钢-混组合梁UHPC 桥面铺装施工技术研究

张斐 ZHANG Fei

（中铁十四局集团房桥有限公司，北京 102400）

0 引言

随着我国基建的不断发展，新材料、新技术、新工艺的不断应用，工程质量有了质的变化。然而在早期建成的大跨径钢桥面桥梁，除了少数桥梁桥面铺装的状态比较良好，大部分桥面铺装层陆续出现结构疲劳开裂等病害，影响行车安全。

随着研究人员对超高性能混凝土材料的深入研究，工程人员也极为关注该材料的性能并进行了广泛的尝试。由于UHPC 材料致密的材料结构和优异的耐久性能，该种材料最初被应用于核电站和军事工程建设。桥梁结构跨度和体量增大后，对材料的要求愈加严格，工程师逐渐思考将UHPC 材料应用于桥梁结构，并在人行桥、公路桥、景观桥等方面进行了广泛尝试，目前国内外已超600 座桥梁采用该种材料。大量实践证明，该种材料在桥梁结构中应用能充分发挥该种材料优异的材料性能和耐久性，可大幅降低桥梁自重和建设质量，提高桥梁耐久性和景观性。

1 UHPC 设计说明

1.1 工程背景

胜利黄河大桥（以下简称大桥）位于东营市垦利县东北侧，大桥北侧连接京津地区、东营港以及胜利油田油区，南侧连接胜利油田基地、济青高速公路以及胶东地区，全长约2.8km，如图1 所示。现有桥面铺装宽度16m，共计铺装长度682m，采用C40 混凝土结合4cm 浇注式沥青混凝土和3.5cmSMA 改性沥青面层，长期服役后桥面铺装存在凹陷、车辙、坑槽、拥包、网裂现象等病害问题，且原桥桥面板和横隔板均较薄，疲劳问题较为突出。

图1 工程位置示意图

桥面铺装属于桥梁结构的直接磨损部分，不仅受车辆摩擦的影响，还受雨水冲刷和热膨胀的影响。近年来，随着我国交通荷载的不断增加，桥面铺装层的使用寿命急剧下降。而超高性能混凝土（UHPC）是近30年来从混凝土力学性能和耐久性角度发展起来的最具创新性的水泥基结构工程材料之一，具有优良的力学性能和耐久性，可以改善桥梁构件接缝的连接完整性，减少桥面铺装的变形和裂缝问题，提高桥梁的承载能力。因此根据国内外钢桥面铺装的工程经验和最新的科研成果，提出以下修补方案：上层4cm 厚高黏高弹SMA-10+下层5.5cm 厚（平均）C150 超高强度混凝土。UHPC 桥面铺装采用分幅铺装方式，先施工左幅，再施工右幅。单幅施工共划分4 段，全桥共8 个施工节段。

1.2 方案设计

UHPC 作为桥面铺装层的耐久性已在榕江大桥、虎门大桥等多个实际工程中得到验证，但力学性能设计规范缺乏，因此有必要作承载力的计算说明。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》可知，桥面板为弯曲构件，需验算其抗弯承载能力。下文首先计算原方案的设计承载力，然后验算UHPC 的承载能力是否满足要求。

1.2.1 原设计的承载力

原设计采用C40 混凝土，根据《混凝土结构设计规范》，仅采用纵向体内钢筋的矩形截面或翼缘位于受拉边的T 型截面受弯构件，其正截面抗弯承载力计算应按下列公式计算：

其中，Md为梁或板的弯矩设计值，fcd为混凝土抗压设计值，b 为矩形截面宽度，x 为混凝土受压区高度，h0为截面有效高度。计算可得，20cm 厚C40 混凝土的设计弯矩为：7.9456×105N/m2。

1.2.2 UHPC 方案的承载力

由于C150 混凝土缺乏相关设计规范，借鉴邓宗才等人在《高强钢筋UHPC 梁抗弯性能试验》的研究成果，梁或板受压区采用等效矩形应力图来代替实际应力图形，等效应力图特征值α、β 依据轴压应力-应变曲线，按照压力合力和作用点不变的原则求得，受拉区也按等效矩形应力图形计算，拉应力值按抗拉强度取值，由压力合力等于拉力合力得求得受压区高度后，采用下式计算所有力对受拉钢筋合力取矩得极限弯矩Mu。

其中，Mu为梁或板的弯矩设计值，fc为混凝土抗压设计值，b 为矩形截面宽度，x 为混凝土受压区高度，h0为截面有效高度，ft为混凝土抗拉强度设计值。通过计算可得，5.5cm厚的C150 混凝土板的抗弯承载力为1.0379×106N·m2。

通过上述计算可知，本文采用的UHPC 方案满足承载力设计要求。

1.3 方案经济性比较

与普通混凝土或高强混凝土相比较，UHPC 的单价偏高，但从上述方案设计可知，UHPC 方案的混凝土厚度明显减小，工程的总体经济性有待确认，因此，本小节将对比两种方案的总体经济性。

通过表1 可看出，两种方案的总体经济性接近，其中UHPC 方案略优于原普通混凝土铺装层的方案、节约工程成本约16 万元。还需要说明的是，现阶段工程界对UHPC的应用处于探索阶段，随着研究的深入和UHPC 的广泛应用，UHPC 材料成本的降低指日可待。

表1 方案经济性比较

1.4 结构自重比较

铺装层是桥梁上部结构自重的组成部分，自重荷载是主梁设计的控制荷载之一，因此，铺装层重量将直接影响结构主梁的设计和经济性。通过表2 的对比可知，UHPC铺装层的自重明显小于原普通混凝土铺装层，对主梁的受力更有利。

表2 方案自重比较

2 施工要点

2.1 施工流程

UHPC 桥面铺装采用分幅铺装方式，先施工左幅，再施工右幅。单幅施工共划分4 段，全桥共8 个施工节段，如表3 所示。每个节段的具体施工流程如图2 所示。

表3 施工节段划分表

图2 施工流程图

2.2 施工准备

2.2.1 材料

本工程采用的主要材料为UHPC 混凝土，总的用量约为630m3（考虑3%的损耗），由水泥、石英砂、钢纤维、核心料（专利产品，包括硅灰、粉煤灰、高效减水剂等）和水等拌合而成；生产方式采用工厂把固体原材料预拌成干混料，然后现场加水进行二次拌合。按照《超高性能混凝土预混料产品检验和试验规程》（T/CBMF96-2020/T/CCPA20—2020）进行UHPC 拌合料质量验收，验收指标包括坍落度和扩展度。

2.2.2 设备

施工设备主要包括搅拌机、布料机、整平机、覆膜机等。

2.3 剪力钉施工

桥面铺装层设计长35mm，φ19mm ML15 螺柱头焊钉作为剪力钉，剪力钉焊接标准间距31cm×31cm，焊接位置如图3、图4 所示。

图3 剪力钉焊接

图4 桥面剪力钉标准断面

2.4 桥面钢筋绑扎

绑扎钢筋网网眼大小为5cm×5cm，钢筋安装时，将纵向钢筋放置在下，横向钢筋放置在上面，纵向钢筋最边缘距耐候钢2.5cm，其余钢筋按照5cm 间距进行布置。

纵向钢筋安装时，在第一段的第一排钢筋采用9.1m和8.5m 两种型号交替放置，将相邻的纵向钢筋错开60m，后续全部采用36m 的钢筋搭接40cm 绑扎接茬。

2.5 高性能混凝土的搅拌

UHPC 的搅拌流程为：预混料搅拌（3min）→加水搅拌（3min）→钢纤维添加搅拌（3min），现场施工时根据到场UHPC 的状态由试验人员进行适时的调整，并做好试验件。

表4 UHPC 搅拌配合比

干混料投料前需用清水润湿搅拌机搅拌仓，排尽余水后投入预混料。预混料采用计量包装，人工配合叉车，吊起吨包袋，投入提升料斗，由提升料斗送人搅拌机搅拌仓，搅拌1min；然后加入钢纤维，干混合5～8min；之后再加水，湿混合5～8min。

2.6 高性能混凝土的浇筑

在拌合料坍落度与扩展度指标验收合格的前提下，采用UHPC 摊铺机开展浇筑施工。整个浇筑过程可分为：摊铺-整平-收面。

2.6.1 UHPC 摊铺及整平

摊铺机作业时，首先UHPC 拌合物运输至布料槽内，使布料槽内随时充满UHPC 料；然后通过摊铺机的布料，使UHPC 均匀布料，同时控制UHPC 的布料厚度不少于设计值。

UHPC 的振捣及整平由摊铺机的振捣整平系统进行，振捣频率为100Hz，通过振捣整平后UHPC 厚度误差控制在3mm 范围内。

图5 UHPC 布料机

图6 UHPC 整平机

2.6.2 收面

浇筑开始后，根据现场的搅拌量控制浇筑速度，确保连续浇筑，浇筑间隔不大于浇筑时UHPC 表面的结皮时间（根据现场天气状况测算）。收面工人乘坐在走行小行车上，进行收面。结合桥宽及搅拌效率，浇筑后应及时工人及时进行二次人工收面、喷雾、覆膜，防止表面结皮影响外观质量。紧接着喷雾覆膜养护。

2.7 高性能混凝土的养护

2.7.1 覆膜养护

考虑本材料浇筑后在喷雾保湿的条件下表面约10 分钟内（具体时长当时天气条件确定）会产生结皮现象，应在整平完成后立即进行收面及覆膜作业。考虑到整平机过后施工人员不能直接进入进行收面、局部区域可能的补料等工作，订制的覆膜机上带有操作平台，可进行第三次收面，在收面时若出现起皮现象可适当喷雾洒水同时立即进行收面以保护UHPC 表面平整度。局部区域可能的补料可使用手提式平板振捣器进行振捣振平。覆膜养护时间不得少于48h。

2.7.2 保湿养护

覆膜养护48h 以后，除去养护膜，覆盖土工布继续保湿养护至14d。

2.8 UHPC 表面抛光

UHPC 层表面抛光糙化在UHPC 养护完成后进行。通过抛光可加强UHPC 层与粘结层的粘结效果。UHPC 表面糙化的技术指标：粗糙度达到0.45～0.6mm；抛光后，UHPC表面应裸露出“新鲜”钢丝及混凝土面，且颜色均匀，达到糙化比色板“SP4”的程度。抛光机具体行走速度等参数，通过试验段确定。

图7 UHPC 表面抛光糙化

3 施工效果

现场施工完成桥面UHPC 养护后，揭去覆膜，经表观检查，未发现裂缝、气泡、纱线等表观质量问题。同时，UHPC 试块的28d 各项力学性能指标检测结果如表5 所示，从表中数据可知，实测数据均大于标准值，说明UHPC的工艺达到规范和设计要求。此后继续开展防水黏结层和透水沥青混凝土施工。

表5 见证取样UHPC 的28d 检测结果 单位：MPa

4 结语

本文以胜利黄河大桥为工程背景，研究了钢-混凝土叠合梁采用UHPC 桥面铺装的实际工程问题，从UHPC 混凝土搅拌、浇筑和养护等环节的施工技术要点，到UHPC桥面板的承载能力设计、工程经济性比较，本文较全面的研究了UHPC 桥面铺装问题。通过本研究可知，与普通混凝土铺装层相比，UHPC 铺装层除了具有优良的力学性能和耐久性，还具有良好的总体经济性、对桥梁主梁受力更有利；UHPC 配合比、指标检测、浇筑整平与喷雾保湿和覆膜养护间的衔接是做好UHPC 施工质量控制的关键。从工程效果来看，项目开展至今近，未出现任何病害及微细裂缝，不仅证明了相关理论研究成果的科学性，同时也证明了UHPC 桥面铺装的可推广性。