自锚式悬索桥UHPC 矮肋板接缝处理工艺研究及应用

2023-11-27江五四张欣

中国港湾建设 2023年11期

关键词：板结构青龙桥面

江五四，张欣

（1.中交（长沙）建设有限公司，湖南长沙 410000；2.湖南省交通规划勘察设计研究院有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有良好的力学性能，鉴于UHPC 相对较高的单价，其工程应用主要在结构加固和UHPC 薄层轻型组合桥面[1-3]。随着UHPC 材料的发展普及，UHPC 方案在诸多工程应用场景中更具经济性[4]。

益阳青龙洲大桥主桥创造性地采用双边箱钢-UHPC 轻型组合加劲梁，首次将UHPC 板作为桥面结构应用于自锚式悬索桥中，降低了结构自重，提高了结构的受力性能[5]。

UHPC 相较于普通混凝土通常具有更大的收缩效应，为降低结构次内力，桥面板采用工厂预制现场后浇纵横向接缝形式连接。作为预制结构，其关键结构在于接缝位置的处理。考虑到构造需要及施工便利性，接缝通常设置于横梁或小纵梁上方，即桥面板的负弯矩区，接缝结构的承载力及抗裂性能直接影响结构的安全性和耐久性。

本文以益阳青龙洲大桥为工程背景，通过模拟施工环境，对大桥的横向与纵向湿接缝进行多组模型试验，结合有限元模型受力分析结果对比分析，全面评估UHPC 矮肋板结构在实际桥梁工程建设中的技术可行性，以及桥面板接缝施工关键技术。

1 工程背景

青龙洲大桥主桥是一座主跨60+110+260+110+60=600 m 的自锚式悬索桥，桥形布置如图1所示，吊索间距10.5 m。主梁采用钢-UHPC 轻型组合PK 梁结构，主梁标准段桥面板布置如图2所示，全宽为34.5 m，中心高度为3.63 m。

图1 青龙洲大桥桥形布置（m）Fig.1 Bridge layout of Qinglongzhou Bridge（m）

图2 主梁标准段桥面板布置（cm）Fig.2 Standard section bridge deck arrangement of main girder（cm）

青龙洲大桥钢-UHPC 轻型组合PK 梁下部钢梁系由主纵箱梁、工字形横梁、工字形小纵梁组成的双主梁梁格体系，工字形横梁间距为3.5 m。上部桥面板结构为22 cm 高的UHPC 矮肋板，由504 块预制板（图3）和现浇湿接缝（图4）两部分组成，主梁桥面板铺设宽度30.58 m，横向分3 块板预制（边板2 块、中板1 块）。

图3 青龙洲大桥标准超高性能混凝土桥面板（cm）Fig.3 Standard ultra-high-performance concrete deck of Qinglongzhou Bridge（cm）

图4 青龙洲大桥桥面板湿接缝设计方案（cm）Fig.4 Design scheme of wet joints of Qinglongzhou Bridge deck（cm）

主梁标准梁段边板宽823.2 cm、中板宽801.2 cm，板长均为300 cm，矮肋间距均为68 cm。矮肋板在预制完成后运至施工现场吊装就位，通过现场浇筑湿接缝将上部UHPC 桥面板结构与下部钢梁整合到一起。

预制桥面板之间包含横、纵向湿接缝，湿接缝底部宽度为50 cm。与原桥面板方案（传统的26 cm 厚预应力普通混凝土桥面板）相比，钢-UHPC 组合矮肋桥面板方案均厚为14 cm（考虑接缝部位后），自重减轻约44%，且避免了张拉预应力钢束。

2 桥面板湿接缝方案设计

2.1 接缝设计方案

预制桥面板之间的横、纵向湿接缝设计方案（图4），由于浇筑不连续，新老UHPC 处钢纤维在接缝处断开，造成新老UHPC 交界面成为弯拉薄弱处。将接缝结构上表面的交界面各向外延伸25 cm，并在预制桥面板端部制作5 cm 深的凹槽，形成T 形的接缝横断面，避免接缝处于高拉应力区。T 形湿接缝内部主要细节如图5 所示，包括：T 形台阶、界面凿毛和浇水处理、预埋钢筋、补强钢筋、栓钉剪力连接件等。该T 形湿接缝结构无需焊接，现场施工方便、高效。

图5 T 形湿接缝内部细节示意图Fig.5 Schematic diagram of the internal details of the T-shaped wet joint

青龙洲大桥桥面板结构的湿接缝包括横向湿接缝与纵向湿接缝。接缝处使用的UHPC 材料类型为含膨胀剂的常规UHPC 材料，添加膨胀剂可有效控制接缝处UHPC 材料的收缩量；接缝处UHPC 材料在现场浇筑完后，采用60 ℃蒸汽养护技术减少后期收缩。另外，接缝处UHPC 材料中使用的钢纤维类型与预制桥面板中使用的钢纤维类型一致，同为2.0%体积率的直线形钢纤维，钢纤维直径为0.16 mm，长度为13 mm。

2.2 桥梁整体有限元计算

青龙洲大桥首次采用轻型组合加劲梁，即将UHPC 矮肋板结构作为桥面板与下部钢梁结合在一起，共同在自锚式悬索桥体系内（第一体系内）受力。为揭示钢-UHPC 组合梁在第一体系中的整体受力状态，建立了青龙洲大桥全桥整体有限元模型。组合梁在辅助墩、过渡墩和桥塔处采用简支约束，桥塔底部固结，索缆与桥塔和组合梁在锚固点处设置主从约束。

基于我国现行的桥梁结构设计规范，对青龙洲大桥的正常使用极限状态和承载能力极限状态进行整体计算分析，主要考虑的荷载作用有：结构自重与二期荷载、车道荷载、人群荷载、风荷载、温度、沉降、汽车制动力等荷载。按照设计规范要求将各分项荷载作用进行组合，计算分析最不利荷载组合下的桥梁结构内力。UHPC 矮肋板结构在悬索桥第一体系中的受力分析模型如图6 所示。

图6 青龙洲大桥整体有限元模型Fig.6 Overall finite element model of Qinglongzhou Bridge

在正常使用极限状态下，桥面板设计拉应力由频遇组合作用下计算求得，预制UHPC 桥面板的最大拉应力为3.51 MPa，UHPC 接缝处的最大拉应力为3.15 MPa。桥面板设计压应力由标准组合作用下计算求得，UHPC 桥面板的最大压应力为23.59 MPa。

在承载能力极限状态下，桥面板设计弯矩承载能力由基本组合作用下计算求得，UHPC 桥面板的最大正弯矩为588.37 kN·m，最大负弯矩为609.02 kN·m。桥面板结构全宽为30.58 m，换算每单位宽度桥面板结构的最大设计正弯矩和负弯矩分别为19.24 kN·m/m 和19.92 kN·m/m。

2.3 桥面板有限元计算

为了进一步探索UHPC 矮肋板结构在第二、三体系中的局部受力状态，利用ABAQUS 有限元软件对青龙洲大桥的标准组合梁梁段建立了更为精准的局部有限元模型。局部有限元计算重点分析了UHPC 矮肋板在悬索桥第二、三体系中的受力状态，计算结果如表1 所示，在车轮荷载作用下，桥面板内纵向最大拉应力出现在正弯矩区UHPC 矮肋底部，其中UHPC 最大纵向拉应力为8.16 MPa，钢板条最大拉应力为49.70 MPa；桥面板内横向最大拉应力出现在正弯矩区UHPC 顶板底部，UHPC 最大横向拉应力为2.55 MPa；负弯矩区横向接缝与纵向接缝区域内，最大拉应力分别为2.73 MPa 和2.52 MPa。考虑叠加效应，将整体计算频遇组合作用下的分析结果和局部计算分析结果相加，并将相加结果作为UHPC 矮肋板结构在青龙洲大桥实桥中的最终设计强度需求。

表1 青龙洲大桥整体与局部有限元分析结果Table 1 Overall and partial finite element analysis results of Qinglongzhou Bridge

计算结果表明：

1） UHPC 矮肋板结构中底部钢板的最大设计拉应力为67.25 MPa，远低于Q345 钢材抗拉强度设计值（270 MPa），故满足设计要求。

2）而前文整体计算分析标准组合作用下UHPC 桥面板内最大设计压应力为23.59 MPa，同样远低于UHPC 材料抗压强度设计值（约72.8 MPa），说明安全富余较多。

因此，UHPC 矮肋板结构在实桥应用时的主要控制设计指标应为UHPC 材料中的拉应力大小，UHPC 矮肋板结构受拉区现浇湿接缝受力性能决定该新型桥面板是否可行[6-11]。

3 桥面板湿接缝性能试验研究

3.1 接缝模型制作

按照工程实际接缝尺寸，制作了2 个足尺条带湿接缝构件模型：1）横向湿接缝构件（编号：HJF），长度400 cm，宽度68 cm；2）纵向湿接缝构件（编号：ZJF），长度342 cm，宽度68 cm。

接缝构件制作过程：1）制作接缝两端预制桥面板部分，浇筑界面凿毛处理，洒水保持湿润。然后，与预制的钢梁翼缘板（焊接完栓钉剪力连接件）部位搭接好，立好接缝模板；2）放置补强钢筋，为了测试现浇UHPC 材料的收缩情况，在接缝中间放入埋入式收缩测试计；3）浇筑湿接缝UHPC材料，注意浇筑湿接缝前，需保证界面处应不间断洒水保持湿润48 h；4）浇筑完成12 h 后，待UHPC 材料上表面初凝后，在上表面新老UHPC界面处安装表贴式收缩测试计，目的是为了测量界面处的UHPC 材料的收缩量；5）浇筑完成36 h后，对接缝构件进行72 h 的60 ℃蒸汽养护，完成接缝构件的制作。

最后，通过三点抗弯试验来模拟实桥接缝受弯情况，并检测现浇湿接缝结构的抗弯性能。

3.2 接缝抗弯性能试验结果

鉴于桥面板纵、横向湿接缝构造形式类似，受力模式也基本相当，本文仅对横向湿接缝的抗弯性能试验进行详细分析。对进行完UHPC 材料收缩测试的横向湿接缝构件（HJF），进行三点抗弯试验来模拟实桥接缝受弯情况，并检测现浇湿接缝结构的抗弯性能，试验如图7 所示。

图7 UHPC 矮肋板横向湿接缝抗弯试验（cm）Fig.7 Flexural test of transverse wet joints of UHPC low-ribbed slabs（cm）

试验中接缝构件的计算跨径为290 cm，重点观测的横截面主要包含3 类，如图7 所示，I 类截面位于新老UHPC 交界处，横截面形状为T 形，截面抗弯刚度最小；II 类截面位于T 形截面与实心截面交界处，属于横截面刚度突变处；III 类截面位于跨中UHPC 实心处，截面抗弯刚度最大，同样位于负弯矩荷载最大处。湿接缝抗弯试验结果主要包括开裂强度、抗弯承载能力和破坏模式。横向湿接缝抗弯试验中测得的荷载-跨中挠度曲线和荷载-最大裂缝宽度曲线见图8。

图8 UHPC 矮肋板横向湿接缝抗弯试验结果Fig.8 Flexural test results of transverse wet joints of UHPC low-ribbed slabs

试验结果表明：对于UHPC 矮肋板结构的横向湿接缝抗弯构件（HJF），其破坏过程大致如下，首先弯拉裂缝出现在I 类截面处，随后II、III 类截面处也相继出现弯拉裂缝，但整个试验过程中，最大裂缝宽度始终出现在I 类截面处，最后在竖向荷载达到255 kN 时，构件HJF 在I 类截面处折断破坏，破坏模式属于延性破坏。

破坏时，I 类截面处的抗弯承载能力值为121.1 kN·m，跨中III 类截面处的抗弯承载能力值为184.9 kN·m，考虑到试验中接缝构件的宽度为0.68 m，故在I、III 类截面处，单位宽度横向接缝抗弯构件的弯矩承载能力分别为178.1 kN·m/m 和271.9 kN·m/m，分别是上述抗弯承载能力设计值（19.92 kN·m/m）的8.9 倍和13.6 倍。

横向接缝抗弯构件中I、II、III 类截面处的裂缝达到特征裂缝宽度0.05～0.20 mm 时，各自位置处的UHPC 名义拉应力值见表2。

表2 横向湿接缝抗弯构件名义拉应力Table 2 Nominal tensile stress of flexural members of transverse wet joints MPa

试验结果表明：当特征裂缝宽度达到0.05 mm，I、II、III 类截面处的开裂强度分别为6.02 MPa、10.18 MPa 和17.67 MPa，均高于上述横向湿接缝抗弯设计拉应力值（5.88 MPa）；当构件中I类截面处的特征裂缝宽度达到结构设计规范容许的裂缝宽度0.20 mm 时，其UHPC 名义拉应力可达14.59 MPa，满足上述横向湿接缝抗弯设计拉应力值（5.88 MPa）的2.48 倍。

上述对比结果表明：青龙洲大桥桥面板的湿接缝结构的开裂强度和抗弯承载能力均符合实桥的设计需求，湿接缝结构抗弯性能良好。

4 应用效果

基于UHPC 桥面板接缝结构优化、理论分析及模型试验等系列工艺研究，合理编制青龙洲大桥现场桥面板湿接缝施工组织方案，主要包括以下几个环节：1）吊装摆放预制桥面板；2）湿接缝处安设补强钢筋；3）浇筑湿接缝UHPC 材料、使用振捣整平梁将桥面板表面振捣整平；4）蒸汽养护湿接缝；5）全桥桥面板上表面抛丸糙化，铺设桥面铺装层及上部其他结构，完成桥面板施工。

青龙洲大桥首次将UHPC 板作为桥面结构应用于自锚式悬索桥中，实桥施工典型工序如图9所示，新型接缝处理工艺的应用极大地加快了大桥施工进度，保证了施工质量，提高了结构耐久性，大桥的顺利建成同时也为本研究实用性和正确性提供了有力佐证。