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摘 要： 超高性能混凝土(UHPC)是一种具有高强、高抗折以及优异使用性能的新型混凝土材料。针对UHPC在桥梁结构中的应用,通过梳理和汇总国外一些经典桥梁实例,总结和分析了几类典型断面形式的适用条件以及应用效果,旨在为我国同类结构的设计与研究提供参考和借鉴。
关键词： 超高性能混凝土；桥梁工程；断面形式
早期混凝土的平均抗压强度最高只能达到约40MPa,且脆性大,抗拉强度低。出于对更高性能的追求,研究人员开始尝试新的混凝土组份、养护方法和成型条件等。随着研究的深入,高强混凝土(HSC)、注浆纤维混凝土(SIFCON)、高性能纤维增强水泥基复合材料(HPFRCC)、超高性能混凝土(UHPC)、活性粉末混凝土(RPC)等概念被不断提出。虽然名称很多,但在一定程度上,它们都可以被“超高性能混凝土”(下称UHPC)这个词所代表,具有不低于100MPa的超高抗压强度、高抗折强度、良好体积稳定性、优异耐久性和较好抗渗能力等特点。
图1给出了某种UHPC其组份和配合比与普通混凝土的对比。可以看出,从混凝土组份上来说它通过以下几种途径实现了超高性能：
(1)剔除粗骨料,提高了骨料的均匀性。
(2)优化细骨料的级配,使其密布整个颗粒空间,增大了骨料的密实度。
(3)掺入硅粉、玻璃粉等超细活性矿物掺和料,使其具有很好的微粉填充效应,并通过化学反应降低孔隙率,优化了内部孔结构。
(4)添加纤维改善材料延性。
图1 某种超高性能混凝土与普通混凝土的对比
以公路桥梁为例,目前主要以混凝土的板桥、T梁桥和箱形梁桥为主,约占90%以上。从设计的角度来说,由于受普通混凝土材料性能的限制,混凝土桥梁一般尺寸较大,结构自重占到桥梁总荷载的90%甚至以上,结构给人以笨重感。而且经过多年使用后,混凝土桥梁表现出较多的病害,其中一大类即是以材料退化引起的功能性损伤,损伤形态主要表现为混凝土白化、层析、保护层厚度缺陷、钢筋锈蚀和混凝土开裂等问题。
而UHPC因其优异的性能,当运用于结构构件中时,混凝土板的板厚会大大减小。与此同时,若添加纤维,其抗拉强度大大提高,在一些结构中,取消普通钢筋甚至成为可能,或者在结构构件中仅需保留主要的钢筋。这对于跨径大、钢筋用量高的桥梁上部结构主梁来说,则显得尤为有意义。此外,其还有良好的体积稳定性、优异的耐久性等。因此,UHPC出现后,在桥梁上的应用案例最多。下文即对世界范围内一些典型的桥梁应用案例做介绍,以期给UHPC桥梁的设计与研究给出一些启示。
3.1 应用情况简介
据统计,目前世界范围内已建和在建的UHPC桥梁达到了40多座。表1主要列出了UHPC桥梁在欧美和亚洲等国的应用概况。
表1 世界范围内已建成的UHPC桥梁的应用情况
国家开始应用年份桥梁座数应用概况美国20063均为公路桥梁,2座为T梁,跨径33.5m(梁高1.14m);一座为π梁,跨径15.6m(梁高0.84m)加拿大19973均为人行桥,一座为钢混组合结构,主梁为空间桁架;另外两座均采用了T梁法国20018均为混凝土梁桥,主梁截面形式有π梁、I梁、箱梁和U形梁等德国200743座采用混凝土主梁,另一座为钢管桁架与UHPC板的组合结构日本200216基本为混凝土梁桥,主梁截面形式主要为箱梁和U形梁等韩国20022均为人行桥,一座为主跨120m的拱桥,一座为小跨径斜拉桥中国201532座为混凝土箱梁桥,一座为小跨径人行拱桥
从表1中数据可以看出,虽然从最早应用的1997年到现在已近20年,UHPC桥梁仍然多为试验桥,主要被应用于人行桥和小跨径公路或铁路桥梁上,目前最大跨径即为韩国和平桥的120m主跨。
3.2 混凝土主梁的主要断面形式
作为应用案例最多的混凝土梁桥,其主梁断面主要有T形、π形、U形和箱形等几种,下文通过几个典型案例的分析,讨论这几种断面形式被采用的原因和特点。
3.2.1 T形、I形与π形断面
(1)美国Mars Hill桥
Mars Hill桥是美国第一座公路UHPC桥梁,为跨径33.5m的简支梁桥,桥宽约8.28m。采用3片预制先张预应力T梁与约229mm厚的现浇混凝土桥面板。采用的UHPC抗压强度高达约207MPa。
T梁断面在原普通混凝土T梁断面的基础上,减小了顶板、腹板和马蹄等的厚度,梁高1067mm,考虑现浇桥面板的厚度后高跨比约为1/26,如图2所示。修改后的断面面积是原断面面积的约73%。T梁断面中布置了先张预应力筋,并取消了抗剪钢筋。
图2 Mars Hill桥横断面
(2)法国Saint Pierre La Cour桥
为了进一步简化施工,在UHPC梁片与现浇普通混凝土桥面板组合运用时,还可采用超薄UHPC板作为现浇桥面板的底模,省去立模与拆模等步骤,并充分利用UHPC的高抗拉强度与优异耐久性。法国的Saint Pierre La Cour桥即采用了这种方案。
该桥长19m,总宽12.9m,横向共有10片I梁(图3)。桥面板的施工分成两步,在I梁安装到位后,首先吊装83块25mm厚的预制薄板,然后再浇筑200mm厚的普通混凝土桥面板。
(3)美国Jakway Park桥
Jakway Park桥的其中一跨采用了UHPC主梁,其跨径15.24m,桥宽7.62m,横向采用3片π形梁,梁高838mm,断面形式如图4所示。π形梁间通过现浇湿接缝连接。采用的UHPC抗压强度约为150MPa。
每片π形梁纵向布置了22根直径15.24mm的先张预应力筋,马蹄中共布置了18束,顶板中布置了4束。梁中仅在顶板的下缘布置了直径约16mm的普通钢筋,以防UHPC板发生非弹性变形；梁中无抗剪钢筋,主要是因为UHPC中的钢纤维提高了混凝土的抗拉强度,从而进一步抑制了腹板斜裂缝和弯剪裂缝的开展。
3.2.2 U形梁
Kayogawa桥是日本第一个UHPC铁路桥,于2010年建成。桥长15.86m,桥宽4m(单线),梁高1.5m。
图3 Saint Pierre La Cour桥横断面
图4 Jakway Park桥横断面
该工程因为受桥位处的实际情况限制,新桥桥面板的厚度不能超过250mm,而且需采用上承式桥梁。如果采用普通混凝土U型梁,如图5(b)所示,则须调整接线的设计,从而导致工程造价大大增加。使用UHPC,则桥面板的厚度可控制在250mm,并且U梁腹板厚度也可减薄,最终UHPC梁的断面面积为1.6m2,仅为原普通混凝土U梁的一半。
该桥的施工方法为纵向划分成7个节段,在工厂预制,运输至现场后张拉预应力筋形成一体。
图5 Kayogawa桥横断面
3.2.3 箱形断面
PS34桥是法国的一座跨线桥,建成于2005年,桥长47.4m,桥宽4.4m,净宽3m,单车道。采用的UHPC抗压强度约150MPa。主梁为等高箱梁,梁高1.63m,梁长范围内顶板、腹板和底板均等厚,顶板厚140mm,腹板和底板厚120mm,如图6所示。梁体非常纤薄,全桥的UHPC用量约80m3。如果采用普通混凝土(C40左右),估计混凝土用量为200m3。
图6 PS34桥横断面
梁体内无传统的普通钢筋,纵向布置了6束19～15体外预应力束。该桥也采用了节段预制拼装施工。
3.3 钢-混组合结构
除了在纯混凝土梁上运用外,UHPC也被运用于钢-混组合结构,德国的Gärtnerplatz桥即是非常重要的应用案例之一。
该桥全长约134m,跨径布置为(19+24+21+36+21+13)m,采用了变高度钢管空间桁架与UHPC板的组合结构,跨中断面如图7所示,采用的UHPC抗压强度约为165MPa,UHPC桥面板仅80mm厚。
图7 Gärtnerplatz桥横断面
UHPC部分分成上弦杆与桥面板两部分,UHPC上弦杆下缘预埋钢板,与钢管腹杆通过螺栓连接。施工时钢管桁架与UHPC上弦杆形成整体后,运输至现场安装,待组合桁架安装完成后,再吊装预制UHPC桥面板(分块尺寸2m×5m)。UHPC桥面板与上弦杆之间仅通过胶结联系在一起,分块桥面板间也为胶结。为保证桥面板中有足够的压应力,在UHPC上弦杆中设置了纵向预应力。
要推广UHPC的应用,有关UHPC结构设计的规范不可或缺。日本和法国在这方面走在了世界前列,较早就形成了一整套类似于普通混凝土结构的有关UHPC结构的推荐做法,内容涉及UHPC材料特性、结构设计方法、耐久性等。目前国内的湖南省在2017年2月份也推出了一本活性粉末混凝土结构技术规程(征求意见稿)。
UHPC作为一种新型混凝土材料,在桥梁结构领域具有广阔的应用前景。通过国外的工程实例可以发现：
(1)UHPC作为桥梁结构用混凝土可以极大地提高材料使用效率,减小断面尺寸和结构自重；
(2)由于UHPC其本身的高性能,使得结构配筋得以简化甚至取消普通钢筋的设置,大大简化了施工流程,质量易于控制；
(3)UHPC具有传统混凝土结构的优点,适合各类结构形式与安装方法,特别是在钢—混组合结构中,优点更加突出。
由于材料价格昂贵、尚未形成完整的应用标准体系、工程需求不强烈等原因,UHPC在我国实际应用与推广尚处于起步阶段。但是UHPC在桥梁工程领域的应用前景广阔,潜力巨大,其发展还需要业内的研究人员作出更多的努力与实践。
参考文献
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SUN Li,DAI Wei
(Anhui Transport Consulting amp; Design Institute Co.,Ltd.,Hefei 230088,China)
Abstract Ultra High Performance Concrete (UHPC) is a kind of new concrete material with high strength, high flexural strength and excellent character of service. Aiming at the application of UHPC in bridge structure, the application conditions and application effects of several kinds of typical section forms are summarized and analyzed by combing and summarizing some classic bridge examples at home and abroad, so as to provide reference for the design and research of our country's similar structures.
Key words Ultra high performance concrete; Bridge engineering; Section form