UHPC在桥梁结构中的应用研究

贾胜利

(中铁十八局集团有限公司,天津 300400)

随着我国经济的快速发展和科学技术的进步，人民生活水平的不断提高，城市化建设的步伐逐渐加快，我国的道路、桥梁等基础建设发展非常迅猛，特别是最近十多年，我国的桥梁建设数量、质量、规模等都是历史上最辉煌时期。据统计，到2019年底，全国建成的桥梁已超过80万座[1,2]。而制备桥梁用的混凝土凭借着成本低廉、耐久性好、取材便利等优点被广泛地应用。

目前，随着人们对桥梁和公路质量要求的不断提高，尤其对跨海大桥、高铁桥梁的质量要求更加严格，耐久性要求也越来越高，使得过去采用的自重大、强度低和功能单一的普通混凝土已经无法满足现在桥梁建设的需求[3]。同时，几十年来大量的工程实践表明，有些桥梁结构存在无法解决的技术性问题，也会给桥梁结构安全带来诸多的隐患。因此，发展具有更高力学性能、更高耐久性的超高性能混凝土来替代常规的混凝土，以及采用UHPC制造新的桥梁结构，将是今后发展的必然趋势。

1 超高性能混凝土

超高性能混凝土(UHPC)是采用最大堆积密度理论设计的，利用水泥、石英砂(不使用粗骨料)、超高效减水剂(聚羧酸系)、硅灰和纤维(钢纤维或复合有机纤维)制备的新型混凝土材料。UHPC制备时因胶凝材料用量大，水胶比低，且掺有增韧材料，从而使UHPC具有高强度、高韧性、高耐久等特性。随着设计理论的完善、超高效减水剂(聚羧酸系)问世和配制技术的进步，UHPC已具备了普通混凝土的施工性能，甚至可以实现自密实，可以常温养护，已经具备了广泛应用的条件[4,5]。与普通混凝土和高性能混凝土相比，UHPC具有优异的力学性能与耐久性能，见表1。

表1 UHPC、高性能混凝土、普通混凝土的主要力学和耐久性能指标

表1给出了UHPC与高性能混凝土(HPC)、普通混凝土的主要力学和耐久性能指标对比。从表1可以发现，UHPC的抗压强度是普通混凝土的5倍以上，抗折强度则为普通混凝土的近10倍；同时，徐变系数仅是普通混凝土的30%，抗冻融性能和抗表面剥蚀性能更是具有显著的优势。

2 UHPC在桥梁中的应用现状

桥梁工程要求所有结构材料轻质高强、快速架设、经久耐用，这使得UHPC材料在桥梁工程领域具有明显的优势与广阔的应用前景。目前，UHPC已开始应用于各种桥梁工程中，包括主梁、拱圈、华夫板、桥梁接缝、旧桥加固等多方面[6]。据不完全统计，到2016年底，世界各国应用UHPC材料的桥梁已超过400座[7]。

2.1 UHPC在国外桥梁中的应用

法国是第一个将UHPC成功商业化的国家。他们的UHPC桥采用先张法预应力UHPCΠ形梁组成。其中Π形梁间通过翼缘板现浇UHPC湿接缝连接。这座桥的自重只有传统预应力混凝土桥梁的1/3。除接缝连接钢筋和护栏、人行道板预埋钢筋外，主梁未配置普通钢筋。这座桥2001年建成，在11年后的2012年进行详细的检查评价，结果表明UHPC结构没有出现任何裂缝，桥梁的运行状况良好。这为如今UHPC在桥梁上的大量应用奠定了基础。

德国将UHPC与钢桁架组合成桥梁结构，同时让UHPC桥面板与桁架的上弦杆通过环氧树脂胶连接，建成了世界上首座UHPC—钢组合桥梁。这座桥梁，桥宽5.0 m，为人行和自行车两用桥梁。

荷兰在2013年建成了第一座UHPC桁架人行桥。当时为了减少桥梁的制造成本，设计师将桥梁分为桁架预制单元和桥面板预制单元。通过胶接缝和后张预应力张拉使桁架预制单元形成整体，在吊装桥面板就位后通过螺栓连接与桁架预制单元形成一体。

美国在借鉴学习法国2001年建设UHPC桥梁的方法和经验后，设计了3种主梁为I形、T形和Π形的UHPC公路桥，并且UHPC主梁均未设置抗剪钢筋，只利用UHPC自身的优异的抗拉性能，从而大大简化了钢筋构造。同时，美国针对自己国家北方气候寒冷的特点，担心因冻融环境引发桥梁的一系列问题，设计出了“井”字形双向肋板UHPC桥面板，并用这种桥面板建设了一座桥。该桥的桥面板由14块预制“华夫板”组成，各预制板之间通过UHPC接缝连接成连续板，预制板与主梁通过剪力槽和纵向湿接缝连接成整体。与承载同样压力的普通混凝土桥面板相比，UHPC“华夫板”桥面板自重可减少30%。

日本早在2002年设计了一款主梁截面形式为箱梁，采用预制拼装法施工的UHPC人行桥。该桥的预制梁段间采用预应力张拉拼接完成。这是日本首座采用UHPC建成的桥梁。在后来，日本总结自己的工程经验并参考法国的实例，完成了一座预应力混凝土波形钢腹板箱梁桥的顶推施工。该桥梁的下弦杆采用了UHPC材料，这也是世界首个将UHPC材料应用于顶推桥建设的实例。

韩国的研究和工程人员以斜拉桥为主要应用对象，修建了世界上第一座UHPC人行斜拉桥，并在后来修建了第一座UHPC公路斜拉桥。该公路斜拉桥为独塔双跨斜拉桥，主跨100 m，圆环形主塔高35 m，主梁采用UHPC双主梁，桥面板厚15 cm。采用这种结构设计的主梁在不损失承载能力的情况下，自重能减少30%。

马来西亚在UHPC桥梁的建设中取得了非凡的成就。到2016年底，马来西亚就已经建成了约113座UHPC桥梁，累计应用面积达到80 000 m2。这些桥梁主要包括四类UHPC主梁结构：全UHPC-T梁型、UHPC-RC组合梁型、全UHPC箱梁型和全UHPC下承式槽形梁型。其中，UHPC—RC组合梁下缘受拉区采用UHPC U形或I形梁，上缘受压区采用现浇RC桥面板，可以充分发挥材料的性能并可节省上部结构造价。马来西亚在2015年建成通车的Batu6桥是目前世界上单跨最大的全预制拼装UHPC箱形梁公路桥，该桥的UHPC主梁仅重670 t。

2.2 UHPC在国内桥梁中的应用

在1990年，黄政宇、覃维祖等分别发表了关于UHPC的论文，成为中国最早一批研究UHPC的学者。此后，国内的许多学者先后开展了有关UHPC材料性能与构件力学性能的研究，并取得了一系列的研究成果。在2015年我国颁布了UHPC材料的国家标准，为UHPC的工程应用及推广奠定了坚实的基础。据统计，国内已有超过30座桥梁使用了UHPC材料，其中有5座桥梁的主体结构是UHPC材料，其余桥梁则主要将UHPC材料用于钢-UHPC轻型组合桥面结构、维修加固、现浇接缝等方面。

2006年，在迁曹铁路工程中，利用UHPC修建了国内第一座桥梁。该桥采用UHPC-T梁作为桥面板，一共使用了12片跨径为20 m的梁。2011年，在肇庆马房大桥中，首次将UHPC与钢箱梁组合形成轻型组合桥面。桥面采用正交异性钢面板，良好的解决了铺装层严重破损和钢结构疲劳裂纹的问题。到目前为止，国内已有17座大桥采用了钢-UHPC轻型组合桥面，涵盖了梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各类桥型。

3 UHPC在桥梁应用中存在的问题与解决方案

3.1 UHPC在桥梁应用中存在的问题

尽管UHPC这种新型混凝土结构材料具有优异的抗拉性能、抗压强度和耐久性，但其较低水胶比和高胶凝材料用量，使得UHPC仍然存在高成本、高能耗，并且具有较大收缩等明显缺点，从而导致UHPC无法广泛应用于普通建筑的工程中，这也是UHPC在桥梁建设领域虽有发展，但远远无法普及和广泛应用的原因[8,9]。

表2是一个典型的桥面UHPC铺装层的配合比。从表2可知，UHPC的水胶比大约在0.21左右，远低于普通混凝土0.5的水胶比。为了控制UHPC在凝结硬化过程中的收缩导致混凝土开裂，在微细粉掺合料中除掺有硅灰外，还掺有适量的膨胀剂和水泥增强剂。此外，每方混凝土中水泥的用量达到了800 kg ，而且钢纤维的掺量也较大，这导致UHPC的制造成本不会太低。不过为了降低UHPC的制造价格，国内已开始在UHPC材料组成中，采用粗骨料，如：可采用5～12 mm粒径的玄武岩碎石，适当降低水泥用量，但7 d强度只有120～130 MPa，冬、春季还需要蒸汽养护。

表2 UHPC桥面铺装层配合比

表3 UHPC桥面铺装层力学性能

表3是上面UHPC组成材料和配合比的力学性能结果。从表3可知，该UHPC的7 d抗压强度就可以达到140 MPa以上，抗折强度也大于30 MPa；28 d抗压强度和抗折强度分别达到170.4 MPa和35.7 MPa，其力学性能非常优异。

UHPC桥梁的另一个难题是UHPC自身的收缩往往较大，进而会使桥梁引发开裂等一系列安全性问题。UHPC的收缩通常发生在两个不同的阶段:早期和后期。第一阶段：浇注后24 h内，这一阶段为混凝土凝固并开始硬化的持续过程。第二阶段:是指浇注后超过24 h的龄期。两个阶段的收缩主要包括自收缩、干燥收缩和温度收缩，它们有重叠的结果，但机理不同。UHPC主要以自收缩为主，其自收缩量占总收缩的78.6%～90.0%，收缩范围约为700～800 με，干燥收缩则较小，收缩范围约为80～170 με。

图1为普通混凝土和UHPC在收缩方面的对比分析模型图。从图1可以明显看出，UHPC的自收缩在各个方向上都远大于普通的混凝土。资料[10]的研究也表明，UHPC的收缩大小大约为普通混凝土的2.5倍左右。

3.2 UHPC在桥梁应用中采用的方案

针对上文提到的UHPC在桥梁应用中的两大问题，以及UHPC自身存在的一些缺点，目前，主要采用下面的解决方法。

为了降低UHPC的使用成本，以及高能耗的问题，在满足强度及耐久性等性能的前提下，一般采用在桥面上浇筑一层UHPC铺装层，以增加桥面的力学性能，再进行沥青的铺设；使用UHPC为核心的桥墩，其余部分还是采用普通混凝土的方案。在这样的设计方案下，既能达到桥梁的建设标准，又能适当减少UHPC的使用量，以降低一定的成本。而对于跨海大桥、高质量铁轨大桥等大型桥梁的建造，则结合目前提出的正交异性钢面板，合理采用不同的钢-UHPC轻型组合结构来替代构造复杂的钢-普混结合段及性能欠佳的轻质混凝土。

UHPC的自收缩是UHPC在各个领域应用时都需要面对的问题。目前认为，养护制度对UHPC收缩发展影响较大，合适的养护制度有利于提高UHPC的强度和改善UHPC的收缩性能。为了防止收缩造成的开裂等问题，一般会采取热养护的方式，使UHPC在早期就形成收缩。在实际的工程应用中，使UHPC在温度约为60 ℃的条件下养护一段时间，再进行后续的桥梁施工。亦或是提前做好钢-UHPC轻型组合结构，利用它相较于普通的桥梁结构轻的优势，运输至施工地点再进行施工。

4 结论与展望

UHPC桥梁具有自重小、力学性能和耐久性优异的特点，是解决现有常规桥梁结构存在钢桥面开裂和铺装易损、钢混组合梁自重较大、且负弯矩使混凝土易开裂等问题的一个重要方法，也是建造高质量、高技术桥梁的必然选择。但是，UHPC由于自身的收缩较大，使用成本和技术要求较高，限制了UHPC在桥梁工程中的广泛应用。同时，尽管国内已对UHPC桥梁结构进行了大量的研究，并研发了多类钢-UHPC的桥梁结构，但这些方案和构思都处于起步阶段，需要进一步的修改和完善，尚未能在国内桥梁工程中获得大量的应用。今后，应该在实验室研究的基础上，借鉴国内外实际工程应用的经验，解决UHPC在桥梁应用上的困难，推动UHPC在桥梁工程中的发展和应用，为我国桥梁技术的进步做出贡献。