自錨式懸索橋UHPC 矮肋板接縫處理工藝研究及應(yīng)用

江五四，張欣

（1.中交（長(zhǎng)沙）建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有良好的力學(xué)性能，鑒于UHPC 相對(duì)較高的單價(jià)，其工程應(yīng)用主要在結(jié)構(gòu)加固和UHPC 薄層輕型組合橋面[1-3]。隨著UHPC 材料的發(fā)展普及，UHPC 方案在諸多工程應(yīng)用場(chǎng)景中更具經(jīng)濟(jì)性[4]。

益陽(yáng)青龍洲大橋主橋創(chuàng)造性地采用雙邊箱鋼-UHPC 輕型組合加勁梁，首次將UHPC 板作為橋面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于自錨式懸索橋中，降低了結(jié)構(gòu)自重，提高了結(jié)構(gòu)的受力性能[5]。

UHPC 相較于普通混凝土通常具有更大的收縮效應(yīng)，為降低結(jié)構(gòu)次內(nèi)力，橋面板采用工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)后澆縱橫向接縫形式連接。作為預(yù)制結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在于接縫位置的處理。考慮到構(gòu)造需要及施工便利性，接縫通常設(shè)置于橫梁或小縱梁上方，即橋面板的負(fù)彎矩區(qū)，接縫結(jié)構(gòu)的承載力及抗裂性能直接影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

本文以益陽(yáng)青龍洲大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^模擬施工環(huán)境，對(duì)大橋的橫向與縱向濕接縫進(jìn)行多組模型試驗(yàn)，結(jié)合有限元模型受力分析結(jié)果對(duì)比分析，全面評(píng)估UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)在實(shí)際橋梁工程建設(shè)中的技術(shù)可行性，以及橋面板接縫施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程背景

青龍洲大橋主橋是一座主跨60+110+260+110+60=600 m 的自錨式懸索橋，橋形布置如圖1所示，吊索間距10.5 m。主梁采用鋼-UHPC 輕型組合PK 梁結(jié)構(gòu)，主梁標(biāo)準(zhǔn)段橋面板布置如圖2所示，全寬為34.5 m，中心高度為3.63 m。

圖1 青龍洲大橋橋形布置（m）Fig.1 Bridge layout of Qinglongzhou Bridge（m）

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)段橋面板布置（cm）Fig.2 Standard section bridge deck arrangement of main girder（cm）

青龍洲大橋鋼-UHPC 輕型組合PK 梁下部鋼梁系由主縱箱梁、工字形橫梁、工字形小縱梁組成的雙主梁梁格體系，工字形橫梁間距為3.5 m。上部橋面板結(jié)構(gòu)為22 cm 高的UHPC 矮肋板，由504 塊預(yù)制板（圖3）和現(xiàn)澆濕接縫（圖4）兩部分組成，主梁橋面板鋪設(shè)寬度30.58 m，橫向分3 塊板預(yù)制（邊板2 塊、中板1 塊）。

圖3 青龍洲大橋標(biāo)準(zhǔn)超高性能混凝土橋面板（cm）Fig.3 Standard ultra-high-performance concrete deck of Qinglongzhou Bridge（cm）

圖4 青龍洲大橋橋面板濕接縫設(shè)計(jì)方案（cm）Fig.4 Design scheme of wet joints of Qinglongzhou Bridge deck（cm）

主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段邊板寬823.2 cm、中板寬801.2 cm，板長(zhǎng)均為300 cm，矮肋間距均為68 cm。矮肋板在預(yù)制完成后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝就位，通過現(xiàn)場(chǎng)澆筑濕接縫將上部UHPC 橋面板結(jié)構(gòu)與下部鋼梁整合到一起。

預(yù)制橋面板之間包含橫、縱向濕接縫，濕接縫底部寬度為50 cm。與原橋面板方案（傳統(tǒng)的26 cm 厚預(yù)應(yīng)力普通混凝土橋面板）相比，鋼-UHPC 組合矮肋橋面板方案均厚為14 cm（考慮接縫部位后），自重減輕約44%，且避免了張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。

2 橋面板濕接縫方案設(shè)計(jì)

2.1 接縫設(shè)計(jì)方案

預(yù)制橋面板之間的橫、縱向濕接縫設(shè)計(jì)方案（圖4），由于澆筑不連續(xù)，新老UHPC 處鋼纖維在接縫處斷開，造成新老UHPC 交界面成為彎拉薄弱處。將接縫結(jié)構(gòu)上表面的交界面各向外延伸25 cm，并在預(yù)制橋面板端部制作5 cm 深的凹槽，形成T 形的接縫橫斷面，避免接縫處于高拉應(yīng)力區(qū)。T 形濕接縫內(nèi)部主要細(xì)節(jié)如圖5 所示，包括：T 形臺(tái)階、界面鑿毛和澆水處理、預(yù)埋鋼筋、補(bǔ)強(qiáng)鋼筋、栓釘剪力連接件等。該T 形濕接縫結(jié)構(gòu)無需焊接，現(xiàn)場(chǎng)施工方便、高效。

圖5 T 形濕接縫內(nèi)部細(xì)節(jié)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the internal details of the T-shaped wet joint

青龍洲大橋橋面板結(jié)構(gòu)的濕接縫包括橫向濕接縫與縱向濕接縫。接縫處使用的UHPC 材料類型為含膨脹劑的常規(guī)UHPC 材料，添加膨脹劑可有效控制接縫處UHPC 材料的收縮量；接縫處UHPC 材料在現(xiàn)場(chǎng)澆筑完后，采用60 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)減少后期收縮。另外，接縫處UHPC 材料中使用的鋼纖維類型與預(yù)制橋面板中使用的鋼纖維類型一致，同為2.0%體積率的直線形鋼纖維，鋼纖維直徑為0.16 mm，長(zhǎng)度為13 mm。

2.2 橋梁整體有限元計(jì)算

青龍洲大橋首次采用輕型組合加勁梁，即將UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)作為橋面板與下部鋼梁結(jié)合在一起，共同在自錨式懸索橋體系內(nèi)（第一體系內(nèi)）受力。為揭示鋼-UHPC 組合梁在第一體系中的整體受力狀態(tài)，建立了青龍洲大橋全橋整體有限元模型。組合梁在輔助墩、過渡墩和橋塔處采用簡(jiǎn)支約束，橋塔底部固結(jié)，索纜與橋塔和組合梁在錨固點(diǎn)處設(shè)置主從約束。

基于我國(guó)現(xiàn)行的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)青龍洲大橋的正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行整體計(jì)算分析，主要考慮的荷載作用有：結(jié)構(gòu)自重與二期荷載、車道荷載、人群荷載、風(fēng)荷載、溫度、沉降、汽車制動(dòng)力等荷載。按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求將各分項(xiàng)荷載作用進(jìn)行組合，計(jì)算分析最不利荷載組合下的橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力。UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)在懸索橋第一體系中的受力分析模型如圖6 所示。

圖6 青龍洲大橋整體有限元模型Fig.6 Overall finite element model of Qinglongzhou Bridge

在正常使用極限狀態(tài)下，橋面板設(shè)計(jì)拉應(yīng)力由頻遇組合作用下計(jì)算求得，預(yù)制UHPC 橋面板的最大拉應(yīng)力為3.51 MPa，UHPC 接縫處的最大拉應(yīng)力為3.15 MPa。橋面板設(shè)計(jì)壓應(yīng)力由標(biāo)準(zhǔn)組合作用下計(jì)算求得，UHPC 橋面板的最大壓應(yīng)力為23.59 MPa。

在承載能力極限狀態(tài)下，橋面板設(shè)計(jì)彎矩承載能力由基本組合作用下計(jì)算求得，UHPC 橋面板的最大正彎矩為588.37 kN·m，最大負(fù)彎矩為609.02 kN·m。橋面板結(jié)構(gòu)全寬為30.58 m，換算每單位寬度橋面板結(jié)構(gòu)的最大設(shè)計(jì)正彎矩和負(fù)彎矩分別為19.24 kN·m/m 和19.92 kN·m/m。

2.3 橋面板有限元計(jì)算

為了進(jìn)一步探索UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)在第二、三體系中的局部受力狀態(tài)，利用ABAQUS 有限元軟件對(duì)青龍洲大橋的標(biāo)準(zhǔn)組合梁梁段建立了更為精準(zhǔn)的局部有限元模型。局部有限元計(jì)算重點(diǎn)分析了UHPC 矮肋板在懸索橋第二、三體系中的受力狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果如表1 所示，在車輪荷載作用下，橋面板內(nèi)縱向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在正彎矩區(qū)UHPC 矮肋底部，其中UHPC 最大縱向拉應(yīng)力為8.16 MPa，鋼板條最大拉應(yīng)力為49.70 MPa；橋面板內(nèi)橫向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在正彎矩區(qū)UHPC 頂板底部，UHPC 最大橫向拉應(yīng)力為2.55 MPa；負(fù)彎矩區(qū)橫向接縫與縱向接縫區(qū)域內(nèi)，最大拉應(yīng)力分別為2.73 MPa 和2.52 MPa。考慮疊加效應(yīng)，將整體計(jì)算頻遇組合作用下的分析結(jié)果和局部計(jì)算分析結(jié)果相加，并將相加結(jié)果作為UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)在青龍洲大橋?qū)崢蛑械淖罱K設(shè)計(jì)強(qiáng)度需求。

表1 青龍洲大橋整體與局部有限元分析結(jié)果Table 1 Overall and partial finite element analysis results of Qinglongzhou Bridge

計(jì)算結(jié)果表明：

1） UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)中底部鋼板的最大設(shè)計(jì)拉應(yīng)力為67.25 MPa，遠(yuǎn)低于Q345 鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（270 MPa），故滿足設(shè)計(jì)要求。

2） 而前文整體計(jì)算分析標(biāo)準(zhǔn)組合作用下UHPC 橋面板內(nèi)最大設(shè)計(jì)壓應(yīng)力為23.59 MPa，同樣遠(yuǎn)低于UHPC 材料抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（約72.8 MPa），說明安全富余較多。

因此，UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)在實(shí)橋應(yīng)用時(shí)的主要控制設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)為UHPC 材料中的拉應(yīng)力大小，UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)受拉區(qū)現(xiàn)澆濕接縫受力性能決定該新型橋面板是否可行[6-11]。

3 橋面板濕接縫性能試驗(yàn)研究

3.1 接縫模型制作

按照工程實(shí)際接縫尺寸，制作了2 個(gè)足尺條帶濕接縫構(gòu)件模型：1） 橫向濕接縫構(gòu)件（編號(hào)：HJF），長(zhǎng)度400 cm，寬度68 cm；2） 縱向濕接縫構(gòu)件（編號(hào)：ZJF），長(zhǎng)度342 cm，寬度68 cm。

接縫構(gòu)件制作過程：1） 制作接縫兩端預(yù)制橋面板部分，澆筑界面鑿毛處理，灑水保持濕潤(rùn)。然后，與預(yù)制的鋼梁翼緣板（焊接完栓釘剪力連接件）部位搭接好，立好接縫模板；2） 放置補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，為了測(cè)試現(xiàn)澆UHPC 材料的收縮情況，在接縫中間放入埋入式收縮測(cè)試計(jì)；3） 澆筑濕接縫UHPC材料，注意澆筑濕接縫前，需保證界面處應(yīng)不間斷灑水保持濕潤(rùn)48 h；4） 澆筑完成12 h 后，待UHPC 材料上表面初凝后，在上表面新老UHPC界面處安裝表貼式收縮測(cè)試計(jì)，目的是為了測(cè)量界面處的UHPC 材料的收縮量；5） 澆筑完成36 h后，對(duì)接縫構(gòu)件進(jìn)行72 h 的60 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)，完成接縫構(gòu)件的制作。

最后，通過三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)來模擬實(shí)橋接縫受彎情況，并檢測(cè)現(xiàn)澆濕接縫結(jié)構(gòu)的抗彎性能。

3.2 接縫抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果

鑒于橋面板縱、橫向濕接縫構(gòu)造形式類似，受力模式也基本相當(dāng)，本文僅對(duì)橫向濕接縫的抗彎性能試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)分析。對(duì)進(jìn)行完UHPC 材料收縮測(cè)試的橫向濕接縫構(gòu)件（HJF），進(jìn)行三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)來模擬實(shí)橋接縫受彎情況，并檢測(cè)現(xiàn)澆濕接縫結(jié)構(gòu)的抗彎性能，試驗(yàn)如圖7 所示。

圖7 UHPC 矮肋板橫向濕接縫抗彎試驗(yàn)（cm）Fig.7 Flexural test of transverse wet joints of UHPC low-ribbed slabs（cm）

試驗(yàn)中接縫構(gòu)件的計(jì)算跨徑為290 cm，重點(diǎn)觀測(cè)的橫截面主要包含3 類，如圖7 所示，I 類截面位于新老UHPC 交界處，橫截面形狀為T 形，截面抗彎剛度最小；II 類截面位于T 形截面與實(shí)心截面交界處，屬于橫截面剛度突變處；III 類截面位于跨中UHPC 實(shí)心處，截面抗彎剛度最大，同樣位于負(fù)彎矩荷載最大處。濕接縫抗彎試驗(yàn)結(jié)果主要包括開裂強(qiáng)度、抗彎承載能力和破壞模式。橫向濕接縫抗彎試驗(yàn)中測(cè)得的荷載-跨中撓度曲線和荷載-最大裂縫寬度曲線見圖8。

圖8 UHPC 矮肋板橫向濕接縫抗彎試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Flexural test results of transverse wet joints of UHPC low-ribbed slabs

試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)的橫向濕接縫抗彎構(gòu)件（HJF），其破壞過程大致如下，首先彎拉裂縫出現(xiàn)在I 類截面處，隨后II、III 類截面處也相繼出現(xiàn)彎拉裂縫，但整個(gè)試驗(yàn)過程中，最大裂縫寬度始終出現(xiàn)在I 類截面處，最后在豎向荷載達(dá)到255 kN 時(shí)，構(gòu)件HJF 在I 類截面處折斷破壞，破壞模式屬于延性破壞。

破壞時(shí)，I 類截面處的抗彎承載能力值為121.1 kN·m，跨中III 類截面處的抗彎承載能力值為184.9 kN·m，考慮到試驗(yàn)中接縫構(gòu)件的寬度為0.68 m，故在I、III 類截面處，單位寬度橫向接縫抗彎構(gòu)件的彎矩承載能力分別為178.1 kN·m/m 和271.9 kN·m/m，分別是上述抗彎承載能力設(shè)計(jì)值（19.92 kN·m/m）的8.9 倍和13.6 倍。

橫向接縫抗彎構(gòu)件中I、II、III 類截面處的裂縫達(dá)到特征裂縫寬度0.05～0.20 mm 時(shí)，各自位置處的UHPC 名義拉應(yīng)力值見表2。

表2 橫向濕接縫抗彎構(gòu)件名義拉應(yīng)力Table 2 Nominal tensile stress of flexural members of transverse wet joints MPa

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)特征裂縫寬度達(dá)到0.05 mm，I、II、III 類截面處的開裂強(qiáng)度分別為6.02 MPa、10.18 MPa 和17.67 MPa，均高于上述橫向濕接縫抗彎設(shè)計(jì)拉應(yīng)力值（5.88 MPa）；當(dāng)構(gòu)件中I類截面處的特征裂縫寬度達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范容許的裂縫寬度0.20 mm 時(shí)，其UHPC 名義拉應(yīng)力可達(dá)14.59 MPa，滿足上述橫向濕接縫抗彎設(shè)計(jì)拉應(yīng)力值（5.88 MPa）的2.48 倍。

上述對(duì)比結(jié)果表明：青龍洲大橋橋面板的濕接縫結(jié)構(gòu)的開裂強(qiáng)度和抗彎承載能力均符合實(shí)橋的設(shè)計(jì)需求，濕接縫結(jié)構(gòu)抗彎性能良好。

4 應(yīng)用效果

基于UHPC 橋面板接縫結(jié)構(gòu)優(yōu)化、理論分析及模型試驗(yàn)等系列工藝研究，合理編制青龍洲大橋現(xiàn)場(chǎng)橋面板濕接縫施工組織方案，主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：1） 吊裝擺放預(yù)制橋面板；2） 濕接縫處安設(shè)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋；3） 澆筑濕接縫UHPC 材料、使用振搗整平梁將橋面板表面振搗整平；4） 蒸汽養(yǎng)護(hù)濕接縫；5） 全橋橋面板上表面拋丸糙化，鋪設(shè)橋面鋪裝層及上部其他結(jié)構(gòu)，完成橋面板施工。

青龍洲大橋首次將UHPC 板作為橋面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于自錨式懸索橋中，實(shí)橋施工典型工序如圖9所示，新型接縫處理工藝的應(yīng)用極大地加快了大橋施工進(jìn)度，保證了施工質(zhì)量，提高了結(jié)構(gòu)耐久性，大橋的順利建成同時(shí)也為本研究實(shí)用性和正確性提供了有力佐證。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以益陽(yáng)市青龍洲大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證等方式，對(duì)鋼-UHPC 橋面板接縫受力性能及工程可行性進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

1） 考慮體系疊加效應(yīng)，UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)中底部鋼板、受壓區(qū)UHPC 應(yīng)力的安全儲(chǔ)備較大，該新型結(jié)構(gòu)的主要控制指標(biāo)為接縫處UHPC 拉應(yīng)力水平。

2） 針對(duì)典型截面抗彎承載力試驗(yàn)研究表明，濕接縫結(jié)構(gòu)的抗彎破壞模式為構(gòu)件上表面新老UHPC 交界面（I 類截面）內(nèi)鋼筋屈服而斷裂破壞。

3） 濕接縫破壞截面處的抗彎承載能力達(dá)178.1 kN·m/m，遠(yuǎn)大于抗彎承載能力設(shè)計(jì)值19.92 kN·m/m，濕接縫結(jié)構(gòu)的抗彎承載能力富余較大。

4） 橫向濕接縫裂縫寬度為0.05 mm 時(shí)，抗彎名義開裂強(qiáng)度為6.02 MPa；裂縫寬度為0.20 mm時(shí)，抗彎名義開裂強(qiáng)度為14.59 MPa；均高于抗彎設(shè)計(jì)拉應(yīng)力值5.88 MPa，結(jié)構(gòu)耐久性能良好。

5） 通過實(shí)橋驗(yàn)證表明，新型橋面板濕接縫處理工藝合理可行，橋面結(jié)構(gòu)性能良好，該新型結(jié)構(gòu)的成功應(yīng)用可為類似工程提供重要借鑒。