UHPC 超高性能混凝土钢桥面复合铺装体系的优化和应用

冀振龙（上海公路投资建设发展有限公司，上海 200335）

正交异性钢桥面板自 20 世纪 50 年代面世以来，已经成为钢桥桥面板最主要的结构形式，其上覆盖的铺装结构主要有水泥混凝土和沥青混凝土两种[1]。水泥混凝土铺装（即刚性铺装）刚度大，但容易开裂，多用于重载交通的中小跨径钢桥。较大跨径钢桥多采用黏性和韧性相对较好的沥青混凝土铺装（即柔性铺装）。国内外进行了大量研究与应用，主要围绕钢桥面板疲劳细节优化、柔性铺装性能改善、刚性铺装研究开发等方面[2]。近年来依赖超高性能混凝土材料快速发展，钢桥面刚性铺装开始得到重视[3]。本文将对国内外钢桥面刚性铺装的研究进展进行梳理分析，为 G 318 沪青平公路嘉松公路跨线桥工程钢桥面刚性铺装方案的研究工作提供技术参考。

1 现状分析

对近年来国内外钢桥面刚性铺装的研究和应用情况进行分析，总结如下。

(1) 已有成果表明，刚性铺装具有较高的耐久性和抗疲劳强度，能够延续正交异性钢桥面的寿命，降低全寿命周期成本。但研究工作仍处于初步阶段，实体工程较少且缺乏足够的后评估数据。

(2) 对于钢—混凝土组合桥面体系，较密钢筋网布置和高温蒸养大大增加施工难度，很难保证施工质量和耐久性，密布剪力钉对后期维修养护造成不便。

(3) 对于钢—混凝土复合铺装体系，UHPC 层不参与整体结构受力，但可大幅提高桥面系的疲劳性能，与组合桥面结构相比，其钢筋网和剪力钉的设置可做针对性设计。如在UHPC 局部效应较大部位布置钢筋网等增强体，剪力钉布置在脱层风险最大的桥面端部，从而，大大简化设计，方便施工与后期维护。

(4) 采用胶粘层+边缘焊钉的联结体系能保证钢板与混凝土的复合作用。端部焊钉足够抑制层间脱离，但使用钢筋网对于裂缝的控制作用并不明确。

(5) 国内 UHPC 材料存在以下问题：① 成本较高；② 长时间运输、搅拌、浇筑下易发生分层离析；③ 素混凝土抗拉强度不高、应变能力不高。因此大规模应用风险较大。

综上，应加快开展针对性的研究与试点应用，开展刚性层材料、黏结体系、铺装结构长期使用性能、实桥设计方法与施工工法等研究。

2 组合铺装体系优化设计

G 318 沪青平公路嘉松公路跨线桥位于上海市青浦区，全长 1.5 km，属重交通，采用一级公路建设标准。桥梁设计采用（40+60+40）m 三跨钢连续梁。本项目钢桥面铺装方案应满足长效耐久、施工便利、维护方便等要求，同时应易于机械化、标准化施工，减少人工操作。

2.1 原铺装设计方案

原铺装层设计方案沥青路面使用寿命为 15 a，桥面铺装体系按 3 层铺筑，即 40 mm SMA-13（SBS 改性）+60 mm AC-20 C（SBS 改性）+80 mm 钢筋混凝土调平层。钢筋混凝土层钢筋网间距 100 mm，桥面板上密布 Φ 19 mm 焊钉，焊钉长 60 mm，横向间距 300 mm，与 U 肋腹板对齐，纵向间距 250 mm。该方案存在以下问题：一是铺装总厚达 180 mm，桥面系恒载较大；二是普通钢筋混凝土抗拉强度在重载下易开裂损坏，影响铺装防水与疲劳性能。

2.2 设计标准

(1) 设计年限：刚性铺装为 30 a，沥青面层为 10 a。

(2) 疲劳计算按 JTGD 64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》中疲劳荷载计算模型 Ⅲ，轮载 70 kN，考虑冲击系数 0.4。

(3) 抗滑指标：横向力系数（SFC 60）≥54。

2.3 优化后设计方案

(1) 钢筋网布置说明。结合调研可知：① 疲劳作用下配筋混凝土，一旦有水渗入，裂缝扩展速率明显提高；② 强配筋混凝土由于钢筋网片黏结不牢、混凝土难以下渗导致铺装层表面致裂缝过早发生；③ 刚性铺装层厚度较小时，配筋会影响铺装层整体性。考虑到施工和易性、结构耐久性，在钢筋网片作用机理尚不明确的情况下，不建议对 6 cm 超高性能混凝土层采取配筋措施。

(2) 剪力钉布置说明。胶粘层+边缘焊钉的黏结体系能够如同密布焊钉一样保证桥面板与刚性层形成复合结构协同受力。刚性层由于自身收缩、温度梯度及骤变温度的影响，会在桥面端部及接缝等位置产生潜在脱层风险，因此本方案拟在桥面端部设置 2 排抗剪栓钉。剪力钉位置需避开 U 型加劲肋腹板，该处是加劲肋焊接位置，为应力集中区。

(3) 设计方案。设计方案如下：钢桥面板（局部焊钉）+环氧树脂（碎石）防水黏结层+不配筋超高性能混凝土 UHPC（60 mm）+防水黏结层 +SMA-13（40 mm）。钢桥面板表面抛丸处理，在其四周边缘设置 2 排焊钉；钢板防腐及其与铺装的黏结采用环氧树脂材料；下层铺装采用超高性能混凝土，不设钢筋网片；上、下层铺装之间黏结采用常用的纤维增强防水黏结层。铺装结构如表 1 所示。

表1 刚性铺装结构

3 设计指标与工艺要求

3.1 材料指标

(1) UHPC 超高性能混凝土。用于钢桥面铺装的 6 cm 超高性能混凝土，其性能指标应满足表 2 所示要求。其中钢纤维采用镀铜高强钢纤维，抗拉强度 ≥ 1 600 MPa，弹性模量为 2.1×105MPa。

表2 UHPC 超高性能混凝土性能指标

(2) 防水黏结层（环氧树脂）。用于钢桥面铺装的钢桥面防腐及黏结层为环氧树脂材料。其性能指标应满足表 3 所示要求，表 3 中复合件表示经处理的钢板与超高性能混凝土通过环氧黏结形成的构件。

表3 防水黏结层（环氧树脂）性能指标

(3) 纤维增强防水黏结层。在超高性能混凝土上采用纤维增强型防水黏结层，主体材料为 PBⅡ 型聚合物改性沥青防水涂料，应满足 JC/T 975—2005，在沥青涂料内设置无碱玻璃纤维作为加强层胎体增强材料，性能指标见表 4。

表4 增强材料技术指标表

(4) SMA-13 沥青混凝土（SBS 改性）。SMA-13 沥青混凝土设计空隙率（VV）宜控制在 4%。混合料各项指标要求见表 5。

表5 SMA—13 路用性能指标

3.2 主要施工工艺

(1) 抛丸除锈。用抛丸除锈机打磨钢板，表面应达到前述设计要求。抛丸完成后对表面进行覆膜保护，防止扬尘、水、油污等对钢板表面的二次污染。

(2) 环氧防水层施工。采用 EP 20 环氧树脂，涂抹标准为 1.0 kg/m2。涂刷前应充分搅拌均匀，且随用随拌。30 ℃ 下工作时间 4 h，超时的环氧树脂不得用于防水层施工。

(3) UHPC 施工。混凝土输送到现场后，采用料斗向摊铺机供料，不要集中堆积，保证混凝土中钢纤维是连续的。在设计横向断缝处分施工段，单幅 5 个施工段，共 10 段，每段摊铺长度在 27～29.5 m，确保摊铺机工作连续性及桥面铺装整体平整度。施工过程严格控制施工时间，保证摊铺过程中混凝土不发生初凝。根据现场混凝土的搅拌速率、振动梁的摊铺效率及环氧树脂工作时间，决定日摊铺面积。适当设置施工缝，施工缝的设置应与结构变形缝一致。混凝土浇筑完毕后不需二次抹压，振动完毕后，直接覆膜养护。混凝土初凝后终凝前，要用抹光机压实抹压。

(4) 养护。混凝土浇筑振动完毕后，覆膜养护，有条件的采取喷洒养护剂。混凝土终凝后，应进行洒水保湿养护。日间作业，钢桥面温度较高时应增设遮阳网（覆膜及覆土工布），降低混凝土表面吸收的太阳辐射热。保湿养护 7 d，养护期间通过预埋温度传感器控制洒水频率。根据现场的应变测试结果来调节养护时间。

4 结 语

本文对国内外近年刚性铺装在钢桥面中的应用情况进行了详细分析。提出了优化后的基于 UHPC 超高性能混凝土的钢桥面铺装方案，给出了结构体系设计标准、主要材料技术指标和施工工艺。该方案现场施工和后期养护便利，各方面性能均达到规范要求，于 2017 年应用到上海 G 318 沪青平公路嘉松公路跨线桥工程中，使用两年效果达到预期。