早强型UHPC快速施工应用技术在装配式桥梁连接件维修工程中的应用

罗 鹏

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430014）

0 引言

现代生活中，便捷通畅的交通对国民经济的影响比重越来越大，交通线是保证经济正常运行的重要部分。但目前国内交通线存在交通量大，超载现象严重等问题，使路线压力很大，特别是一些重要交通线长期处于大荷载、高频次运行，桥梁结构损伤严重，但又不能长时间中断交通进行修复，否则对社会各行各业影响较大，这给桥梁设计及运营维护等各环节提出了新的要求，既要保证路线安全通畅，又要兼顾社会影响，寻求一种能快速修复或者快速施工的设计方案迫在眉睫。UHPC（即超高性能混凝土）强度高，耐久性好，结构特性与常规混凝土类似，其早强型产品混凝土抗压强度（4h）可达40MPa，抗拉强度可达4.5MPa，等同于常规混凝土28d的结构强度，应用在装配式桥梁的连接件上快速修复或者快速施工，可使桥梁快速组网通车。本文以华东地区高速路上一座既有装配式桥梁连接件维修工程为例，介绍早强型UHPC快速施工应用技术。

1 工程概况

华东地区高速路上一座既有桥梁原设计为三跨3m×10m小铰缝空心板梁，桥梁分为左右两幅，左右幅桥宽12.5m，因运行时间久，板梁上部结构有不同程度损坏，板梁铰缝破损，桥面出现裂缝，下挠严重。因担心后期出现单板受力，危害结构安全，本项目对该桥进行维修加固。

具体维修设计方案为拆除原桥梁上部板梁、桥面系等附属结构。桥墩、桥台等下部结构经前期检查，无重大病害，满足设计要求，可继续使用，本次加固维持现状。上部结构拆除后更换新板梁，重新施工桥面系及附属结构。

本方案不仅要满足结构受力要求，同时还要兼顾现场施工作业时间，尽可能压缩施工周期，将施工影响降到最低，尽早通车。经多方比较，决定选用早强型UHPC快速施工应用技术实施维修。

2 早强型UHPC连接材料的性能参数

UHPC是一种水泥基复合材料，基于最大密度堆积原理，不同于传统的高强混凝土和钢纤维混凝土，具备超高强度、超高韧性、超高耐久性能以及良好施工性能的新品种水泥基结构工程材料。早强型UHPC是快速施工应用技术的核心，该项目使用的早强型UHPC材料力学性能参数如表1所示。

表1 早强型UHPC材料参数指标

UHPC材料[1]因较为致密，水胶比低，其与混凝土的粘结及钢筋的握裹力都较常规混凝土强，根据相关实验数据，该材料与混凝土的法向粘结强度约为3MPa，如果再考虑普通钢筋的拉拔贡献，其粘结强度更高，按照常规湿接缝配筋进行估算，UHPC与混凝土的粘结强度可达4MPa左右，结合该工程特点，如果出现界面受拉破坏的情况，可保证破坏发生在原混凝土机体内，而不是新老混凝土交界面，不会出现界面脱开而影响结构受力及耐久性问题；另外材料施工性能好，UHPC材料中主要成分为矿粉、钢纤维、液剂和水，无粗骨料，其流动性较好，一般扩展度可达550～700mm，可以作为灌浆料使用，因此对于本工程湿接缝结构，UHPC能较方便、快捷、稳妥地实现接缝间的连接。

因UHPC强度高，施工性能好，材料特性与普通混凝土类似，采用UHPC作为湿接缝连接材料有下列优势：UHPC强度高，其与钢筋握裹力较强，根据前期研究成果，设计中只要钢筋间满足搭接长度≥10D（D为钢筋直径），即可实现与常规钢筋焊接的连接效果，满足钢筋拉拔为紧缩破坏而不是混凝土界面破坏，整体强度与现浇段相当。本次设计中湿接缝钢筋采用搭接连接，在设计中将相邻板梁间的湿接缝钢筋错开布置，彼此预留空间，现场吊装好之后，相邻板梁湿接缝钢筋相互搭接，搭接长度按照常规设计处理，满足现规范构造要求，现场接缝钢筋不进行绑扎及焊接处理，支模后现场浇筑UHPC，大幅缩短施工时间。

3 上部结构连接分析

该桥上部结构采用先张法10m预应力混凝土刚接空心板梁，梁长L=9.96m，梁高H=0.55m，湿接缝尺寸为0.52m×0.18m。根据《先张法预应力混凝土空心板（桥梁）》通用图规定，湿接缝处采用C50混凝土连接，因考虑时间要素，决定采用早强型UHPC快速施工应用技术，即连接材料采用早强型UHPC。

3.1 连接强度

国内有许多关于UHPC接缝构造受力性能分析的研究，石雪飞[2]等对小箱梁中UHPC纵向接缝的静力试验研究表明，采用与整浇构造尺寸相同的UHPC接缝，UHPC试件承载能力要优于整体现浇板，其抗弯承载力性能比整浇母材有所提高，在进行疲劳试验后，构件的破坏阶段的变形能力和极限承载力并未降低；钟扬[3]等对UHPC湿接缝抗弯性能试验研究也有类似的结论，UHPC湿接缝梁的抗弯能力不弱于整浇现浇梁，湿接缝配筋可提高整体抗弯承载力；另外根据其他工程项目信息，采用UHPC连接的小箱梁湿接缝已在宁波、上海等地区的项目中有所应用，本工程采用UHPC代替原C50混凝土接缝，其接缝强度可满足设计要求。

3.2 横向分布系数

在装配式结构中，梁体间由接缝来横向传力，常规设计中会引入横向分布系数进行板梁设计。根据《先张法预应力混凝土空心板（桥梁）》通用图中相关说明，10m刚接板梁横向分布系数在0.47左右，但通用图设计计算是以C50混凝土作为湿接缝的连接材料，根据刚接梁法相关定义，翼缘板连接肋梁桥如采用整体式或者可靠湿接缝连接的结构，可按照刚接梁法受力模式进行计算，即结构之间和接缝间既传递剪力又传递弯矩。本项目中湿接缝材料是UHPC，其弹性模量约为45GPa，是常规C50混凝土弹性模型（34.5GPa）的1.3倍，其与空心板梁的连接要比普通混凝土紧密，为了验证不同材料对横向传力的影响，本次采用Midas-civil有限元程序建立空心板梁梁格模型（见图1），接缝间采用不同的材料模拟横向联系，通过加载移动荷载对比不同横向湿接缝材料对横向传力的影响。

图1 全桥有限元模型

梁格模型中按照实际尺寸模拟空心板梁，板梁悬臂部分建立虚拟纵梁用来模拟接缝位置，虚拟梁与主梁间采用主从约束连接，在接缝位置处按照不同材料分别建立虚拟横梁，横梁尺寸按照湿接缝实际厚度模拟，模型中不考虑UHPC应变强化特性[4]，仅按照理想弹性材料模型考虑，移动荷载按照城-A级进行加载。

对比不同湿接缝梁格模型与单梁模型在移动荷载作用下弯矩比值，根据计算结果：单梁模型其荷载弯矩为940.1kN·m，C50湿接缝梁格模型弯矩为267.1kN·m，UHPC湿接缝梁格模型弯矩为260.2kN·m，对比相关数据，C50湿接缝连接较UHPC接缝连接横向荷载传递系数高2.65%，结合通用图数据，采用UHPC连接的板梁其横向分布系数要较通用图中相关数据偏小，其系数约为0.45左右，这种连接情况下结构偏安全，可满足设计要求。

4 采用早强型UHPC快速施工应用技术维修方案优势分析

4.1 采用刚接空心板梁，节约换梁时间

原桥梁上部结构采用交通部小铰缝空心板梁，本次维修将上部板梁替换为先张法刚接板梁，更换上部板梁及桥面系。板梁之间采用湿接缝方式连接，上部桥面系设防水层，沥青混凝土铺装。

本方案上部结构采用先张法刚接空心板梁，10m板梁梁高0.55m，板梁宽1.25m，梁与梁之间采用湿接缝连接，接缝宽51.7cm，结构断面见图2所示。由于较宽的板梁及板梁间的湿接缝构造，总体上本次板梁数量较原空心板梁减少约40%左右，现场板梁吊装可节约1/3的吊装时间，缩短现场工期。

图2 结构断面示意图

4.2 湿接缝采用UHPC连接

常规空心板铰缝设计中，因空心板铰缝空间狭窄，钢筋构造复杂，钢筋绑扎及焊接质量难以保证，另外混凝土浇筑过程中，同样由于铰缝空间小，其中钢筋及混凝土中的粗骨料影响会导致铰缝混凝土不密实，产生空洞及其他质量问题，空心板接缝会成为设计薄弱环节[5]，影响桥梁使用寿命。本次设计采用湿接缝构造形式，现场支模灌注UHPC方式进行板梁连接，不仅可解决结构受力问题，还能简化施工工序，减少接缝间钢筋绑扎焊接工序，大幅缩短施工周期。

4.3 桥梁结构及早成型，满足通车条件

装配式结构受制于连接材料，一般要等到混凝土材料强度达到设计强度才能进行下一步施工工序，而混凝土强度发展往往要十几天，周期较长。本方案中，现浇段湿接缝材料采用早强型UHPC，其材料2h抗压强度可达到30MPa，4h抗压强度达40MPa，基本等同于常规普通混凝土28d的材料强度等级，可实现湿接缝及早形成强度，满足下一阶段施工要求。本桥湿接缝浇筑后，进行常规条件养护（现场洒水+覆盖土工布+常温养护），养护4h后满足施工转换交通条件，完成结构体系转换。

5 施工流程

本次施工采用半幅封闭，半幅通车，在不中断交通的条件下进行施工，具体施工流程为：

（1）进行交通围挡，拆除和新建半幅桥梁（施工中个别施工工序有交叉）；先封闭左半幅（上行）车道一和半根车道二，封闭右半幅（下行）车道一，在封闭区域进行桥面系及旧板梁拆除，封闭区域内拆除完成后进行新板梁吊装及湿接缝浇筑工作；

（2）湿接缝浇筑完成后进行交通转换，重复上述步骤进行另半幅施工；

（3）桥面防水、沥青摊铺、伸缩缝施工；

（4）撤掉围挡，开放交通。为了将施工影响降到最低，本次合理安排施工工序，从施工进场进行围挡到施工结束，恢复交通，全程总用时不到60h，不仅实现了对老旧危桥的结构维护，将新材料、新技术应用于该桥，满足其受力要求，而且较短时间完成桥梁抢修，对比较常规换梁维修，本次施工周期大幅缩短，大大减少了对高速公路交通的影响，为今后同类型抢修加固积累了经验。

6 结束语

本项目借助早强型UHPC快速施工应用技术，得益于新材料新工艺的应用，较短时间内（60h内）完成施工换梁并开放交通，将施工对社会面影响降到最低。本次使用早强型UHPC材料，在施工4h后，材料抗压强度达到40MPa，抗拉强度达到4.5MPa，材料与钢筋锚固强度达到11MPa，满足结构受力，对具备通车条件起到关键作用，对今后类似需要及早恢复开通的交通结构的应急抢险、维修加固等有一定参考价值。