超高性能混凝土在拱橋中的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

陳茂蘭 施汝軍 李韜文 黃林 張森

超高性能混凝土UHPC作為新型水泥基復(fù)合材料，有較為明顯的力學(xué)及耐久性優(yōu)勢(shì)，可以廣泛運(yùn)用于橋梁工程領(lǐng)域。文章分析了UHPC在拱橋中的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀及其不足，闡述了UHPC的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益。

UHPC;拱橋;建造技術(shù);應(yīng)用

U445.57A220772

0 引言

超高性能混凝土即UHPC，是近年來被工程界稱之為最有創(chuàng)新性的水泥基工程材料[1]。UHPC材料由于具有較好的力學(xué)性能及耐久性，所以對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，能夠?qū)崿F(xiàn)增長(zhǎng)跨徑并盡量減小構(gòu)件尺寸，有助于施工的有效開展并縮短工期，也能在最大程度上減少工程建設(shè)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響。同時(shí)，由于此種設(shè)計(jì)的優(yōu)良特性，能在最大程度上減少后期所需要投入的維護(hù)成本，并在最大程度上將橋梁壽命延長(zhǎng)。

現(xiàn)階段，全球已經(jīng)有400多座使用UHPC材料的橋梁建筑[2]，但是UHPC較少被運(yùn)用在拱橋建設(shè)中。2020-08-05，全國(guó)首座UHPC箱拱天橋（八丘田車行天橋）成功合龍，開拓了UHPC在橋梁工程中運(yùn)用的新篇章。在持續(xù)發(fā)展過程中，我國(guó)已經(jīng)掌握了較為先進(jìn)的UHPC試驗(yàn)室制備技術(shù)，通過八丘田車行天橋的成功案例證明UHPC材料可以運(yùn)用到拱橋建筑之中，這也在很大程度上為UHPC拱橋的應(yīng)用提供參考。

1990年之后，我國(guó)學(xué)者開始對(duì)UHPC進(jìn)行研究，多名學(xué)者陸續(xù)發(fā)表有關(guān)UHPC的論文。在此之后，北京交通大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等十余所大學(xué)陸續(xù)開展有關(guān)UHPC材料性能與構(gòu)件力學(xué)的分析并取得較多研究成果。2015年，我國(guó)出臺(tái)UHPC材料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在很大程度上推動(dòng)了其工程領(lǐng)域理論研究及實(shí)踐的發(fā)展。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的深入，UHPC也被更加廣泛地運(yùn)用到橋梁工程領(lǐng)域之中。截至目前，我國(guó)有30多座橋梁在建筑過程中已經(jīng)使用了UHPC材料。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于UHPC拱橋的分析，主要包括福州大學(xué)陳寶春、湖南大學(xué)邵旭東等學(xué)者，他們從拱橋的構(gòu)件、具體受力性能、大型拱橋試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方面出發(fā)開展了一系列的研究，這在很大程度上有助于我國(guó)UHPC拱橋下一步的建造發(fā)展，為其建造應(yīng)用奠定了有效的理論依據(jù)。

1 UHPC在拱橋中的應(yīng)用

UHPC由于有較為優(yōu)越的力學(xué)及耐久性能，所以面世之后就得以在高層建筑、大跨橋梁等工程項(xiàng)目中應(yīng)用。但在UHPC拱橋具體建造過程，需要進(jìn)行嚴(yán)格的造價(jià)控制，例如，取材本地化，利用當(dāng)?shù)厥規(guī)r機(jī)制砂以降低UHPC造價(jià)等，對(duì)此需要進(jìn)一步研究。

對(duì)于大跨徑混凝土拱橋來說，UHPC強(qiáng)度高、延性和耐久性好，用在拱橋上，自重輕，可降低施工難度、增大跨徑。通過吊裝懸拼，同時(shí)進(jìn)行過程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算調(diào)適，可確保UHPC拱橋建設(shè)的質(zhì)量安全與耐久性。因此，研究適用于實(shí)際工程應(yīng)用的UHPC拱橋施工方法，把“新材料”UHPC引進(jìn)到拱橋建造技術(shù)與應(yīng)用中，具有基礎(chǔ)性、前瞻性、先導(dǎo)性，將填補(bǔ)該領(lǐng)域空白。同時(shí)，通過UHPC的骨料本土化研究，利用地材、降低造價(jià)，可促進(jìn)UHPC推廣應(yīng)用。

現(xiàn)階段，UHPC不僅在傳統(tǒng)橋梁工程建筑中得以運(yùn)用，而且在國(guó)防、海洋、工業(yè)、市政等各工程領(lǐng)域中也已經(jīng)開始推行，極大地拓展了應(yīng)用范圍。通過借鑒這些領(lǐng)域的UHPC應(yīng)用，將激發(fā)橋梁建造出現(xiàn)更具豐富想象力的新設(shè)計(jì)、革新的施工技術(shù)，使UHPC在橋梁工程建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 UHPC存在的不足

從客觀角度而言UHPC有很多的優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)前并沒有在大型橋梁中充分運(yùn)用，主要因?yàn)榇嬖谝韵虏蛔鉡3]：

（1）目前全世界已建成的UHPC橋梁約133座，應(yīng)用的橋型有梁橋、拱橋和斜拉橋，其數(shù)量分別為127座（95.5%）、4座（3.0%）和2座（1.5%），梁橋占絕大多數(shù)，這是由于梁橋更易于找到應(yīng)用機(jī)會(huì)。在以受彎為主的梁式結(jié)構(gòu)中，UHPC梁結(jié)構(gòu)自重可有效降低，其恒活載之比是PC梁橋的5/9，故橋梁跨越能力可獲得大幅提高。但是，UHPC的超高抗壓強(qiáng)度在梁橋中難以充分發(fā)揮。從材料特性而言，將UHPC應(yīng)用于以受壓為主的拱橋，更為合理，發(fā)展?jié)摿Ω蟆?/p>

拱作為受壓為主的結(jié)構(gòu)，可以發(fā)揮UHPC的超高抗壓強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)[4]，我國(guó)和克羅地亞開展了一系列UHPC拱橋的試設(shè)計(jì)研究，結(jié)果表明UHPC拱圈自重可較RC拱圈減少約40%，并減少成本投入。福州大學(xué)開展了2根UHPC板拱的模型、數(shù)值和理論研究，結(jié)果表明，與RC拱相比，UHPC拱優(yōu)勢(shì)明顯。在小跨徑拱橋中，UHPC的自重輕、施工方便的優(yōu)勢(shì)性沒有得到充分發(fā)揮。

（2）UHPC材料需高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，影響到現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)在建筑工程中的使用[5]。國(guó)外因缺乏大型纜索吊裝設(shè)備，大跨度拱橋以懸臂澆筑為主，制約了UHPC拱橋的發(fā)展，而在我國(guó)具有較多大噸位的纜索吊裝設(shè)備，懸臂拼裝工藝成熟，適合于UHPC拱橋的建設(shè)需求。但對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用，還需要對(duì)UHPC拱橋的施工方法進(jìn)行適應(yīng)性研究。

（3）現(xiàn)階段，UHPC材料配比及制備技術(shù)已有較為成熟的研究結(jié)果，但是由于自身的材料性能導(dǎo)致對(duì)于原材料質(zhì)量以及配比有非常嚴(yán)格的要求，所以如果想要取得性能更加穩(wěn)定的材料，則應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)原材料的質(zhì)量控制。但是在橋梁建設(shè)過程中，原材料大部分從當(dāng)?shù)厝∮?，這就導(dǎo)致材料之間會(huì)有較大程度的差異，所以為了獲得更加有效的UHPC材料性能，應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室確定材料配比之后予以使用，并非直接采用現(xiàn)有的配比材料。

（4）當(dāng)前對(duì)于UHPC材料的特性很多學(xué)者開展了相關(guān)的分析，并且取得較為體系化的研究成果，然而對(duì)于其結(jié)構(gòu)及受力性能并沒有展開充分的研究。現(xiàn)有的構(gòu)件受力實(shí)驗(yàn)主要是使用了縮尺模型制作的方式，并沒有進(jìn)行足尺構(gòu)件的相關(guān)研究。而大多數(shù)情況下，縮尺模型實(shí)驗(yàn)不能在此有效預(yù)測(cè)UHPC材料在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的性能情況。

（5）對(duì)比常見的同類型材料，UHPC材料價(jià)格較貴，這也是其下一步發(fā)展過程中進(jìn)行市場(chǎng)拓展的主要限制因素。為了在最大程度上將這一限制因素解決，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)UHPC材料加強(qiáng)研究，并盡快明確與其有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這有助于UHPC的材料相關(guān)技術(shù)發(fā)展成熟，并且在最大程度上減少材料以及制作成本。同時(shí)這也意味著，應(yīng)該客觀全面地掌握UHPC材料的特性并且對(duì)其結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行研究，使UHPC材料的優(yōu)越性能在最大程度上得到凸顯并在更大范圍內(nèi)獲得認(rèn)可。其實(shí)從后期維護(hù)資金的投入以及橋梁總的生命周期成本計(jì)算而言，UHPC材料建造橋梁的總成本更少。因此，橋梁建設(shè)單位應(yīng)從經(jīng)濟(jì)成本以及社會(huì)總體效益的角度出發(fā)，轉(zhuǎn)變當(dāng)前的思想觀念，逐漸在建筑中使用UHPC材料[6]。

（6）由于現(xiàn)階段尚未構(gòu)建完善的規(guī)范章程，導(dǎo)致設(shè)計(jì)這類結(jié)構(gòu)時(shí)主要是使用目前常見的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，但是這個(gè)規(guī)范的抗壓強(qiáng)度并沒有<100 MPa。同時(shí)也沒有考慮到混凝土的拉應(yīng)力，這和

UHPC材料本身具有的高抗壓性以及必須重視的抗拉能力相距較遠(yuǎn)。所以，基于當(dāng)前常用的混凝土規(guī)范構(gòu)建UHPC結(jié)構(gòu)時(shí)無法有效匹配，不能充分地體現(xiàn)出UHPC結(jié)構(gòu)的真正優(yōu)勢(shì)性能?，F(xiàn)階段很多國(guó)家制定了具體的指南規(guī)范，我國(guó)也制訂了活性粉末混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，福建等地也在制訂UHPC橋梁設(shè)計(jì)地方標(biāo)準(zhǔn)，這些均可供研究時(shí)借鑒參考[7]。

3 UHPC的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

UHPC優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性，可大幅減少混凝土和用鋼量，減少維修養(yǎng)護(hù)，使得全壽命周期平均成本降低。因?yàn)閁HPC本身的強(qiáng)度高并且結(jié)構(gòu)可較大程度簡(jiǎn)化，能減少施工工藝流程，在最大程度上減少需要投入的人力成本，而且此材料可以在裝配施工中使用，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 社會(huì)效益

UHPC拱橋預(yù)制安裝施工周期短，能減少對(duì)社會(huì)通行的影響，降低通行安全風(fēng)險(xiǎn)。UHPC拱橋比傳統(tǒng)拱橋造型更纖薄曲美，可營(yíng)造良好的風(fēng)景。UHPC拱橋持久耐用，保障交通長(zhǎng)久安全運(yùn)營(yíng)，確保城鄉(xiāng)繁榮發(fā)展、邊疆國(guó)防安全等具有重大意義，產(chǎn)生可觀的社會(huì)效益。

3.3 環(huán)境效益

UHPC自身具有較為優(yōu)越的性能，如能夠抗?jié)B透、抗腐蝕等，所以大幅降低了構(gòu)件對(duì)環(huán)境的污染;UHPC現(xiàn)場(chǎng)施工速度快，減少了對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的影響，能產(chǎn)生良好的環(huán)境效益。

4 結(jié)語

通過將UHPC應(yīng)用于依托工程，儲(chǔ)備技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，具備了一定推廣應(yīng)用的條件，為更大跨徑節(jié)段預(yù)制安裝混凝土拱橋發(fā)展奠定基礎(chǔ)，也可為其他UHPC橋梁提供參考。UHPC拱橋建造技術(shù)與應(yīng)用，具有基礎(chǔ)性、前瞻性、先導(dǎo)性，將填補(bǔ)該領(lǐng)域空白，形成行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)建造類似UHPC橋梁，具有借鑒和參考價(jià)值，同時(shí)也將促進(jìn)UHPC的推廣應(yīng)用。

[1]《中國(guó)公路學(xué)報(bào)》編輯部.中國(guó)橋梁工程學(xué)術(shù)研究綜述[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2014，27（5）：1-96.

[2]邵旭東，邱明紅，晏班夫，等.超高性能混凝土在國(guó)內(nèi)外橋梁工程中的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2017，31（23）：33-43.

[3]徐海賓，鄧宗才.超高性能混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用[J].世界橋梁，2012，40（3）：63-67.

[4]陳寶春，季 韜，黃卿維，等.超高性能混凝土研究綜述[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014（3）：1-24.

[5]王宗山，周建庭，馬 虎，等.大跨UHPC箱形拱橋試設(shè)計(jì)研究[J].中外公路，2020，40（2）：87-90.

[6]章烽鋒.超高性能混凝土（UHPC）在橋梁改建工程中的應(yīng)用[J].廣東公路交通，2019，45（5）：31-34.

[7]邵旭東，邱明紅，晏班夫，等.超高性能混凝土在國(guó)內(nèi)外橋梁工程中的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2017，31（23）：33-43.