叠合梁斜拉桥桥面板超高性能混凝土湿接缝应用研究*

张兴志，方明山，刘佳玲，庄冬利，肖汝诚

(1.浙江杭绍甬高速公路有限公司，浙江 杭州 310000； 2.浙江省交通投资集团有限公司，浙江 杭州 310000；3.同济大学土木工程学院，上海 200092)

0 引言

叠合梁是由下部钢梁与上部混凝土桥面板通过剪力连接件组合而成的新型结构。它兼具了混凝土与钢材的材料特性，结合了混凝土抗压性能好与钢材抗拉性能好的优点，具有结构自重较小、刚度较大的特点，在实际工程中具有广泛应用。叠合梁斜拉桥相较于其他桥梁，具有施工工艺复杂、施工难度较大的特征，其成桥内力与施工过程有很大关系。在其施工过程中，不同的施工工序对钢主梁及桥面板的内力分配造成不同程度的影响，施工顺序的差异可能会导致桥面板受拉或钢梁受压，如考虑不充分,桥面板混凝土可能在施工及运营过程中开裂,影响结构安全性及耐久性。对于跨海大桥或沿海桥梁，施工过程中很有可能遭遇台风等恶劣天气的影响，需提前合龙。若施工工序调整不当，会导致桥面板受力不均发生开裂。为避免桥面板在施工过程中开裂，需了解桥面板在施工过程中的受力情况，以提出合适的解决方法。

1 桥面板受力性能分析

某双塔整幅叠合梁斜拉桥主梁采用分离式双边箱(PK式)流线型扁平钢箱叠合梁，叠合梁由顶板、底板、边腹板、中腹板及横隔板组成的钢桥面系与混凝土桥面板形成整体组合截面。钢主梁为梁格体系，主梁标准节段长10.5m和7.0m。钢梁外侧设置风嘴。混凝土桥面板通过剪力钉与钢梁共同形成叠合梁，桥面板纵向按全预应力构件设计，横向按普通钢筋混凝土结构设计，斜拉索梁端锚固采用钢锚箱方式。

为分析桥面板在施工过程中的开裂现象，以该桥为计算示例，分析施工过程中的桥面板受力。计算时模拟实际施工步骤，荷载工况包括一期恒载、拉索力、起重机荷载、混凝土收缩和预应力荷载等。

以考虑混凝土收缩、橡胶垫块的模型为基准模型，计算桥面板应力分布。仅在第1次张拉M14号梁段斜拉索和第2次张拉M14号梁段斜拉索步骤时，顶面出现约0.5m×0.5m和2m×2m区域的主拉应力>6MPa，底面几乎不存在区域主拉应力>6MPa。其余步骤中，桥面板顶面和底面几乎不存在区域主拉应力>6MPa(见图1)。

图1 基准模型第2次张拉M14号梁段斜拉索时桥面板顶板主拉应力分布(单位：Pa)

当不考虑收缩作用时，计算桥面板应力分布，仅在第1次张拉M14号梁段斜拉索和第2次张拉M14号梁段斜拉索步骤时，顶面出现约1m×1m和1.5m×1.5m区域的主拉应力>6MPa，底面几乎不存在区域主拉应力>6MPa。其余步骤中，桥面板顶面和底面几乎不存在区域主拉应力>6MPa(见图2)。

图2 不考虑收缩作用时第2次张拉M14号梁段斜拉索时桥面板顶板主拉应力分布(单位：Pa)

不考虑橡胶垫块的影响时，计算桥面板应力。第1次张拉M14号梁段斜拉索时，顶面出现约1.5m×1.5m区域的主拉应力>6MPa；第2次张拉M14号梁段斜拉索时，顶面出现约2.5m×2.5m区域的主拉应力>6MPa；张拉梁段纵向预应力钢绞线时，桥面板顶面存在约0.1m×0.1m区域的主拉应力>6MPa。其余步骤中，桥面板顶面和底面几乎不存在区域主拉应力>6MPa(见图3)。

图3 不考虑橡胶垫块影响时第2次张拉M14号梁段斜拉索时桥面板顶板主拉应力分布(单位：Pa)

在斜拉桥悬臂拼装过程中，后续施工的梁段拼装完成、斜拉索张拉之后，斜拉索的轴向分力会传递到前面的梁段中，对前面梁段产生一个轴向压力。在15号梁段的截面形心处施加单位轴向力，则13号梁段混凝土桥面板的最大主拉应力为4.0MPa，与未考虑轴向力相比，最大主拉应力减小约1.5MPa。

上述计算结果表明，施工过程中桥面板最大主拉应力出现在靠近拉索区域，主拉应力与桥轴线大致呈45°夹角。在整个施工环节中，仅部分步骤中，顶面主拉应力最大值>6MPa，且分布面积较小。这与现场裂缝情况基本对应。

这种裂缝主要是主梁、横梁钢框格自重引起主梁悬臂根部负弯矩过大，使刚完成的现浇桥面板混凝土缝在拉索锚固处呈 45°拉裂。为防止施工过程中的叠合梁桥面板开裂，考虑采用UHPC湿接缝替代普通混凝土湿接缝。

2 UHPC材料

2.1 材料特性

UHPC为一种高应变强化型超高性能混凝土产品，在常温养护条件下，具备高强、高延性、高耐久性、良好施工性能等特征。

UHPC基于最紧密堆积原理由计算机精确设计，可将多元复合体系的宏观缺陷降到最低；并运用先进的分子活化技术，使胶凝体系发挥出最大功效，形成高度致密的无机质基体，在提供优良力学性能的同时，具备极佳的抗渗、抗冻融、耐腐蚀、耐高温、抗冲磨等耐久性。均布于UHPC基体中的特种纤维为其提供了高抗拉强度、类金属的拉伸应变强化、高延性、多点分布微裂纹开展及高抗爆、抗侵彻等特性。

2.2 施工优势

UHPC表观为一种粉体材料，按配合比加水搅拌后，具有自流平性能，可满足各种复杂工况的现场施工要求，也可在工厂制作各种复杂形状的预制构件。常温养护型UHPC采取常规养护措施即可，施工较便利。

与普通混凝土相比，采用UHPC湿接缝可发挥其早期强度高的特点，缩短工期。湿接缝处的结构受力性能优于母体，更偏于安全，维护量更少。同时，湿接缝构造尺寸小，现场浇筑方量小，施工方便。

3 工程应用

3.1 工程概况

富翅门大桥主桥为双塔单索面结合梁斜拉桥，跨径布置57m+108m+340m+108m+57m=670m。主梁采用钢-混凝土结合结构单箱三室箱形截面形式，顶板为C60海工混凝土桥面板(见图4)。中跨标准节段主梁顶板宽27.5m，底板宽16.24m，中心线处梁高3.5m，顶面设置2.0%双向横坡，底板则保持水平。富翅侧及岑港侧跨中主梁采用工厂预制，岑港边跨侧22段梁混凝土桥面板采用桥位现浇工艺。节段间混凝土桥面板预留宽度为1m现浇湿接缝，全桥共计61道湿接缝(见图5)。节段间混凝土桥面板预留宽度为1m现浇湿接缝，每道湿接缝混凝土方量约为10m3。

图4 富翅门大桥主梁截面

图5 富翅门大桥湿接缝布置

3.2 工艺试验

3.2.1力学性能试验

为了验证UHPC材料性能，现场成型36h，28d抗压强度试块(100mm×100mm×100mm)及36h，28d弹性模量试块(100mm×100mm×300mm)、28d收缩率试块，氯离子扩散系数试块各1组。

其力学性能试验结果如表1所示。

表1 力学性能试验结果

3.2.2施工性能、工艺性能试验

为了验证UHPC材料施工性能、工艺性能、设备性能等，设计制作3.0m×2.0m×0.55m，3.0m×2.0m×0.28m各1块试浇块，按养护要求养护，且每个试块上取7个芯样，检查UHPC的密实度、UHPC材料与普通混凝土的连接。

试验结果表明，UHPC材料流动性好，可实现自密实；浇筑后1.5h可进行2次收面，通过2次收面可达到2%坡度要求。从取出的芯样来看，UHPC密实度较好，与C60混凝土的界面黏结良好，无脱开现象，且钢纤维分布均匀未出现结团现象。其中，厚度为280mm的试块只养护2d，为验证养护不到位时是否出现裂纹，从外观来看未出现裂纹。

3.2.3界面黏结性能试验

为了验证UHPC与C60海工混凝土的黏结性能。现场成型C60海工混凝土和UHPC的黏结性能试件(100mm×150mm×550mm)，通过对比C60-C60组合试件和C60-UHPC组合试件抗折强度，判断C60和UHPC的黏结性能是否符合工程需要。试验结果如表2所示。

表2 界面黏结性能试验结果

由上述结果可知，C60-UHPC组合试件具有较高的极限承载力及延性。相比于C60-C60组合试件，C60-UHPC组合试件初裂荷载和破坏荷载分别提高109.2%和115.4%。

由上述工艺试验结果可知，所采用的UHPC材料可满足湿接缝的施工要求与承载力要求，所以在实际工程中使用了上述UHPC材料湿接缝。

4 施工技术

4.1 施工工艺

在湿接缝模板、钢筋、预应力工程完成后，采用UHPC浇筑湿接缝，并按要求进行养护，强度达到要求后张拉横向预应力，再安装下一段箱梁。UHPC浇筑湿接缝施工流程包括混凝土搅拌、浇筑、养护。

4.2 施工关键控制点

施工时须保证湿接缝两侧清洁，在钢筋绑扎前，清除两侧杂物，确保老混凝土面凿毛符合要求，混凝土浇筑前用自来水湿润接缝两侧面。

为控制搅拌的均质性和稳定性，搅拌设备需采用高剪切行星式搅拌机，保证搅拌后粉料及纤维的均质性；合理设计自转叶片与公转叶片，确保物料的运行轨迹在搅拌筒体内无死角；叶片与筒体底板的缝隙控制在5mm以内；搅拌时严格按搅拌程序中的投料顺序和搅拌时间控制。

为保证UHPC的施工浇筑性能，控制初始坍落扩展度达到700mm以上，扩展度不符合要求的材料严禁使用。为避免静置损失及仓面失水干燥，采用高剪切立轴行星式搅拌机，减少搅拌时间，提高搅拌效率，保证供料的连续性，避免仓面长时间等料；浇筑应连续进行，如因故必须间断时，其间断时间应<2h，间断期间应对已浇筑UHPC进行覆盖保湿养护，再次浇筑时应对现浇和后浇UHPC界面进行充分的插捣处理。

为控制搅拌时间与浇筑间隔时间，现场施工管理人员需严格监督，明确每个步骤材料的搅拌时间；还需配备小型细石混凝土泵车泵送湿接缝材料，确保混凝土搅拌和浇筑匹配。为控制纵、横坡，需浇筑过程中严格控制，通过浇筑达到2%的纵、横坡。要严格控制布料均匀，单个区域浇筑完后及时进行收面；在一次收面后，1.5h后进行二次收面，确保坡度满足要求，与两侧混凝土过渡匀顺。

4.3 施工效果

富翅门大桥采用的UHPC湿接缝与普通混凝土湿接缝相比，达到混凝土等强条件，即抗压强度>60MPa、弹性模量>30GPa时，所需作业时间仅1.5d，相较于普通混凝土所需的7d作业时间，作业时间缩短79%，整体工期缩短42%。

墩顶负弯矩区连接采用UHPC浇筑，施工过程未收面，表面标高控制精准，表面质量优良，和普通混凝土界面密实无渗水，施工效果良好。

5 结语

叠合梁桥面板在施工过程中，最大主拉应力出现在靠近拉索区域，桥面板顶面仅局部区域出现较大主拉应力。为防止桥面板开裂，可使用UHPC湿接缝代替普通混凝土湿接缝，充分发挥UHPC的材料优势。富翅门大桥施工过程中采用了UHPC湿接缝，利用UHPC材料的高强度、高延性、施工性能良好等特性，达到了理想的施工效果。施工结果表明，采用UHPC湿接缝代替普通混凝土湿接缝，强度提高，同时工期显著缩短，可满足面临台风等恶劣天气时的快速施工要求。