梁行車區(qū)域正交異性面板根據(jù)受力情況采用12～16 mm不同厚度。大橋建成通車后，先后進行了多次鋼橋面瀝青鋪裝層的大中修，并采用了多種鋪裝方案，然而隨著大橋交通量與超重車輛的增加，橋面鋪裝層損壞和鋼橋面板疲勞開裂的問題依然存在，普通的焊接處治已無法達到良好的維修效果，在補焊處治后短期內(nèi)出現(xiàn)繼續(xù)開裂的現(xiàn)象。

軍山長江大橋原鋪裝結(jié)構(gòu)按雙層SMA設(shè)計，總厚度為75 mm，下層為40mm厚SMA-10，上層為35 mmS厚MA-13。橋面改造方案采用鋼-超高性能混凝土輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，橋面改造范圍為珠京方向半幅區(qū)域，改造面積14 000 m2。組合橋面體系組成從上至下依次為30 mm表面磨耗層、環(huán)氧粘接層、55 mm UHPC層、80μm富鋅底漆層及8 mm厚加固鋼板條（見圖2）。UHPC層內(nèi)密布HRB400鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)的橫橋向間距為37.5 mm，縱橋向間距為50 mm；Φ13 mm×35 mm栓釘與鋼橋面板連接，橫向間距150mm、縱向間距為200mm；Φ13mm×27 mm栓釘與加固鋼板條連接，鋼板條通過粘鋼膠與橋面板組合。

武漢軍山長江大橋下游側(cè)行車道改造實施過程中交通半封閉，上游京珠高速正常通行，UHPC材料性能指標設(shè)計為：抗壓強度≥140 MPa，抗彎拉強度≥25 MPa，彈性模量≥490 GPa。實施過程中UHPC擴展度控制在500～550 mm，有利于控制橋面鋪裝層坡度和厚度，組合橋面于2018年11月完成鋪裝。

1.2 滬蘇通長江大橋主航道橋鐵路鋼橋面UHPC鋪裝

滬蘇通長江大橋主航道橋采用雙塔五跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋布置，總跨度2300 m，主跨1092 m，孔跨布置為（142+462+1092+462+142）m（見圖3）。主桁上、下弦桿件均采用箱形截面，腹桿采用箱形截面或H形截面。鐵路橋面采用與弦桿焊接的整體鋼箱橋面結(jié)構(gòu)，頂板靠邊桁一側(cè)3.0 m范圍為平坡，靠中桁一側(cè)12.4 m范圍設(shè)置2%人字坡，橫坡對稱中線和雙線鐵路線路中心線重合。

滬蘇通長江大橋公路和鐵路橋面采用正交異性板橋面結(jié)構(gòu)，鋼箱梁行車區(qū)域正交異性面板根據(jù)受力情況采用16～24 mm不同厚度，鐵路橋面單向行車道寬9.1 m。主航道橋鐵路鋼橋面采用UHPC組合鋪裝體系改善橋面板受力條件，同時作為防水層，總鋪裝面積42000 m2。UHPC設(shè)計指標為：初始擴展度≥500 mm，抗壓強度≥100 MPa，抗折強度≥20 MPa。UHPC鋪裝層厚度為60 mm，通過Φ19 mm×45 mm栓釘與橋面板連接，栓釘間距按照300 mm×300 mm布置，層內(nèi)布設(shè)HRB400鋼筋，鋼筋網(wǎng)間距為100 mm×100 mm，采用高粘高彈瀝青（厚度2～3 mm）與碎石（粒徑9.5～13.2 mm，覆蓋率65%～75%）組合作為面層，面層之上再鋪設(shè)道砟。滬蘇通長江大橋鐵路鋼橋面UHPC鋪裝體系示意如圖3所示，該UHPC組合橋面于2019年11月完成鋪裝。

1.3 貴州遵余高速飛龍湖烏江特大橋UHPC組合橋面鋪裝

遵義至余慶高速公路TJ-V標段飛龍湖烏江特大橋橫跨烏江構(gòu)皮灘水電站，橋梁孔跨布置采用（9×40+680+5×40）m，全長1240m（見圖5）。主橋采用680m單跨鋼桁加勁梁懸索橋，跨中兩側(cè)縱坡均為0.5%，橋面寬度為標準路幅寬度24.5 m。主桁為帶豎桿的華倫式桁架結(jié)構(gòu)，桁高5.5 m，節(jié)間長3.5 m，2片主桁中心間距27m。主橫桁架采用單層桁架結(jié)構(gòu)，間距7m，下平聯(lián)采用K字形布置，正交異性板采用縱橫梁體系，行車道鋼橋面板厚度16 mm。

為了提高鋼橋面板的抗疲勞性能及橋面鋪裝的使用壽命，減少橋面鋪裝層病害，主橋鋼橋面行車道及中央分隔帶區(qū)域采用超高性能混凝土組合橋面體系，鋪裝面積16 660 m2，該組合橋面體系的組成從上至下依次為30 mm SMA-10、環(huán)氧粘接劑、45 mm超高性能混凝土、80μm環(huán)氧富鋅底漆，組合體系鋪裝方案如圖6所示。UHPC性能指標設(shè)計為：抗壓強度≥120 MPa，抗彎拉強度≥22 MPa，彈性模量≥40 GPa。組合橋面于2020年9月完成鋪裝。

鋼橋面板表面焊有高度為35 mm的Ф19 mm焊釘，焊釘?shù)目v橫向間距按照300 mm×300mm布置。UHPC層內(nèi)布設(shè)間距為50 mm×50 mm、直徑為Ф10 mm的HRB400鋼筋網(wǎng)，UHPC層厚45 mm，澆筑養(yǎng)護完畢后對UHPC表面進行粗糙處理并涂刷環(huán)氧粘接劑，養(yǎng)護完成后攤鋪SMA-10瀝青層。

2 UHPC材料制備

UHPC的原材料包括強度等級在42.5級以上的普通硅酸鹽水泥、礦物摻合料、石英砂、鋼纖維以及外加劑，各原材料組分按比例混合后形成預(yù)混料運輸至現(xiàn)場加水?dāng)嚢瑁S著UHPC性能等級要求不同，預(yù)混料中組成會隨之進行調(diào)整，UHPC預(yù)混料的綜合性能范圍如圖7所示。

超高性能混凝土抗壓強度達到100～180 MPa，是C50混凝土的2～4倍，抗折強度達到20～35 MPa，彈性模量超過40 GPa。坍落擴展度為500～700 mm，可達到自密實狀態(tài)，UHPC工作性能將根據(jù)大跨度橋梁橫坡特征進行調(diào)節(jié)，擴展度一般不宜過大，防止新拌UHPC流向一側(cè)聚集，同時為了保證UHPC在鋼筋網(wǎng)中填充密實，新拌UHPC的擴展度宜控制在500～600 mm。

UHPC中包含多種不同級配的超細粉體顆粒，這些粉體顆粒一方面發(fā)揮物理填充作用，填充于水泥與石英砂顆粒的空間，形成緊密的堆積狀態(tài)；另外一方面，所采用超細粉體顆粒具有火山灰活性，可以與水泥水化生成的產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成致密的水化硅酸鈣凝膠，進一步提高UHPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性[11]。因此，UHPC具有極為致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，相比于普通混凝土，低水膠比和火山灰反應(yīng)下的UHPC骨料-漿體界面過渡區(qū)質(zhì)量也會得到明顯改善。UHPC基體內(nèi)部以及基體與纖維結(jié)合區(qū)域的SEM照片如圖8所示。

UHPC水化形成的硬化體緊緊圍繞在鋼纖維周圍，當(dāng)荷載作用于超高性能混凝土?xí)r，首先是作用于彈性模量較低的超高性能混凝土硬化基體，然后通過纖維與基體的界面?zhèn)鬟f給鋼纖維，鋼纖維與基體形成受力共同體，使得UHPC的承載力大幅提高[12]。UHPC承受拉力時，基體本身具有一定的抗拉強度，在鋼纖維的增韌作用下形成較高的韌性與穩(wěn)定的裂后拉伸強度。

3 UHPC組合橋面體系施工工藝

超高性能混凝土組合橋面鋪裝自橋面板以上包括UHPC層與表面層，根據(jù)橋梁鋪裝結(jié)構(gòu)形式的不同，表面層組成會有所差異，但UHPC層結(jié)構(gòu)相似。UHPC層包括內(nèi)置鋼筋網(wǎng)、栓釘與超高性能混凝土，組合橋面鋪裝施工過程一般自下而上進行，施工工藝流程為：鋼橋面清理與防腐→栓釘與鋼筋網(wǎng)布置→UHPC預(yù)混與濕拌→混凝土澆筑與養(yǎng)護→界面粘結(jié)層與表面層鋪裝。

3.1 鋼橋面清理拋丸與防腐涂裝

為了保證鋪裝層的實施效果，首先需要對鋼橋面板上的雜質(zhì)、油污等進行清理，清理拋丸后的鋼橋面清潔度應(yīng)達到Sa2.5級，粗糙度達到Rz50～80μm。

為避免清理干凈的橋面長時間暴露在空氣中造成表面氧化再次出現(xiàn)新的銹斑，拋丸完成后進行富鋅環(huán)氧漆涂裝。防銹漆施工環(huán)境要求與拋丸作業(yè)環(huán)境要求相同，先進行拋丸區(qū)域的橋面殘留雜質(zhì)清理，然后進行橋面富鋅環(huán)氧油漆噴涂。武漢軍山長江大橋、滬通長江大橋主航道橋以及貴州遵余高速烏江大橋的富鋅環(huán)氧油漆膜厚度為80μm。噴涂完成后進行漆膜附著力測試，界面拉拔強度應(yīng)大于5 MPa。

3.2 栓釘焊接與鋼筋網(wǎng)綁扎

正式進行栓釘焊接前，選用與實際工程設(shè)計要求相同規(guī)格的焊釘、瓷環(huán)及相同規(guī)格的母材，采用相同的焊接方式進行工藝參數(shù)評定試驗，以確定在相同條件下施焊的焊接電流、焊接時間之間的最佳匹配關(guān)系。栓釘焊接工藝流程見圖9。

在已完成清潔的工作面上根據(jù)設(shè)計間距布置鋼筋網(wǎng)。先擺放縱向鋼筋，再擺放橫向鋼筋，并設(shè)置墊筋或墊塊，縱向鋼筋擺放在墊層鋼筋上，橫向鋼筋布置在縱向鋼筋上，綁扎扎絲頭朝橋面板。

3.3 超高性能混凝土生產(chǎn)

UHPC預(yù)混料是由多種原材料按比例摻配而成的，提前將預(yù)混料由防潮噸袋包裝運輸至施工現(xiàn)場。根據(jù)UHPC性能特點開發(fā)的專用攪拌系統(tǒng)生產(chǎn)時每組攪拌系統(tǒng)先投入2包預(yù)混料，干攪1.5 min使預(yù)混料充分分散，專用攪拌系統(tǒng)使用的主機葉片軌跡可覆蓋整個主機范圍，加水后攪拌3 min使UHPC流化。超高性能混凝土流化后開始放料，現(xiàn)場取樣進行工作性能測試，滿足要求后進入運輸及澆筑程序。UHPC專用攪拌系統(tǒng)見圖10，流化狀態(tài)的UHPC見圖11。

3.4 UHPC運輸與澆筑

UHPC結(jié)合了高性能混凝土與纖維復(fù)合材料的特點，施工工藝又區(qū)別于高性能混凝土，UHPC黏度大、含有大量鋼纖維、失水開裂風(fēng)險高，運輸與澆筑過程需制定專門的施工技術(shù)方案。運輸工具首選混凝土罐車，對于不具備罐車直接運至澆筑點的工況，采取混凝土罐車與泵料設(shè)備聯(lián)合工作模式，泵送輸送壓力根據(jù)泵送距離與垂直高度進行相應(yīng)調(diào)節(jié)，正式生產(chǎn)前進行試泵。

根據(jù)現(xiàn)場條件選用超高性能混凝土的布料方式，空間寬闊、條件允許時優(yōu)先選用汽車泵布料；對于空間狹窄的工況，需采用專用攤鋪系統(tǒng)（見圖12），專用攤鋪系統(tǒng)包含布料、振平以及覆膜三方面功能，布料機內(nèi)含有旋轉(zhuǎn)絞籠，可以將UHPC從放料端輸送至另一端。不管采用哪種布料方式，原則均是布料均勻。

UHPC攤鋪前，測量橋面標高，并根據(jù)鋪裝厚度和坡度設(shè)計要求對攤鋪系統(tǒng)構(gòu)造參數(shù)進行調(diào)整，攤鋪過程中對攤鋪厚度、坡度以及平整度等指標進行監(jiān)控檢查并及時反饋修正。布料完成后，專用攤鋪系統(tǒng)的整平機開始進行超高性能混凝土的鋪平。自動化的攤鋪裝備有利于保證超高性能混凝土澆筑的連續(xù)性，實現(xiàn)UHPC大體量快速化施工應(yīng)用。攤鋪過程中保持UHPC表面潤濕，防止失水開裂，噴霧收面后立即覆蓋養(yǎng)護薄膜，并緊貼混凝土表面，然后覆蓋土工布，噴灑適量的水進行濕潤。超高性能混凝土澆筑完成后，表面易形成干硬性表皮，而內(nèi)部尚未固化，失水抗風(fēng)開裂能力低，澆筑過程與養(yǎng)護階段采取防風(fēng)補水措施可為水化過程提供穩(wěn)定的環(huán)境，促進UHPC性能的穩(wěn)定提高，避免表面出現(xiàn)微裂紋。

3.5 UHPC養(yǎng)護

超高性能混凝土澆筑完后的養(yǎng)護可分為自然保濕養(yǎng)護和高溫蒸汽養(yǎng)護（見圖13）。采用常溫自然保濕養(yǎng)護時，應(yīng)保持土工布處于濕潤狀態(tài)養(yǎng)護至規(guī)定齡期，一方面對UHPC進行保濕養(yǎng)護，另一方面通過濕潤土工布壓蓋養(yǎng)護薄膜，可避免養(yǎng)護薄膜被風(fēng)吹起。高溫蒸汽養(yǎng)護在混凝土保濕養(yǎng)護48 h以后進行，采用專用高溫蒸汽發(fā)生設(shè)備和保溫被，蒸汽養(yǎng)護時間以同條件養(yǎng)護試件性能達到設(shè)計要求為止。

武漢軍山長江大橋組合橋面采用高溫蒸汽養(yǎng)護，滬蘇通長江大橋主航道橋鐵路橋面與遵余高速飛龍湖烏江特大橋UHPC組合橋面采用常溫自然保濕養(yǎng)護。實踐表明，非低溫環(huán)境下（≥10℃），高溫蒸汽養(yǎng)護與常溫自然保濕養(yǎng)護均可實現(xiàn)UHPC力學(xué)性能的穩(wěn)定提高。相比之下，高溫蒸汽養(yǎng)護可加速UHPC水化反應(yīng)過程，在較短時間內(nèi)形成更高的力學(xué)性能，達到抗壓強度峰值[13]。

3.6 表面層與界面粘結(jié)層鋪裝

UHPC組合橋面體系因表面層結(jié)構(gòu)特征的不同而有所差異?；谛熊囆枨?，公路橋梁表面層一般為瀝青混凝土，瀝青混凝土與UHPC之間通過改性環(huán)氧材料粘接，武漢軍山大橋、遵余高速飛龍湖烏江大橋采用環(huán)氧粘接層+改性瀝青混凝土SMA-10方案。鐵路橋梁在高強致密的UHPC組合橋面之上鋪設(shè)道砟，對鋼橋面的防水耐磨性能要求較高，在UHPC之上加鋪瀝青薄層提高UHPC組合橋面整體性能，滬通長江大橋主航道橋鐵路鋼橋面組合體系表面層采用高粘高彈瀝青與碎石同步封層。

4 應(yīng)用效果監(jiān)測

武漢軍山長江大橋上下游側(cè)橋面分別采用冷拌環(huán)氧樹脂（ERE）和UHPC橋面鋪裝體系，通過大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)和鋼箱梁局部應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)對改造后的鋪裝效果進行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計時間段內(nèi)，下游UHPC側(cè)的車流量是ERE側(cè)的1.4倍，軸重≥4 t的車輛明顯多于ERE側(cè)，是上游側(cè)數(shù)量的1.5倍，即UHPC改造鋼橋面車流量大且重車更多。軍山長江大橋UHPC改造后橋面最大應(yīng)力幅對比見圖14。

由圖14可知，UHPC側(cè)橋面板頂板底部、U肋底部、橫隔板開口處的最大應(yīng)力幅較ERE側(cè)分別降低58.9%、41.3%、24.9%。UHPC組合橋面可以提高鋼橋面剛度，降低橋面構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力水平，具有較好的改善效果。

5 結(jié)論

UHPC對減輕大跨度橋梁自重、提升橋梁結(jié)構(gòu)服役性能具有獨特優(yōu)勢，形成的新型組合橋面正被越來越多的新建鋼橋梁與既有橋梁改造所采用。UHPC組合橋面主要施工工藝包括鋼橋面拋丸清理、栓釘焊接與鋼筋網(wǎng)布置、UHPC澆筑以及表面層鋪裝等，運輸工具首選混凝土罐車，采用布料機或天泵布料，原則均是布料均勻?；诖罂缍葮蛄簶蛎娴钠露仍O(shè)置，新拌UHPC的擴展度宜控制在500～600 mm。UHPC中的鋼纖維與基體結(jié)合緊密，形成受力共同體，使其承載力大幅提高。UHPC所包含原材料組分提前預(yù)混，采用自動化的攪拌與鋪裝設(shè)備可保障UHPC的高質(zhì)量快速化應(yīng)用。UHPC失水開裂風(fēng)險高，澆筑過程與養(yǎng)護階段采取防風(fēng)補水措施可為水化過程提供穩(wěn)定的環(huán)境，促進UHPC性能的提高，避免表面出現(xiàn)微裂紋。實橋應(yīng)用監(jiān)測結(jié)果顯示，UHPC組合橋面的鋪裝對大跨度鋼橋面構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力水平改善明顯。