基于UHPC材料的高性能装配式桥梁结构研发

邵旭东，邱明红

(1.湖南大学 风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，湖南 长沙 410082；2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

装配化是桥梁工业化的主要特征，也是我国建设领域“十三五”期间转型升级与战略产业发展方向.2016年9月，国务院印发《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》，力争10年内使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%；2016年7月，交通运输部印发《交通运输部关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，指出大力推进钢结构桥梁建设标准化设计、工业化生产、装配化施工，提升桥梁工程的质量品质.

中小跨径装配式桥梁在我国桥梁建设中具有举足轻重的地位.根据交通运输部统计资料，到2017年底，全国公路桥梁达到83.25万座，其中中小跨径桥梁73.61万座，占比达88.4%.推动装配式中小跨径桥梁的发展，对推动桥梁施工方式变革、提高工程质量、缩短工期、减少劳动强度、降低造价、节能环保等具有重要意义.

装配式桥梁目前主要有装配式混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁等)、装配式钢-混凝土组合梁、装配式钢箱梁等三大类型.但大量的工程实践表明，现有的装配式桥梁结构仍存在以下两个主要技术瓶颈.

(1)现有装配式桥梁结构或吊装重量大，或现场施工作业量大，装配化水平有待进一步提高：预应力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)自重较大，跨径超过30 m，梁体重量偏大，对运输、吊装设备和施工安全性要求更高，导致大尺寸构件的装配化施工难以实施；常规混凝土梁和钢-混凝土组合梁桥面板现场作业量大、工期长；钢箱梁现场焊接量大，施工质量不易控制.因此上述常规结构的装配化施工水平仍有提高空间.

(2)现有装配式桥梁结构的梁体、连接节点易开裂、破损、渗漏，耐久性较差，后期维护费用较高：预应力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)横向连接节点属于薄弱环节，易失效开裂导致单梁(板)受力，且易出现渗漏等技术难题；钢-混凝土组合梁负弯矩区桥面板在实际运营阶段易出现裂缝，加之雨水渗入侵蚀，影响结构安全性和耐久性；钢箱梁采用传统的正交异性钢桥面系，存在钢桥面板易出现疲劳裂缝和钢桥面铺装极易损坏的难题.上述病害导致常规结构的后期维护费用偏高.

总体而言，现有装配式中小跨径桥梁在施工性能、使用性能、耐久性能等方面仍有很大的改进空间.面对桥梁标准化、装配化、工业化的现实需求，在现有中小跨径桥梁结构体系的基础上，发展具有高施工性能、高使用性能、高耐久性能的高性能装配式桥梁结构是重要发展趋势.

结构技术的重大变革，材料突破是根本途径.目前传统中小跨径桥型结构已基本定型，结构性能的突破将依赖于新材料的应用.超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)是一种基于最大密实度原理配制的水泥基复合材料，具有优异的力学性能和耐久性，被认为是20世纪最具创新性的水泥基工程材料之一.因此，UHPC的引入，将有望给传统装配式中小跨径桥梁技术带来革命性的变化，实现装配式桥梁的高性能化.

湖南大学从1993年开始研究UHPC[1]，是国内最早开展相关研究的单位之一，经过20余年的研究与积累，熟练掌握UHPC的配制方法和基本性能[2-4].以此为基础，笔者团队切合国家重大需求，研发了具有高施工性能、高使用性能和高耐久性能的高性能装配式桥梁结构体系，以期从根源上解决传统桥梁所面临的难题.本文介绍了团队基于UHPC材料研发的高性能装配式桥梁结构，展示了相关试验和工作基础.这些原创性研究有望攻克现有装配式桥梁中的共性技术难题，提升桥梁结构的性能与品质，具有十分广阔的应用前景.

1 关于超高性能混凝土(UHPC)

超高性能混凝土(UHPC)，系指抗压强度在150 MPa以上，具有超高韧性、超长耐久性的水泥基复合材料的统称[1].最具代表性的超高性能混凝土材料为活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)，最早由法国学者于1993年提出[6].UHPC主要由水泥、硅灰、细骨料、高效减水剂及钢纤维等材料组成，按照最大密实度原理构建(图1)，使得材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减至最少，从而获得优异的力学性能和耐久性[7].

图1 UHPC的最大堆积密度配置原理Fig.1 Maximum packing density construction theory of UHPC

研究表明[8]，由于UHPC中分散的钢纤维可以大大减缓材料内部微裂缝的扩展，从而使材料表现出超高的韧性和延性；同时，由于结构致密、孔隙率低，UHPC材料的耐久性可达200 a以上.UHPC的主要力学性能和耐久性能指标如表1所示.

表1 UHPC材料的基本性能指标

由于力学性能和耐久性能优异，UHPC备受学者和工程师的青睐.目前UHPC已成为国内外土木工程领域的热点研究之一，法国、日本、美国、瑞士、中国等国家相继颁布了UHPC材料或结构的技术规程[4].

由于UHPC具有超高的强度，在同等承载力条件下，UHPC结构的尺寸介于普通混凝土结构和钢结构之间，且接近于钢结构(图2).因此，当UHPC应用于实际工程时，可大大减小截面尺寸、降低结构自重，并有利于装配化施工.目前，UHPC已逐步在国内外的中小跨径的装配式桥梁中获得应用，并显示出广阔的应用前景.据不完全统计[9]，到2016年底，世界各国应用UHPC材料的装配式桥梁已超过400座.

图2 不同材料等强度截面尺寸对比Fig.2 Comparison of cross section dimensions of different materials at equal strength

2 装配式UHPC箱梁结构研发

2.1 研发背景

大跨预应力混凝土箱梁桥以其良好的结构性能和经济性，在60～200 m范围内极具竞争力.大量工程实践表明，目前在役的大跨箱梁桥普遍存在梁体开裂、跨中过度下挠等病害和梁体自重过大、采用悬臂浇筑施工工期较长等问题[10-12].

2.2 研发思路及技术要点

针对大跨箱梁桥的上述病害和不足，项目组利用UHPC高抗拉强度和低徐变的特点，提出了一种与UHPC特性相匹配的新型装配式UHPC箱梁结构[13]，如图3所示.

图3 装配式UHPC箱梁Fig.3 Assembled UHPC box girder

具体分析，其技术要点包括：

(1)结构轻型化：利用UHPC轻质高强的特点，减小结构板件尺寸，板件尺寸仅为传统箱梁的1/2～1/3，大幅减轻结构自重，自重一般约为普通混凝土箱梁的40%～60%；

(2)设置密集横隔板：箱内设置了间距3～5 m的密集横隔板，以达到以下目的：①防止箱梁扭转畸变；②对顶板加劲，从而取消横向预应力；③对腹板加劲，从而取消竖向预应力；④对底板加劲，以防止承压失稳；⑤方便体外预应力的转向与锚固；

(3)仅采用单向预应力：由于UHPC高抗拉强度，同时UHPC箱梁中密集分布横隔板对箱梁顶、底、腹板的加劲作用，可取消箱梁横向预应力及竖向预应力，从而将传统的三向预应力体系转变为单向(纵向)预应力体系，简化预应力体系施工，更易于保证箱梁预应力的施工质量；

(4)采用体内、外混合配束：由于 UHPC 箱梁板件厚度的限制，纵向预应力布置为部分体内索、部分体外索；

(5)采用节段预制拼装施工方法：UHPC经高温蒸养，后期收缩基本为零，后期徐变大幅度减小.为有效解决主跨过度下挠问题，UHPC 箱梁桥宜考虑采用预制节段法施工，以方便UHPC箱梁的养护，保证施工质量和加快施工速度.

2.3 基本受力性能与工作基础

自2012年以来，项目组对针对新型装配式UHPC箱梁结构开展了一系列试验研究，包括UHPC徐变特性、顶板局部受力性能、扭转畸变性能、剪力滞、接缝构型、腹板抗剪性能等方面，如图4所示.通过试验，掌握了UHPC薄壁箱梁在不同荷载模式下的基本受力性能，验证了本技术的可行性：

(1)UHPC梁徐变变形仅为常规混凝土梁的20%；

(2)密集横隔板UHPC箱梁通过高性能材料的应用和对桥面支承体系的改变，扩展了桥面板线弹性工作区间，试验结果发现5.5倍设计车轮局部荷载作用下桥面板仍处于线弹性受力阶段，具有较高的抗超载能力；

(3)不同隔板间距的1∶5缩尺UHPC箱梁模型的偏心扭转试验表明，相比隔板间距为1.07 m的UHPC箱梁，隔板间距为0.8 m时UHPC箱梁最大扭转畸变应力可降低30%以上；

(4)UHPC箱梁抗剪试验结果表明UHPC腹板剪切抗裂强度约为8 MPa，而主跨400 m的UHPC连续箱梁桥腹板(壁厚30 cm)的最大主拉应力约4.5 MPa，抗裂安全度为1.8.

图4 装配式UHPC箱梁试验Fig.4 Experimental tests of assembled UHPC box girder

目前装配式UHPC箱梁结构拟应用于两座实桥：(1) 英德市S292线延长线一级公路新建工程北江四桥，为单跨102 m的UHPC简支箱梁桥；(2)拟应用于广东省清远西部一级公路工程大有互通立交省道S114跨线主桥，为30+50+30 m UHPC连续箱梁桥.基于拟应用工程，项目组编制了专用技术规程，作为设计、施工的受控文件.

2.4 适用条件与显著效果

传统预应力混凝土箱梁桥自重大，且普遍存在主梁下挠、开裂等问题，限制了跨径的进一步提高，并影响了桥梁的使用性能，且悬臂浇筑施工周期较长.项目组研发了装配式UHPC箱梁结构，适用于60～500 m的连续梁或连续刚构桥.若将该新型桥梁结构应用于大跨径连续梁或连续刚构桥，具有以下显著效果：

(1)UHPC箱梁桥继承了常规混凝土箱梁桥的经济性优点，研究表明，UHPC箱梁桥在60～500 m范围内将对其它桥梁方案形成有力竞争；

(2)得益于UHPC优异的力学性能，UHPC箱梁桥能够同时避免梁体开裂、下挠等常见病害，提高了耐久性.

(3)采用节段预制拼装施工方法，UHPC箱梁桥可实现快速化施工，节省施工周期.

3 全预制UHPC “π” 形梁研发

3.1 研发背景

混凝土空心板和T梁桥具有结构简单、受力明确、造价低廉、架设方便等优势，因而在我国既有公路中小跨径桥梁中应用广泛.空心板主要用于20 m跨径以内和桥下净空受限等情况，T梁主要用于20～ 40 m跨径范围内.但多年的工程实践表明，空心板铰缝易损坏导致单板受力，T梁桥在运营期横隔板易损坏、翼缘板纵向接缝易开裂、渗漏[14-15].装配化施工过程中，湿接缝钢筋需焊接，增加了现场工作量.此外，对于预应力混凝土空心板和T梁，由于存在预应力反拱问题，需设置浇筑桥面调平层，也增大了现场浇筑量.

3.2 研发理念及技术要点

针对上述混凝土空心板和T梁的不足之处，项目组利用UHPC优异的力学性能和耐久性能，提出了一种轻质、耐久、施工便利、可适应严苛净空的全预制UHPC“π”形梁[16]，如图5所示.

图5 全预制UHPC“π”形梁Fig.5 Fully fabricated UHPC π-shaped girder

具体分析，其技术要点包括：

(1)结构轻型化：利用UHPC轻质高强的特点，减小结构板件尺寸，梁体高跨比可降至1/20，大幅减轻结构自重，自重一般约为普通混凝土T梁的40%～60%；

(2)采用π形预制单元：通过两片T梁整体预制形成“π”形预制单元，减少梁间纵向接缝数量，同时“π”形断面可增强施工过程稳定性，避免施工过程中梁体的倾覆，并将单榀“π”梁预制宽度控制在3 m左右，30 m跨径吊装重量约70 t，便于公路运输和现场吊装；

(3)强化纵向接缝构造：对于UHPC材料，接缝处纤维不连续，为受力薄弱环节，应对其进行强化处理，采用局部加高的“T”形接缝(图 6)可达到节点强度高于母材的设计要求.同时利用UHPC与钢筋良好的粘结性能，可将钢筋锚固长度降低至10 d以内，简化湿接缝钢筋构造，避免焊接，减少现场作业量；

图6 局部加高“T”性接缝构造Fig.6 Locally elevated T joint

(4)采用断续分布横隔板构型：为加强梁体的横向受力整体性，在“π”形预制单元内跨中、四分点等位置设置横隔板，通过调整相邻“π”形预制单元的间距和强化纵向接缝构造等措施，可取消“π”形预制单元之间的跨中、四分点等位置横隔板，形成断续分布横隔板构型；与此同时，取消“π”形预制单元间横隔板，可简化现场模板搭设，便于快速化施工；

(5)取消预应力筋：利用UHPC高韧性和高抗裂性能，40 m跨径内可取消预应力筋，简化现场施工程序；同时，由于取消预应力筋，梁体反拱不一致的问题得到解决，进而可取消桥面调平层，减少现场浇筑量，提高结构装配化水平.

3.3 基本受力性能与工作基础

为了解全预制UHPC“π”形梁的受力性能，项目组开展了1:2缩尺抗弯、剪性能试验(图 7)、UHPC桥面板湿接缝试验(图 8)，试验结果表明验证了方案的安全性和可行性：

(1)UHPC梁抗弯、抗剪试验表明UHPC“π”形梁弯拉应力的抗裂安全度为1.63，主拉应力的抗裂安全度为1.09；

(2)局部加高的强化湿接缝构造初裂点和最终的破坏截面均位于预制UHPC板处，避免了UHPC湿接缝处钢纤维不连续的不利影响，实现节点强度高于母板.

此外，在试验研究的基础上，项目组研究并掌握了全预制UHPC “π” 形梁抗弯、抗剪承载能力和裂缝宽度计算方法，为全预制UHPC “π” 形梁的应用和推广提供了理论基础.

图7 预制UHCP“π”形梁缩尺模型试验Fig.7 Scale model test of precast UHPC π-shape beam

图8 UHPC桥面板湿接缝试验Fig.8 Experimental tests of wet joint in UHPC slab

3.4 适用条件与显著效果

传统混凝土空心板和T梁桥运营过程中横向连接易破损，导致单板(梁)受力，易出现渗漏等病害，装配化施工过程中湿接缝钢筋焊接量大，且需浇筑桥面调平层，影响结构的快速化施工.项目组研发了全预制UHPC“π” 形梁结构，适用于10～50 m的简支梁与连续梁.若将该新型桥梁结构应用于替代空心板和T梁，具有以下显著效果：

(1)与同等跨径的混凝土空心板和T梁桥相比，UHPC “π” 形梁自重可减轻40%～60%，便于整体化运输和快速化架设；

(2)利用UHPC优异的力学性能，强化连接节点受力性能，实现节点强度高于母材，完全规避节点开裂、渗漏的风险；

(3)由于UHPC优异的性能，UHPC中钢筋锚固长度可减至10 d以内、40 m跨径内UHPC梁可取消预应力，进而可实现现场零焊接和取消现浇桥面调平层，实现结构的快速化施工；

(4)梁体高跨比可降低至1/20，UHPC “π”形可适用于桥梁净空受限的情况.

4 全预制钢-UHPC组合“π”梁研发

4.1 研发背景

钢-混凝土组合梁一般而言可充分利用钢材受拉的性能、混凝土受压的性能，具有较好的经济性能.但在负弯矩区域会产生混凝土受拉，钢梁受压的不利情况.正常使用阶段，混凝土桥面板易开裂，降低组合梁刚度，影响结构的安全性和耐久性[17].对于施工性能而言，装配式钢-混凝土组合梁中，桥面板为部分预制，浇筑桥面板接缝工作量大，现场施工工作量大.这些问题都给这类结构的推广应用造成了一定的困扰.

4.2 研发理念及技术要点

针对组合梁负弯矩区混凝土易开裂和现浇湿接缝量大的难点，项目组提出一种钢-UHPC轻型组合“π”梁[18]，其构造如图9所示，这类结构的主要特点是用UHPC桥面薄板代替原钢-混凝土组合梁中的混凝土桥面板.

图9 全预制钢-UHPC轻型组合“π”形梁Fig.9 Fully fabricated steel-UHPC lightweight π-shaped composite girder

具体分析，其技术要点包括：

(1)结构轻型化：利用UHPC轻质高强特点，可将UHPC桥面板厚度降低至12～20 cm，进而可降低组合梁自重30%～40%；

(2)组合梁一次成型：钢主梁和UHPC桥面板均在厂内预制，现场仅需浇筑UHPC板和相邻跨间的接缝，组合梁整体受力，可节省用钢量，梁体高跨比可降至1/25，适用于净空受限情况，并大大减少了现场湿接缝浇筑量；

(3)采用“π”性预制单元：由两片工字形组合梁整体预制形成“π”形预制单元，大幅减少纵向接缝数量，同时“π”形断面可增强施工过程稳定性，避免施工过程中梁体的倾覆，并将单榀“π”梁预制宽度控制在3 m左右，30 m跨径吊装重量约45 t，便于公路运输和现场吊装；

(4)强化纵、横向接缝构造：纵向接缝构造与3.2节所述全预制UHPC“π”形梁一致，墩顶负弯矩区现浇接缝采用如图 10所示的带嵌入式钢板的“T”形接缝方案，提高负弯矩区现浇接缝抗裂安全性；

(5)采用断续分布横隔板构型：为加强梁体的横向受力整体性，在“π”形预制单元内跨中、四分点等位置设置钢横隔板或横梁，通过调整相邻“π”形预制单元的间距和强化纵向接缝构造等措施，可取消“π”形预制单元之间的跨中、四分点等位置钢横隔板或横梁，形成断续分布横隔板构型；与此同时，取消“π”形预制单元间横隔板，可简化钢横梁的连接施工.

图10 钢-UHPC组合梁负弯矩区现浇接缝构造Fig.10 Steel-UHPC composite girder connectionat negative moment region

4.3 基本受力性能与工作基础

为了深入了解钢-UHPC组合梁负弯矩区现浇湿接缝受力性能，项目组开展了1∶2缩尺模型试验(图 11)，试验结果表明负弯矩区UHPC接缝名义开裂应力超过30 MPa，验证了接缝方案的安全性和可行性.与此同时，还开展了钢-UHPC组合梁弯、剪试验、桥面板纵向抗剪试验、界面静力与疲劳推出试验、长期收缩徐变试验和钢-UHPC组合梁设计方法研究工作.

4.4 适用条件与显著效果

传统钢-混凝土组合梁负弯矩区域混凝土桥面板易开裂，降低组合梁刚度，影响结构的安全性和耐久性.装配化施工过程中，装配式钢-混凝土组合梁中，桥面板为部分预制，浇筑桥面板接缝工作量大，现场施工工作量大.项目组研发了全预制钢-UHPC“π” 形梁结构，适用于20～100 m的钢混组合梁.若将该新型桥梁结构应用于替代传统钢-混凝土组合梁，具有以下显著效果：

(1)将与同等跨径的钢-混凝土组合梁相比，钢-UHPC “π” 形梁自重可减轻30%～40%，便于运输和吊装；

图11 钢-UHPC组合“π”形梁墩顶负弯矩区现浇接缝模型试验Fig.11 Test of steel-UHPC composite girderconnection at negative moment region

(2)利用UHPC优异的力学性能，强化桥面板和墩顶负弯矩区连接节点受力性能，实现节点强度高于母材，完全规避节点开裂、渗漏的风险，解决组合梁负弯矩区易开裂的难题；

(3)由于UHPC优异的性能，UHPC中钢筋锚固长度可减至10 d以内，进而可实现现场零焊接，实现结构的快速化施工；

(4)梁体高跨比可降低至1/25，钢-UHPC “π”形组合梁可适用于桥梁净空受限的情况.

5 结论

UHPC是一种具有优异的力学性能和耐久性的水泥基复合材料，被认为是20世纪最具创新性的水泥基工程材料之一.UHPC的引入，将有望给传统装配式中小跨径桥梁技术带来革命性的变化，实现装配式桥梁的高性能化：

(1)等强度承载条件下，自重可降为传统结构的40%～60%，以方便运输，实现大构件快速化架设；

(2)因UHPC中钢筋锚固长度仅需10倍的钢筋直径，现场各梁间结合部可大幅度缩小，并可实现现场零焊接；

(3)结构抗腐蚀、抗冻、防渗漏性能优良，基本实现结构设计寿命周期内免维护；

装配式中小跨径桥梁中引入高性能材料UHPC实现高性能化，有望基本解决现有装配式桥梁结构的技术难题，实现结构高施工性能、结构高使用性能、结构高耐久性能的可持续发展战略，结束我国传统“粗放”式的高劳动强度、高能耗建造模式，符合目前国家大力发展装配式建筑政策导向和大力推进建设领域“供给侧结构性改革”的总体目标，是提升我国桥梁结构建设品质的重要途径.