材料创新带来技术革命——钢-UHPC组合结构桥梁的工程实践
材料创新带来技术革命——钢-UHPC组合结构桥梁的工程实践
传统的正交异性钢桥面柔性铺装体系存在钢结构易疲劳开裂和钢桥面铺装容易出现病害的难题，同时普通混凝土组合结构存在负弯矩区设计难度大，耐久性相对较差的难题。钢-UHPC组合桥梁能降低主梁结构重量，提高结构承载力，增加桥梁耐久性，能有效解决上述难题。其结构型式是在正交异性钢桥面上焊接栓钉、铺设钢筋网、浇筑5cm 左右的UHPC层，形成钢-UHPC组合桥面；在无顶板的钢梁（或钢桁架）上通过栓钉和湿接缝连接预制UHPC桥面板， 形成UHPC组合梁。
UHPC组合结构具有以下特点：1、强度高。UHPC抗压强度是普通混凝土的4倍左右，抗折强度是普通混凝土的10 倍以上。密配筋UHPC的抗弯开裂名义应力可达到40MPa以上，具有超高强度。2、韧性好。UHPC梁开裂挠跨比可达到1/80，具有超强韧性。3、耐久性好。采用细集料密实级配，密实度高，各项耐久性指标远超普通混凝土，具有超强耐久性。4、刚度大。(50mmUHPC+12mm钢顶板) 组合桥面相当于40mm厚钢板，局部刚度大幅提高，可有效解决正交异性钢桥面疲劳开裂和桥面铺装易破损的难题。5、自重轻。UHPC组合梁的混凝土厚度仅为普通桥面板的1/2～1/3, 主梁自重降低20%～30%；自重的降低增大组合梁的适用跨径；较轻的主梁特别适合于软土地基。6、施工方便。UHPC材料水胶比仅0.16左右，和易性优异，可自动布料和振捣，有利于自动化和规模化施工。UHPC组合结构的轻型化，更有利于桥梁结构的预制、拼装和运输。
工程案例
株洲枫溪大桥
图1 株洲枫溪大桥
该桥为双塔单跨自锚式悬索桥， 跨径布置为3×45m+300m+3×45m，主梁采用混合梁形式。钢箱加劲梁梁高3.5m,梁宽32m,横隔板间距3.0m；加劲梁纵肋采用U肋，顶板厚度14mm；组合桥面的UHPC厚度50mm，上铺50mm沥青混凝土磨耗层（图2）。该桥采用钢-UHPC组合桥面后的钢结构疲劳应力及全寿命周期桥面维修养护成本对比情况见表1、表2。
表1 枫溪大桥桥面疲劳应力对比
表2 枫溪大桥全寿命周期桥面维修养护成本对比
临岳高速岳阳洞庭湖大桥
图3 临岳高速岳阳洞庭湖大桥
该桥为双塔双跨地锚式悬索桥 跨径布置为1480m+453.6m。采用板桁结合加劲梁，梁高9.0m，梁宽35.4m。 标准节段长16.8m，节间距8.4m。加劲梁桥面系的纵肋采用U肋，顶板厚度12mm；UHPC厚度50mm，上铺30mm沥青混凝土磨耗层。该桥采用钢-UHPC组合桥面后的钢结构疲劳应力及全寿命周期桥面维修养护成本对比情况见表3、表4。
表3 桥面疲劳应力对比
表4 全寿命周期桥面维修养护成本对比
湘潭昭华大桥
图4 湘潭昭华大桥
该桥为独塔自锚式悬索桥， 跨径布置为44.76m+168m+228m +45m+44.68m。钢箱加劲梁梁高3.5m,梁宽39.5m。桥面形式为球扁钢加劲肋组合桥面。加劲梁纵肋采用球扁钢纵肋，顶板厚度12mm；组合桥面的UHPC厚度50mm，上铺30mm沥青混凝土磨耗层（图5）。该桥采用钢-UHPC组合桥面后的钢结构疲劳应力及全寿命周期桥面维修养护成本对比情况见表5、表6。
图5 UHPC轻型组合桥面
表5 桥面疲劳应力对比
表6 全寿命周期桥面维修养护成本对比
南益高速胜天大桥
图6 初步方案—普通混凝土组合梁
图7 优化方案—UHPC组合梁
该桥为双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，跨径布置： 181.95m+450m+181.95m。由于洞庭湖软基地区，地基承载力低，地质条件复杂。初步设计方案的桥面板较厚(28cm)（图6），导致主梁自重较大，基础桩长超过110m。因此，减轻主梁自重非常重要。优化方案后，采用22cm厚华夫板，由8cm厚面板+14cm纵横肋组成，平均厚度仅为16cm（图7），大大减轻了主梁重量，节省了基础工程量， 其与普通混凝土组合梁比较情况见表7。
表7 主梁方案比较
设计理论
收缩性能
经试验，自然养护下，UHPC组合桥面28天收缩应变162με，且有继续发展的趋势，其收缩应变较大。而蒸汽养生的U H P C 组合桥面， 5 天后收缩应变稳定在 70～76με。因此，UHPC应进行高温蒸养以减小其收缩。收缩次内力方面，以洞庭湖大桥为例，其UHPC 收缩产生的主拉应力仅1.6MPa，钢桥面板等效应力为4.3MPa，钢纵横肋等效应力为4.1MPa，收缩产生的影响几乎可忽略不计。
合理构造
正交异性钢桥面有6个容易开裂的疲劳细节，使用U肋组合桥面弧形切口，疲劳应力幅仅降低20%左右，有较大改进空间。需研究组合桥面纵肋合理构造，以提高其抗疲劳性能。经研究，不同加劲形式的组合桥面均能不同程度降低疲劳应力，但降幅有较大的差别，表8列出了U肋、球扁钢肋和板肋组合桥面的关键疲劳细节降幅，可以看出板肋组合桥面在降低疲劳应力方面具有较大优势。
表8 不同加劲形式疲劳应力对比
经实桥称重系统统计研究，佛山市某桥重车道上，平均每天轴重超120kN的车辆达2300辆，100年寿命内经历标准疲劳车7000万次，远超目前常规评价体系 200万次或500 万次。由此可见，推广无限疲劳寿命设计是非常必要的。计算表明，板肋组合桥面钢结构疲劳细节应力幅均小于截止应力，具有无限疲劳设计寿命的能力。
组合桥面疲劳试验结果显示：U肋组合桥面相当于596 万次未损坏，球扁钢组合桥面：相当于1400万次未损坏。
修补技术
如图8所示，利用拉拔纵横向钢筋，可快速拆除破损UHPC。接缝方案为：修补钢筋与原钢筋搭接焊，原钢筋底部垫焊短钢筋，短钢筋焊接在钢板上。 接缝强度的开裂名义应力可到达整体现浇的0.75倍。
图8 UHPC桥面拆除技术
UHPC组合梁受力性能
图9 胜天大桥UHPC组合梁华夫板构造
以南益高速胜天大桥为例，其钢-UHPC组合梁的UHPC 华夫板未配预应力，在最不利荷载组合作用下，UHPC最大压应力为16.0MPa，最大拉应力为12.5MPa。经抗裂试验，该结构的名义开裂应力为19.4MPa，大于最大受拉应力12.5MPa，可满足正常使用要求；名义极限拉应力可达58.0MPa，具有良好的韧性。
设计方法
根据前期研究及工程实践，编制了《钢-超高韧性混凝土轻型组合结构桥面技术规范》（DB43/T 1173-2016）， 规范了该结构的材料、设计、施工、验收办法。本文对其设计计算和结构构造规定简单介绍如下。
一、结构计算
钢-UHPC组合结构计算内容与《钢-混凝土组合桥梁设计规范》大致相同。由于UHPC层较薄、力学性能不同，与普通组合结构计算、设计在以下方面有所区别：
1.UHPC抗拉能力较强，抗弯承载力计算时，应考虑其抗拉强度；
2.UHPC 蒸汽养护后收缩小,计算可不考虑收缩效应；
3.UHPC桥面厚度较薄,温度梯度与普通混凝土结构相同。
二、组合桥面构造
◆ 钢桥面板厚度：不小于12mm
◆ UHPC层厚度：不小于35mm
◆ 铺 装 层 厚度：不小于10mm
◆ 加劲肋形式：U肋、板肋、球扁钢肋
三、钢筋布置
◆ 保护层厚度：不小于10mm
◆ 钢 筋 直 径：10mm～12mm
◆ 钢 筋 布 置：横桥向宜在上层，纵桥向在下层
◆ 最小配筋率：不宜小于3%
四、连接件布置
◆ 构造形式：宜采用焊钉连接件
◆ 焊钉直径：不小于9mm
◆ 布置间距：小于10倍UHPC厚度，且不大于300mm
◆ 建议间距：取120mm～160mm
五、接缝布置
◆ 设置位置：拉应力较小区域，相邻横隔板；跨中断面前后1/4跨径范围内。
◆ 设置要求：接缝处应凿毛，并预埋锚固钢筋。
◆ 建议构造：组合桥面可在接缝处设置异型钢板或矩形接缝进行加强；组合梁可在接缝处桥面板下缘布置加强钢板，并通过连接件连接。
发展前景
时任交通运输部副部长冯正霖表示：面对琼州海峡、渤海湾和西部山区大峡谷等超长、超大跨越建设需求，需研发轻质、高强工程材料，以提高桥梁跨越能力、支撑超大跨结构体系的创新。
UHPC强度高，可减轻结构自重，能满足结构大跨径、轻型化的需要。据研究，UHPC轻型组合梁斜拉桥，技术经济跨径可达1000m。其次，UHPC耐久性好，可增加结构对恶劣环境的抵御能力，延缓结构裂缝产生、提高结构寿命、降低养护成本，以此来满足恶劣环境地区需要。另外，超高的强度，可使结构更轻，有效降低结构系统惯性荷载； 超高的韧性，使构件吸收更多的地震能，提高结构抗震性能，可以满足抗震设防等级较高的地区需要。
建筑材料创新引领桥梁技术革命！超高性能混凝土具有超高力学性能和耐久性，其与钢主梁有机结合而成的轻型组合结构，已成功克服钢桥面与常规组合结构的诸多顽疾，必将成为21世纪最有推广前景的桥梁结构之一。
（作者单位：湖南省交通规划勘察设计院)
（编辑：陈晨)