高性能鋼-UHPC組合結構力學性能試驗與理論研究

楊振偉　雷蕾　呂秀媛　葉新宇　戴蘇妍

摘 要：鋼-超高性能混凝土（UHPC）組合結構是一種新型結構體系，近年來被越來越多地應用在實際工程之中，對其性能的研究有著更加深遠的意義。文章基于高性能組合橋梁的結構新體系，分析傳統鋼混結構存在的問題，簡述高性能材料近年來在工程上的應用及超高性能混凝土在工程應用方面的優勢，簡要分析裝配式組合結構橋梁剪力連接方式和預制橋面板接縫構造，進行裝配式組合結構橋梁體系的力學性能試驗和理論研究。

關鍵詞：鋼-UHPC;裝配式;力學性能

隨著我國橋梁建設規模的擴大以及道路建設的升級，橋梁呈現出橋型更加多樣、跨徑不斷增大、結構更加輕盈、更加注重美觀和綜合效益的發展趨勢。普通混凝土自重過大、大跨徑組合結構橋梁的負彎矩區容易產生開裂、鋼與混凝土連接滑移和鋪裝層易損壞等諸多問題，均制約了鋼混組合結構在橋梁工程中的使用和發展。普通混凝土橋面板易發生開裂，將可能導致主梁的結構剛度下降和非線性現象增強、界面組合作用減弱、內部鋼筋及下部鋼梁銹蝕等病害，嚴重影響橋體結構的耐久性等。合理應用工程新材料解決土木工程難題、突破工程技術瓶頸，已成為眾多土木工程學者的共識，其中，材料和結構形式方面的理論及應用創新是橋梁鋼混組合結構的主要創新途徑。

1 ? ?高性能組合橋梁的結構新體系

1.1 ?高性能材料的應用

近十年來，高性能鋼材（HPS）發展飛速，尤其是在鋼材的強度、可焊性、耐候性及斷裂韌性等方面，取得了長足的進步，能夠很好地滿足橋梁對動載、耐蝕和耐震等方面的性能需求。

在大跨度橋梁鋼橋面的應用方面，高性能鋼材主要應用于大跨重載鐵路橋梁;鋼-超高性能混凝土材料則可增強正交異性鋼橋面的穩定性及耐久性。

UHPC材料和高性能鋼材等高性能結構材料的發展，為組合結構橋梁體系創新和綜合性能全面提升注入了新的活力。在量大面廣的中小跨徑城市橋梁中，為適應結構輕型化和高耐久性等方面的需求，高性能鋼-混凝土組合梁橋以及鋼-UHPC輕型組合梁橋因選用了高性能結構材料，具有廣闊的發展和應用前景。

1.2 ?超高性能混凝土在工程應用方面的優勢

與傳統混凝土相比，UHPC在工程應用方面具有諸多優勢。

（1）具有超高的力學性能。其強度遠遠高于傳統混凝土，可以適用于更多環境，即使在超載或地震以及各種惡劣的情況下也會表現出優越的穩定性，最大限度地降低財產的損失，較好地優化了工程材料性能。

（2）具有超高的耐久性。其質地致密度極高，氯離子和硫酸鹽的滲透率幾乎為零，有利于縮短建筑的更替時間，延長工程材料使用壽命，進而節約建筑維修維護的相關費用。腐蝕程度低且慢的超高性能混凝土在惡劣環境下為混凝土材料的使用提供了工程應用上的基本保證。

（3）重量較低。相同體積下其重量僅是傳統混凝土重量的一半。自重的減少有利于建造更加細長的建筑，在降低了混凝土厚度的同時，有利于增強其彈性變化量及結構底部穩定性。

1.3 ?基于裝配式的鋼-混凝土組合梁橋結構的應用

隨著橋梁工業化建造技術的發展，裝配式組合梁橋體系應運而生，核心是將工廠化制造的鋼梁和預制橋面板在現場進行快速拼裝，極大地提高了橋梁建設速度，但普通的裝配式橋梁由于材料缺乏耐久性，僅作為應急橋梁，不能長期使用，且后期不能轉化。

在使用高性能材料替代傳統橋梁材料后，裝配式鋼-混凝土組合梁橋體系具有高耐久性、可更換性等技術優勢。近年來，以裝配式組合鋼箱梁為主的橋梁結構體系，在我國一些長且大的公路橋梁中得到了應用，比如：上海長江大橋105 m主跨連續組合鋼箱梁橋、港珠澳跨海大橋85 m主跨連續組合鋼箱橋。

2 ? ?基于裝配式的高性能鋼-UHPC組合結構

2.1 ?裝配式鋼-UHPC組合結構橋梁力學性能實驗方法

針對裝配式鋼-UHPC組合結構橋梁的結構特點，通過試驗和理論分析對該橋梁體系的抗裂性能、組合性能等的研究，采用4組裝配式鋼-UHPC組合結構梁，在相同的環境下進行結構靜力加載試驗，得到實驗數據后，研究剪力連接度的規律、裝配式鋼-UHPC組合結構橋梁的破壞模式，論證裝配式鋼-UHPC組合結構橋梁的受力性能。同時，結合兩組推出試驗，分析該連接結構的水平傳力機理。此外，設計并進行一個新型裝配式組合梁的抗彎試驗，探討其破壞形式以及荷載-撓度曲線，通過有限元分析軟件ABAQUS，結合抗彎試驗結果，對組合結構橋梁各部件進行分析，通過與試驗結果的比較進行建模分析，并驗證模型的準確性，對組合梁的破壞機理做進一步分析。

2.2 ?裝配式組合結構與預應力技術相結合

基于裝配式的高性能鋼-UHPC組合梁在工程中采用了耐大氣腐蝕鋼、鋼-混凝土界面連接膠及波形鋼腹板等新型材料，可構成雙鋼箱閉合截面，該組合結構與預應力技術相結合，發揮出了更大的結構優勢。

（1）讓結構更加輕盈，降低橋梁自身重量，讓橋梁穩定性更好，承載能力更大。

（2）使構件抗腐蝕性能更好，延長工件使用壽命。

（3）提高結構剛度，充分發揮鋼結構強度高、韌性好等優點，弱化風力作用，進而減小空氣磨損帶來的不利影響。

（4）在兼顧美觀和經濟、提高橋梁結構的跨越能力的同時，發揮出結構優勢，建造雙層橋面。

（5）在一定程度上降低建筑成本、實現了復雜橋梁結構的自動化生產。

3 ? ?結語

應用裝配式鋼-UHPC組合結構橋梁建造技術，不但可以大幅度提高施工的質量，還可以延長建筑的使用壽命，減少施工的時間，減少開支，同時，也可以減少施工過程中產生的污染，保護環境。裝配式組合結構橋梁能良好地適應橋梁工業化建造技術，具有廣闊的發展和應用前景。

作者簡介：楊振偉（1999— ），男，河南周口人，本科生;研究方向：土木工程。