基于UHPC材料的高性能裝配式橋梁結構研發

邵旭東，邱明紅

(1.湖南大學 風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

裝配化是橋梁工業化的主要特征，也是我國建設領域“十三五”期間轉型升級與戰略產業發展方向.2016年9月，國務院印發《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，力爭10年內使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%；2016年7月，交通運輸部印發《交通運輸部關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》，指出大力推進鋼結構橋梁建設標準化設計、工業化生產、裝配化施工，提升橋梁工程的質量品質.

中小跨徑裝配式橋梁在我國橋梁建設中具有舉足輕重的地位.根據交通運輸部統計資料，到2017年底，全國公路橋梁達到83.25萬座，其中中小跨徑橋梁73.61萬座，占比達88.4%.推動裝配式中小跨徑橋梁的發展，對推動橋梁施工方式變革、提高工程質量、縮短工期、減少勞動強度、降低造價、節能環保等具有重要意義.

裝配式橋梁目前主要有裝配式混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁等)、裝配式鋼-混凝土組合梁、裝配式鋼箱梁等三大類型.但大量的工程實踐表明，現有的裝配式橋梁結構仍存在以下兩個主要技術瓶頸.

(1)現有裝配式橋梁結構或吊裝重量大，或現場施工作業量大，裝配化水平有待進一步提高：預應力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)自重較大，跨徑超過30 m，梁體重量偏大，對運輸、吊裝設備和施工安全性要求更高，導致大尺寸構件的裝配化施工難以實施；常規混凝土梁和鋼-混凝土組合梁橋面板現場作業量大、工期長；鋼箱梁現場焊接量大，施工質量不易控制.因此上述常規結構的裝配化施工水平仍有提高空間.

(2)現有裝配式橋梁結構的梁體、連接節點易開裂、破損、滲漏，耐久性較差，后期維護費用較高：預應力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)橫向連接節點屬于薄弱環節，易失效開裂導致單梁(板)受力，且易出現滲漏等技術難題；鋼-混凝土組合梁負彎矩區橋面板在實際運營階段易出現裂縫，加之雨水滲入侵蝕，影響結構安全性和耐久性；鋼箱梁采用傳統的正交異性鋼橋面系，存在鋼橋面板易出現疲勞裂縫和鋼橋面鋪裝極易損壞的難題.上述病害導致常規結構的后期維護費用偏高.

總體而言，現有裝配式中小跨徑橋梁在施工性能、使用性能、耐久性能等方面仍有很大的改進空間.面對橋梁標準化、裝配化、工業化的現實需求，在現有中小跨徑橋梁結構體系的基礎上，發展具有高施工性能、高使用性能、高耐久性能的高性能裝配式橋梁結構是重要發展趨勢.

結構技術的重大變革，材料突破是根本途徑.目前傳統中小跨徑橋型結構已基本定型，結構性能的突破將依賴于新材料的應用.超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)是一種基于最大密實度原理配制的水泥基復合材料，具有優異的力學性能和耐久性，被認為是20世紀最具創新性的水泥基工程材料之一.因此，UHPC的引入，將有望給傳統裝配式中小跨徑橋梁技術帶來革命性的變化，實現裝配式橋梁的高性能化.

湖南大學從1993年開始研究UHPC[1]，是國內最早開展相關研究的單位之一，經過20余年的研究與積累，熟練掌握UHPC的配制方法和基本性能[2-4].以此為基礎，筆者團隊切合國家重大需求，研發了具有高施工性能、高使用性能和高耐久性能的高性能裝配式橋梁結構體系，以期從根源上解決傳統橋梁所面臨的難題.本文介紹了團隊基于UHPC材料研發的高性能裝配式橋梁結構，展示了相關試驗和工作基礎.這些原創性研究有望攻克現有裝配式橋梁中的共性技術難題，提升橋梁結構的性能與品質，具有十分廣闊的應用前景.

1 關于超高性能混凝土(UHPC)

超高性能混凝土(UHPC)，系指抗壓強度在150 MPa以上，具有超高韌性、超長耐久性的水泥基復合材料的統稱[1].最具代表性的超高性能混凝土材料為活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)，最早由法國學者于1993年提出[6].UHPC主要由水泥、硅灰、細骨料、高效減水劑及鋼纖維等材料組成，按照最大密實度原理構建(圖1)，使得材料內部的缺陷(孔隙與微裂縫)減至最少，從而獲得優異的力學性能和耐久性[7].

圖1 UHPC的最大堆積密度配置原理Fig.1 Maximum packing density construction theory of UHPC

研究表明[8]，由于UHPC中分散的鋼纖維可以大大減緩材料內部微裂縫的擴展，從而使材料表現出超高的韌性和延性；同時，由于結構致密、孔隙率低，UHPC材料的耐久性可達200 a以上.UHPC的主要力學性能和耐久性能指標如表1所示.

表1 UHPC材料的基本性能指標

由于力學性能和耐久性能優異，UHPC備受學者和工程師的青睞.目前UHPC已成為國內外土木工程領域的熱點研究之一，法國、日本、美國、瑞士、中國等國家相繼頒布了UHPC材料或結構的技術規程[4].

由于UHPC具有超高的強度，在同等承載力條件下，UHPC結構的尺寸介于普通混凝土結構和鋼結構之間，且接近于鋼結構(圖2).因此，當UHPC應用于實際工程時，可大大減小截面尺寸、降低結構自重，并有利于裝配化施工.目前，UHPC已逐步在國內外的中小跨徑的裝配式橋梁中獲得應用，并顯示出廣闊的應用前景.據不完全統計[9]，到2016年底，世界各國應用UHPC材料的裝配式橋梁已超過400座.

圖2 不同材料等強度截面尺寸對比Fig.2 Comparison of cross section dimensions of different materials at equal strength

2 裝配式UHPC箱梁結構研發

2.1 研發背景

大跨預應力混凝土箱梁橋以其良好的結構性能和經濟性，在60～200 m范圍內極具競爭力.大量工程實踐表明，目前在役的大跨箱梁橋普遍存在梁體開裂、跨中過度下撓等病害和梁體自重過大、采用懸臂澆筑施工工期較長等問題[10-12].

2.2 研發思路及技術要點

針對大跨箱梁橋的上述病害和不足，項目組利用UHPC高抗拉強度和低徐變的特點，提出了一種與UHPC特性相匹配的新型裝配式UHPC箱梁結構[13]，如圖3所示.

圖3 裝配式UHPC箱梁Fig.3 Assembled UHPC box girder

具體分析，其技術要點包括：

(1)結構輕型化：利用UHPC輕質高強的特點，減小結構板件尺寸，板件尺寸僅為傳統箱梁的1/2～1/3，大幅減輕結構自重，自重一般約為普通混凝土箱梁的40%～60%；

(2)設置密集橫隔板：箱內設置了間距3～5 m的密集橫隔板，以達到以下目的：①防止箱梁扭轉畸變；②對頂板加勁，從而取消橫向預應力；③對腹板加勁，從而取消豎向預應力；④對底板加勁，以防止承壓失穩；⑤方便體外預應力的轉向與錨固；

(3)僅采用單向預應力：由于UHPC高抗拉強度，同時UHPC箱梁中密集分布橫隔板對箱梁頂、底、腹板的加勁作用，可取消箱梁橫向預應力及豎向預應力，從而將傳統的三向預應力體系轉變為單向(縱向)預應力體系，簡化預應力體系施工，更易于保證箱梁預應力的施工質量；

(4)采用體內、外混合配束：由于 UHPC 箱梁板件厚度的限制，縱向預應力布置為部分體內索、部分體外索；

(5)采用節段預制拼裝施工方法：UHPC經高溫蒸養，后期收縮基本為零，后期徐變大幅度減小.為有效解決主跨過度下撓問題，UHPC 箱梁橋宜考慮采用預制節段法施工，以方便UHPC箱梁的養護，保證施工質量和加快施工速度.

2.3 基本受力性能與工作基礎

自2012年以來，項目組對針對新型裝配式UHPC箱梁結構開展了一系列試驗研究，包括UHPC徐變特性、頂板局部受力性能、扭轉畸變性能、剪力滯、接縫構型、腹板抗剪性能等方面，如圖4所示.通過試驗，掌握了UHPC薄壁箱梁在不同荷載模式下的基本受力性能，驗證了本技術的可行性：

(1)UHPC梁徐變變形僅為常規混凝土梁的20%；

(2)密集橫隔板UHPC箱梁通過高性能材料的應用和對橋面支承體系的改變，擴展了橋面板線彈性工作區間，試驗結果發現5.5倍設計車輪局部荷載作用下橋面板仍處于線彈性受力階段，具有較高的抗超載能力；

(3)不同隔板間距的1∶5縮尺UHPC箱梁模型的偏心扭轉試驗表明，相比隔板間距為1.07 m的UHPC箱梁，隔板間距為0.8 m時UHPC箱梁最大扭轉畸變應力可降低30%以上；

(4)UHPC箱梁抗剪試驗結果表明UHPC腹板剪切抗裂強度約為8 MPa，而主跨400 m的UHPC連續箱梁橋腹板(壁厚30 cm)的最大主拉應力約4.5 MPa，抗裂安全度為1.8.

圖4 裝配式UHPC箱梁試驗Fig.4 Experimental tests of assembled UHPC box girder

目前裝配式UHPC箱梁結構擬應用于兩座實橋：(1) 英德市S292線延長線一級公路新建工程北江四橋，為單跨102 m的UHPC簡支箱梁橋；(2)擬應用于廣東省清遠西部一級公路工程大有互通立交省道S114跨線主橋，為30+50+30 m UHPC連續箱梁橋.基于擬應用工程，項目組編制了專用技術規程，作為設計、施工的受控文件.

2.4 適用條件與顯著效果

傳統預應力混凝土箱梁橋自重大，且普遍存在主梁下撓、開裂等問題，限制了跨徑的進一步提高，并影響了橋梁的使用性能，且懸臂澆筑施工周期較長.項目組研發了裝配式UHPC箱梁結構，適用于60～500 m的連續梁或連續剛構橋.若將該新型橋梁結構應用于大跨徑連續梁或連續剛構橋，具有以下顯著效果：

(1)UHPC箱梁橋繼承了常規混凝土箱梁橋的經濟性優點，研究表明，UHPC箱梁橋在60～500 m范圍內將對其它橋梁方案形成有力競爭；

(2)得益于UHPC優異的力學性能，UHPC箱梁橋能夠同時避免梁體開裂、下撓等常見病害，提高了耐久性.

(3)采用節段預制拼裝施工方法，UHPC箱梁橋可實現快速化施工，節省施工周期.

3 全預制UHPC “π” 形梁研發

3.1 研發背景

混凝土空心板和T梁橋具有結構簡單、受力明確、造價低廉、架設方便等優勢，因而在我國既有公路中小跨徑橋梁中應用廣泛.空心板主要用于20 m跨徑以內和橋下凈空受限等情況，T梁主要用于20～ 40 m跨徑范圍內.但多年的工程實踐表明，空心板鉸縫易損壞導致單板受力，T梁橋在運營期橫隔板易損壞、翼緣板縱向接縫易開裂、滲漏[14-15].裝配化施工過程中，濕接縫鋼筋需焊接，增加了現場工作量.此外，對于預應力混凝土空心板和T梁，由于存在預應力反拱問題，需設置澆筑橋面調平層，也增大了現場澆筑量.

3.2 研發理念及技術要點

針對上述混凝土空心板和T梁的不足之處，項目組利用UHPC優異的力學性能和耐久性能，提出了一種輕質、耐久、施工便利、可適應嚴苛凈空的全預制UHPC“π”形梁[16]，如圖5所示.

圖5 全預制UHPC“π”形梁Fig.5 Fully fabricated UHPC π-shaped girder

具體分析，其技術要點包括：

(1)結構輕型化：利用UHPC輕質高強的特點，減小結構板件尺寸，梁體高跨比可降至1/20，大幅減輕結構自重，自重一般約為普通混凝土T梁的40%～60%；

(2)采用π形預制單元：通過兩片T梁整體預制形成“π”形預制單元，減少梁間縱向接縫數量，同時“π”形斷面可增強施工過程穩定性，避免施工過程中梁體的傾覆，并將單榀“π”梁預制寬度控制在3 m左右，30 m跨徑吊裝重量約70 t，便于公路運輸和現場吊裝；

(3)強化縱向接縫構造：對于UHPC材料，接縫處纖維不連續，為受力薄弱環節，應對其進行強化處理，采用局部加高的“T”形接縫(圖 6)可達到節點強度高于母材的設計要求.同時利用UHPC與鋼筋良好的粘結性能，可將鋼筋錨固長度降低至10 d以內，簡化濕接縫鋼筋構造，避免焊接，減少現場作業量；

圖6 局部加高“T”性接縫構造Fig.6 Locally elevated T joint

(4)采用斷續分布橫隔板構型：為加強梁體的橫向受力整體性，在“π”形預制單元內跨中、四分點等位置設置橫隔板，通過調整相鄰“π”形預制單元的間距和強化縱向接縫構造等措施，可取消“π”形預制單元之間的跨中、四分點等位置橫隔板，形成斷續分布橫隔板構型；與此同時，取消“π”形預制單元間橫隔板，可簡化現場模板搭設，便于快速化施工；

(5)取消預應力筋：利用UHPC高韌性和高抗裂性能，40 m跨徑內可取消預應力筋，簡化現場施工程序；同時，由于取消預應力筋，梁體反拱不一致的問題得到解決，進而可取消橋面調平層，減少現場澆筑量，提高結構裝配化水平.

3.3 基本受力性能與工作基礎

為了解全預制UHPC“π”形梁的受力性能，項目組開展了1:2縮尺抗彎、剪性能試驗(圖 7)、UHPC橋面板濕接縫試驗(圖 8)，試驗結果表明驗證了方案的安全性和可行性：

(1)UHPC梁抗彎、抗剪試驗表明UHPC“π”形梁彎拉應力的抗裂安全度為1.63，主拉應力的抗裂安全度為1.09；

(2)局部加高的強化濕接縫構造初裂點和最終的破壞截面均位于預制UHPC板處，避免了UHPC濕接縫處鋼纖維不連續的不利影響，實現節點強度高于母板.

此外，在試驗研究的基礎上，項目組研究并掌握了全預制UHPC “π” 形梁抗彎、抗剪承載能力和裂縫寬度計算方法，為全預制UHPC “π” 形梁的應用和推廣提供了理論基礎.

圖7 預制UHCP“π”形梁縮尺模型試驗Fig.7 Scale model test of precast UHPC π-shape beam

圖8 UHPC橋面板濕接縫試驗Fig.8 Experimental tests of wet joint in UHPC slab

3.4 適用條件與顯著效果

傳統混凝土空心板和T梁橋運營過程中橫向連接易破損，導致單板(梁)受力，易出現滲漏等病害，裝配化施工過程中濕接縫鋼筋焊接量大，且需澆筑橋面調平層，影響結構的快速化施工.項目組研發了全預制UHPC“π” 形梁結構，適用于10～50 m的簡支梁與連續梁.若將該新型橋梁結構應用于替代空心板和T梁，具有以下顯著效果：

(1)與同等跨徑的混凝土空心板和T梁橋相比，UHPC “π” 形梁自重可減輕40%～60%，便于整體化運輸和快速化架設；

(2)利用UHPC優異的力學性能，強化連接節點受力性能，實現節點強度高于母材，完全規避節點開裂、滲漏的風險；

(3)由于UHPC優異的性能，UHPC中鋼筋錨固長度可減至10 d以內、40 m跨徑內UHPC梁可取消預應力，進而可實現現場零焊接和取消現澆橋面調平層，實現結構的快速化施工；

(4)梁體高跨比可降低至1/20，UHPC “π”形可適用于橋梁凈空受限的情況.

4 全預制鋼-UHPC組合“π”梁研發

4.1 研發背景

鋼-混凝土組合梁一般而言可充分利用鋼材受拉的性能、混凝土受壓的性能，具有較好的經濟性能.但在負彎矩區域會產生混凝土受拉，鋼梁受壓的不利情況.正常使用階段，混凝土橋面板易開裂，降低組合梁剛度，影響結構的安全性和耐久性[17].對于施工性能而言，裝配式鋼-混凝土組合梁中，橋面板為部分預制，澆筑橋面板接縫工作量大，現場施工工作量大.這些問題都給這類結構的推廣應用造成了一定的困擾.

4.2 研發理念及技術要點

針對組合梁負彎矩區混凝土易開裂和現澆濕接縫量大的難點，項目組提出一種鋼-UHPC輕型組合“π”梁[18]，其構造如圖9所示，這類結構的主要特點是用UHPC橋面薄板代替原鋼-混凝土組合梁中的混凝土橋面板.

圖9 全預制鋼-UHPC輕型組合“π”形梁Fig.9 Fully fabricated steel-UHPC lightweight π-shaped composite girder

具體分析，其技術要點包括：

(1)結構輕型化：利用UHPC輕質高強特點，可將UHPC橋面板厚度降低至12～20 cm，進而可降低組合梁自重30%～40%；

(2)組合梁一次成型：鋼主梁和UHPC橋面板均在廠內預制，現場僅需澆筑UHPC板和相鄰跨間的接縫，組合梁整體受力，可節省用鋼量，梁體高跨比可降至1/25，適用于凈空受限情況，并大大減少了現場濕接縫澆筑量；

(3)采用“π”性預制單元：由兩片工字形組合梁整體預制形成“π”形預制單元，大幅減少縱向接縫數量，同時“π”形斷面可增強施工過程穩定性，避免施工過程中梁體的傾覆，并將單榀“π”梁預制寬度控制在3 m左右，30 m跨徑吊裝重量約45 t，便于公路運輸和現場吊裝；

(4)強化縱、橫向接縫構造：縱向接縫構造與3.2節所述全預制UHPC“π”形梁一致，墩頂負彎矩區現澆接縫采用如圖 10所示的帶嵌入式鋼板的“T”形接縫方案，提高負彎矩區現澆接縫抗裂安全性；

(5)采用斷續分布橫隔板構型：為加強梁體的橫向受力整體性，在“π”形預制單元內跨中、四分點等位置設置鋼橫隔板或橫梁，通過調整相鄰“π”形預制單元的間距和強化縱向接縫構造等措施，可取消“π”形預制單元之間的跨中、四分點等位置鋼橫隔板或橫梁，形成斷續分布橫隔板構型；與此同時，取消“π”形預制單元間橫隔板，可簡化鋼橫梁的連接施工.

圖10 鋼-UHPC組合梁負彎矩區現澆接縫構造Fig.10 Steel-UHPC composite girder connectionat negative moment region

4.3 基本受力性能與工作基礎

為了深入了解鋼-UHPC組合梁負彎矩區現澆濕接縫受力性能，項目組開展了1∶2縮尺模型試驗(圖 11)，試驗結果表明負彎矩區UHPC接縫名義開裂應力超過30 MPa，驗證了接縫方案的安全性和可行性.與此同時，還開展了鋼-UHPC組合梁彎、剪試驗、橋面板縱向抗剪試驗、界面靜力與疲勞推出試驗、長期收縮徐變試驗和鋼-UHPC組合梁設計方法研究工作.

4.4 適用條件與顯著效果

傳統鋼-混凝土組合梁負彎矩區域混凝土橋面板易開裂，降低組合梁剛度，影響結構的安全性和耐久性.裝配化施工過程中，裝配式鋼-混凝土組合梁中，橋面板為部分預制，澆筑橋面板接縫工作量大，現場施工工作量大.項目組研發了全預制鋼-UHPC“π” 形梁結構，適用于20～100 m的鋼混組合梁.若將該新型橋梁結構應用于替代傳統鋼-混凝土組合梁，具有以下顯著效果：

(1)將與同等跨徑的鋼-混凝土組合梁相比，鋼-UHPC “π” 形梁自重可減輕30%～40%，便于運輸和吊裝；

圖11 鋼-UHPC組合“π”形梁墩頂負彎矩區現澆接縫模型試驗Fig.11 Test of steel-UHPC composite girderconnection at negative moment region

(2)利用UHPC優異的力學性能，強化橋面板和墩頂負彎矩區連接節點受力性能，實現節點強度高于母材，完全規避節點開裂、滲漏的風險，解決組合梁負彎矩區易開裂的難題；

(3)由于UHPC優異的性能，UHPC中鋼筋錨固長度可減至10 d以內，進而可實現現場零焊接，實現結構的快速化施工；

(4)梁體高跨比可降低至1/25，鋼-UHPC “π”形組合梁可適用于橋梁凈空受限的情況.

5 結論

UHPC是一種具有優異的力學性能和耐久性的水泥基復合材料，被認為是20世紀最具創新性的水泥基工程材料之一.UHPC的引入，將有望給傳統裝配式中小跨徑橋梁技術帶來革命性的變化，實現裝配式橋梁的高性能化：

(1)等強度承載條件下，自重可降為傳統結構的40%～60%，以方便運輸，實現大構件快速化架設；

(2)因UHPC中鋼筋錨固長度僅需10倍的鋼筋直徑，現場各梁間結合部可大幅度縮小，并可實現現場零焊接；

(3)結構抗腐蝕、抗凍、防滲漏性能優良，基本實現結構設計壽命周期內免維護；

裝配式中小跨徑橋梁中引入高性能材料UHPC實現高性能化，有望基本解決現有裝配式橋梁結構的技術難題，實現結構高施工性能、結構高使用性能、結構高耐久性能的可持續發展戰略，結束我國傳統“粗放”式的高勞動強度、高能耗建造模式，符合目前國家大力發展裝配式建筑政策導向和大力推進建設領域“供給側結構性改革”的總體目標，是提升我國橋梁結構建設品質的重要途徑.