鋼橋面UHPC鋪裝層施工技術(shù)研究

摘 要：近年來，超高性能混凝土（UHPC）因其優(yōu)越的性能逐漸替代普通混凝土，越來越多地應(yīng)用于鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁橋面鋪裝中，形成新型的橋面結(jié)構(gòu)形式（鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)），這種新型的組合結(jié)構(gòu)形式勢(shì)必對(duì)橋面的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響。因此，本文以上海崇明區(qū)東平河大橋主橋鋼橋面UHPC鋪裝施工為工程背景，采用有限元分析的方式，研究了鋼-UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí)對(duì)鋼橋面UHPC鋪裝層施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析，為后續(xù)類似項(xiàng)目UHPC鋪裝層施工在鋪裝領(lǐng)域廣泛應(yīng)用提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土UHPC；橋面鋪裝；施工技術(shù)文章編號(hào)：2095-4085（2024）06-0022-03

0 引言

傳統(tǒng)的正交異型鋼橋面的橋面鋪裝層一般采用普通混凝土或?yàn)r青混合料，在橋梁投入運(yùn)營(yíng)以后，在大載荷、高溫等因素耦合作用下，鋪裝層經(jīng)常出現(xiàn)一些車轍、擁包、開裂、滑移等問題，出現(xiàn)的各種病害甚至?xí)?duì)橋梁的正常通車產(chǎn)生影響，給社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來不利。在此背景下，超高性能混凝土（UHPC）應(yīng)運(yùn)而生，其不僅可以增加橋梁橋面鋪裝的剛度，還可以提高橋梁在受力狀態(tài)時(shí)的耐高溫性，還可以減少橋面鋪裝層病害的發(fā)生，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

UHPC作為一種水泥基復(fù)合材料，在高耐久性、強(qiáng)韌性、高強(qiáng)度、低孔隙率方面具有很好的表現(xiàn)，國(guó)內(nèi)關(guān)于UHPC的相關(guān)研究起步較晚，但發(fā)展較為迅速。邵旭東教授提出了鋼-UHPC新型組合橋面，有效解決了鋼橋面開裂和鋪裝層病害等問題。其他學(xué)者同樣提出了各種UHPC鋪裝結(jié)構(gòu)，如湖北宜昌大橋采用UHPC+薄層聚合物罩面鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，武漢軍山大橋采用UHPC+SSMA-10鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)。綜上所述，鋼-UHPC組合型式的鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)用在鋼橋面的橋面鋪裝施工中逐步得到了認(rèn)可，并取得了很多成功的案例［1］。因此本文以上海崇明區(qū)東平河大橋主橋鋼橋面UHPC鋪裝施工為工程背景，研究了UHPC橋面鋪裝層材料性能、施工技術(shù)及應(yīng)用效果。

1 設(shè)計(jì)說明

1.1 工程背景

上海崇明區(qū)東平河大橋是崇明大道重點(diǎn)工程，西起城橋鎮(zhèn)江山路鼓浪嶼路口，東至陳家鎮(zhèn)北陳公路，道路分幅設(shè)置，雙線雙橋南北間距300m左右，單幅橋梁長(zhǎng)738m。東平河大橋是連接崇明城區(qū)東西區(qū)域的骨干通道，其建設(shè)意義重大，通車后將大大緩解崇明大道的交通壓力，激活區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)能［2］。

1.2 材料性能

UHPC強(qiáng)度高、韌性好、孔隙率低，它由粉煤灰、硅灰、石英砂、水泥等材料組成，不使用粗骨料，減小了材料內(nèi)部的裂縫和空隙。UHPC與普通混凝土的物理力學(xué)性能對(duì)比如下表1所示。通過對(duì)比可知，UHPC的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度是普通混凝土的幾十倍，其彈性模量及斷裂韌性也優(yōu)于普通混凝土。

1.3 方案設(shè)計(jì)

鋪裝層采用40mmUHPC+20mm磨耗層，在鋼橋面頂板上焊接好鋼筋網(wǎng)，隨后采用UHPC澆筑，使得UHPC層與鋼面板形成一個(gè)整體，抵抗剪切力。根據(jù)《高強(qiáng)鋼筋UHPC梁抗彎性能試驗(yàn)》可知，彎矩設(shè)計(jì)值Mu計(jì)算式如下：

Mu=αfcbxh0-x2+0.5ftb（x-x/β）（h0-x/β）

其中：Mu為彎矩設(shè)計(jì)值，fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，b為矩形的截面寬度，x為混凝土的受壓區(qū)高度，ft為混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。經(jīng)計(jì)算可知60mm的UHPC板極限彎矩為1.07×106 N·m2。采用此方案設(shè)計(jì)可滿足橋面的承載力要求。

1.4 方案對(duì)比

一般橋面多采用環(huán)氧瀝青材料進(jìn)行鋪裝，為了研究UHPC層與普通瀝青兩個(gè)方案對(duì)整體大橋受力的影響區(qū)別，采用Midas-Civil有限元軟件建立整體空間模型。模型的計(jì)算工況如下表2所示。

通過計(jì)算可知，主纜的軸力值如下表所示：

通過主纜軸力的變化來反應(yīng)大橋整體受力狀態(tài)的變化，通過表3的計(jì)算結(jié)果可知，40mmUHPC+20mm磨耗層與60mm環(huán)氧瀝青鋪裝相比，主纜軸力增大了1.01%，變化的程度比較小，因此，新型的橋面鋪裝方案對(duì)橋面結(jié)構(gòu)的的影響較小，不會(huì)改變大橋整體的安全性，40mmUHPC+20mm磨耗層的橋面鋪裝方案是可行的［3］。

2 施工流程

東平河大橋UHPC鋪裝層先施工左半幅，再施工右半幅，施工流程圖如下圖1所示。

2.1 準(zhǔn)備工作

現(xiàn)場(chǎng)施工前期人員、設(shè)備、機(jī)械、輔材的準(zhǔn)備。保證現(xiàn)場(chǎng)施工連續(xù)。

2.2 橋面鋪裝施工工藝

橋面施工采用UHPC澆筑的施工方式，必須在緊前工作驗(yàn)收合格的前提下。具體施工步驟及要求如下：

2.2.1 標(biāo)高控制

在攤鋪機(jī)上設(shè)點(diǎn)，標(biāo)高按現(xiàn)有橋面坡度控制各點(diǎn)的澆筑厚度均為60mm，用鋼管固定在振動(dòng)梁上，以此作為軌道標(biāo)高的依據(jù)。

2.2.2 振搗梁及軌道安裝

振搗梁軌道采用兩根25mm鋼管，鋼管固定在振動(dòng)梁底部，鋼管在鋼筋上部推行行走。

（1）將軌道鋼管貼合在橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)片上，要求軌道鋼管頂面標(biāo)高與橋面鋪裝標(biāo)高保持一致。

（2）振動(dòng)梁為節(jié)段安裝（3m、1.5m、1m），安裝后中間部分易發(fā)生變形，可以通過調(diào)整節(jié)段間的螺絲來保證振動(dòng)梁下方梁板的平直，從而保證混凝土表面的平整度。

2.2.3 混凝土攪拌

擬選擇在溫度條件適當(dāng)時(shí)正式施工，攪拌機(jī)一次出料0.8m3，每盤攪拌時(shí)間12～15min，攪拌機(jī)每小時(shí)出料約3.2m3，為保證混凝土輸送速度，配備兩臺(tái)吊車送料。

混凝土所用原材料中的核心組份為袋裝，用水泵抽入攪拌機(jī)的水箱中，攪拌機(jī)自帶水計(jì)量系統(tǒng)。以上措施可有效提高攪拌效率［4］。

2.2.4 模板的拆除及混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后拆除模板，一般為1天后。拆模過程中，應(yīng)特別注意不得損壞楞角。養(yǎng)護(hù)的時(shí)長(zhǎng)一般為7日，溫度應(yīng)控制在不小于10℃，養(yǎng)護(hù)采用內(nèi)外層覆蓋雙層養(yǎng)生方式：澆筑后第一天時(shí)先塑料膜覆蓋后濕潤(rùn)土工布覆蓋，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙和規(guī)范要求要求后拆除塑料膜，再覆蓋上第二層濕潤(rùn)的土工布，并且需要保持土工布處于濕潤(rùn)保濕狀態(tài)，視天氣情況控制每天灑水次數(shù)。養(yǎng)護(hù)時(shí)需做好成品保護(hù)工作，養(yǎng)護(hù)結(jié)束前嚴(yán)禁進(jìn)行下道工序的施工［5］。

3 施工中遇到的問題及針對(duì)性解決方案

（1）在運(yùn)輸和澆筑的過程中UPHC材料會(huì)發(fā)生失水問題，在光照和高溫下更為嚴(yán)重。這將導(dǎo)致UHPC流動(dòng)性降低，難以順利澆筑。解決方案：①本工程施工受場(chǎng)地及橋面鋪裝層總工程量等因素限制，現(xiàn)場(chǎng)采用一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行材料加工攪拌，每段區(qū)域澆筑量超過攪拌機(jī)工作產(chǎn)能。在后續(xù)第二座橋梁橋面鋪裝施工中再增設(shè)一臺(tái)攪拌機(jī)，從而滿足澆筑速度。②提前要求班組在攪拌機(jī)設(shè)備四周準(zhǔn)備足量所需的材料，以減少加料時(shí)間。③定時(shí)對(duì)運(yùn)輸攪拌混合料的設(shè)備上的硬垃圾進(jìn)行清理，并根據(jù)需要對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行澆水。

（2）鋼箱梁橋面及剪力釘?shù)瘸P完成后，一般鋪裝層班組尚需進(jìn)行材料、設(shè)備的準(zhǔn)備工作，距離UHPC的澆筑仍有一段時(shí)間。除銹后的鋼橋面會(huì)發(fā)生再次生銹情況，尤其是遇到下雨天等潮濕天氣。解決方案：①鋼橋面頂面及剪力釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)物進(jìn)行除銹工作時(shí)，需增強(qiáng)除銹的打磨力，除銹完成后要進(jìn)行覆蓋防雨。②除銹后要立即組織人員進(jìn)行鋪裝層鋼筋綁扎工作，且必須加快進(jìn)度。③UHPC澆筑前，要確保鋼橋面無垃圾遺留。

（3）通過首次UHPC澆筑后，在預(yù)留的濕連接縫處易產(chǎn)生污漬現(xiàn)象，接頭拆除后有損壞處理不到位的情況。解決方案：①UHPC澆筑前，先保護(hù)好濕潤(rùn)的接縫再澆筑；②模具拆卸后應(yīng)立即覆蓋濕接縫，直到濕接縫形成［6］。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以上海崇明區(qū)東平河大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^材料性能、承載力設(shè)計(jì)、與普通瀝青進(jìn)行對(duì)比等多角度分析了鋼混組合結(jié)構(gòu)采用UHPC作為鋪裝層的實(shí)際工程問題。通過研究分析可知，與普通混凝土橋面鋪裝層相比，UHPC橋面鋪裝層物理力學(xué)性能上具有更好的優(yōu)勢(shì)，且不會(huì)改變橋梁整體的安全性，對(duì)橋面結(jié)構(gòu)的影響較小。同時(shí)需要對(duì)UPHC澆筑時(shí)整平、覆膜養(yǎng)護(hù)、指標(biāo)檢測(cè)的質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)加以重視。從施工時(shí)的效果和兩座大橋投入使用至今來看，未出現(xiàn)鋪裝病害及裂縫，為后續(xù)類似項(xiàng)目UHPC鋪裝層施工在鋪裝領(lǐng)域廣泛應(yīng)用提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］邵旭東，陳玉寶，何廣，等.鋼-UHPC組合桁式拱橋拱肋與腹桿節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2022，55（5）：54-66.

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［3］曹君輝.鋼一薄層超高性能混凝土輕型組合橋面結(jié)構(gòu)基本性能研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2016.

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［5］史曉婉.超高性能混凝土國(guó)內(nèi)進(jìn)展及性能試驗(yàn)研究［J］.江西建材，2018（10）：3-5.

［6］周尚猛，王偉.超高性能混凝土鋪裝體系在鋼橋面中的應(yīng)用［J］.橋梁建設(shè)，2019，49（S1）：20-25.