鋼-混組合梁UHPC 橋面鋪裝施工技術研究

張斐 ZHANG Fei

（中鐵十四局集團房橋有限公司，北京 102400）

0 引言

隨著我國基建的不斷發(fā)展，新材料、新技術、新工藝的不斷應用，工程質量有了質的變化。然而在早期建成的大跨徑鋼橋面橋梁，除了少數橋梁橋面鋪裝的狀態(tài)比較良好，大部分橋面鋪裝層陸續(xù)出現結構疲勞開裂等病害，影響行車安全。

隨著研究人員對超高性能混凝土材料的深入研究，工程人員也極為關注該材料的性能并進行了廣泛的嘗試。由于UHPC 材料致密的材料結構和優(yōu)異的耐久性能，該種材料最初被應用于核電站和軍事工程建設。橋梁結構跨度和體量增大后，對材料的要求愈加嚴格，工程師逐漸思考將UHPC 材料應用于橋梁結構，并在人行橋、公路橋、景觀橋等方面進行了廣泛嘗試，目前國內外已超600 座橋梁采用該種材料。大量實踐證明，該種材料在橋梁結構中應用能充分發(fā)揮該種材料優(yōu)異的材料性能和耐久性，可大幅降低橋梁自重和建設質量，提高橋梁耐久性和景觀性。

1 UHPC 設計說明

1.1 工程背景

勝利黃河大橋（以下簡稱大橋）位于東營市墾利縣東北側，大橋北側連接京津地區(qū)、東營港以及勝利油田油區(qū)，南側連接勝利油田基地、濟青高速公路以及膠東地區(qū)，全長約2.8km，如圖1 所示。現有橋面鋪裝寬度16m，共計鋪裝長度682m，采用C40 混凝土結合4cm 澆注式瀝青混凝土和3.5cmSMA 改性瀝青面層，長期服役后橋面鋪裝存在凹陷、車轍、坑槽、擁包、網裂現象等病害問題，且原橋橋面板和橫隔板均較薄，疲勞問題較為突出。

圖1 工程位置示意圖

橋面鋪裝屬于橋梁結構的直接磨損部分，不僅受車輛摩擦的影響，還受雨水沖刷和熱膨脹的影響。近年來，隨著我國交通荷載的不斷增加，橋面鋪裝層的使用壽命急劇下降。而超高性能混凝土（UHPC）是近30年來從混凝土力學性能和耐久性角度發(fā)展起來的最具創(chuàng)新性的水泥基結構工程材料之一，具有優(yōu)良的力學性能和耐久性，可以改善橋梁構件接縫的連接完整性，減少橋面鋪裝的變形和裂縫問題，提高橋梁的承載能力。因此根據國內外鋼橋面鋪裝的工程經驗和最新的科研成果，提出以下修補方案：上層4cm 厚高黏高彈SMA-10+下層5.5cm 厚（平均）C150 超高強度混凝土。UHPC 橋面鋪裝采用分幅鋪裝方式，先施工左幅，再施工右幅。單幅施工共劃分4 段，全橋共8 個施工節(jié)段。

1.2 方案設計

UHPC 作為橋面鋪裝層的耐久性已在榕江大橋、虎門大橋等多個實際工程中得到驗證，但力學性能設計規(guī)范缺乏，因此有必要作承載力的計算說明。

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》可知，橋面板為彎曲構件，需驗算其抗彎承載能力。下文首先計算原方案的設計承載力，然后驗算UHPC 的承載能力是否滿足要求。

1.2.1 原設計的承載力

原設計采用C40 混凝土，根據《混凝土結構設計規(guī)范》，僅采用縱向體內鋼筋的矩形截面或翼緣位于受拉邊的T 型截面受彎構件，其正截面抗彎承載力計算應按下列公式計算：

其中，Md為梁或板的彎矩設計值，fcd為混凝土抗壓設計值，b 為矩形截面寬度，x 為混凝土受壓區(qū)高度，h0為截面有效高度。計算可得，20cm 厚C40 混凝土的設計彎矩為：7.9456×105N/m2。

1.2.2 UHPC 方案的承載力

由于C150 混凝土缺乏相關設計規(guī)范，借鑒鄧宗才等人在《高強鋼筋UHPC 梁抗彎性能試驗》的研究成果，梁或板受壓區(qū)采用等效矩形應力圖來代替實際應力圖形，等效應力圖特征值α、β 依據軸壓應力-應變曲線，按照壓力合力和作用點不變的原則求得，受拉區(qū)也按等效矩形應力圖形計算，拉應力值按抗拉強度取值，由壓力合力等于拉力合力得求得受壓區(qū)高度后，采用下式計算所有力對受拉鋼筋合力取矩得極限彎矩Mu。

其中，Mu為梁或板的彎矩設計值，fc為混凝土抗壓設計值，b 為矩形截面寬度，x 為混凝土受壓區(qū)高度，h0為截面有效高度，ft為混凝土抗拉強度設計值。通過計算可得，5.5cm厚的C150 混凝土板的抗彎承載力為1.0379×106N·m2。

通過上述計算可知，本文采用的UHPC 方案滿足承載力設計要求。

1.3 方案經濟性比較

與普通混凝土或高強混凝土相比較，UHPC 的單價偏高，但從上述方案設計可知，UHPC 方案的混凝土厚度明顯減小，工程的總體經濟性有待確認，因此，本小節(jié)將對比兩種方案的總體經濟性。

通過表1 可看出，兩種方案的總體經濟性接近，其中UHPC 方案略優(yōu)于原普通混凝土鋪裝層的方案、節(jié)約工程成本約16 萬元。還需要說明的是，現階段工程界對UHPC的應用處于探索階段，隨著研究的深入和UHPC 的廣泛應用，UHPC 材料成本的降低指日可待。

表1 方案經濟性比較

1.4 結構自重比較

鋪裝層是橋梁上部結構自重的組成部分，自重荷載是主梁設計的控制荷載之一，因此，鋪裝層重量將直接影響結構主梁的設計和經濟性。通過表2 的對比可知，UHPC鋪裝層的自重明顯小于原普通混凝土鋪裝層，對主梁的受力更有利。

表2 方案自重比較

2 施工要點

2.1 施工流程

UHPC 橋面鋪裝采用分幅鋪裝方式，先施工左幅，再施工右幅。單幅施工共劃分4 段，全橋共8 個施工節(jié)段，如表3 所示。每個節(jié)段的具體施工流程如圖2 所示。

表3 施工節(jié)段劃分表

圖2 施工流程圖

2.2 施工準備

2.2.1 材料

本工程采用的主要材料為UHPC 混凝土，總的用量約為630m3（考慮3%的損耗），由水泥、石英砂、鋼纖維、核心料（專利產品，包括硅灰、粉煤灰、高效減水劑等）和水等拌合而成；生產方式采用工廠把固體原材料預拌成干混料，然后現場加水進行二次拌合。按照《超高性能混凝土預混料產品檢驗和試驗規(guī)程》（T/CBMF96-2020/T/CCPA20—2020）進行UHPC 拌合料質量驗收，驗收指標包括坍落度和擴展度。

2.2.2 設備

施工設備主要包括攪拌機、布料機、整平機、覆膜機等。

2.3 剪力釘施工

橋面鋪裝層設計長35mm，φ19mm ML15 螺柱頭焊釘作為剪力釘，剪力釘焊接標準間距31cm×31cm，焊接位置如圖3、圖4 所示。

圖3 剪力釘焊接

圖4 橋面剪力釘標準斷面

2.4 橋面鋼筋綁扎

綁扎鋼筋網網眼大小為5cm×5cm，鋼筋安裝時，將縱向鋼筋放置在下，橫向鋼筋放置在上面，縱向鋼筋最邊緣距耐候鋼2.5cm，其余鋼筋按照5cm 間距進行布置。

縱向鋼筋安裝時，在第一段的第一排鋼筋采用9.1m和8.5m 兩種型號交替放置，將相鄰的縱向鋼筋錯開60m，后續(xù)全部采用36m 的鋼筋搭接40cm 綁扎接茬。

2.5 高性能混凝土的攪拌

UHPC 的攪拌流程為：預混料攪拌（3min）→加水攪拌（3min）→鋼纖維添加攪拌（3min），現場施工時根據到場UHPC 的狀態(tài)由試驗人員進行適時的調整，并做好試驗件。

表4 UHPC 攪拌配合比

干混料投料前需用清水潤濕攪拌機攪拌倉，排盡余水后投入預混料。預混料采用計量包裝，人工配合叉車，吊起噸包袋，投入提升料斗，由提升料斗送人攪拌機攪拌倉，攪拌1min；然后加入鋼纖維，干混合5～8min；之后再加水，濕混合5～8min。

2.6 高性能混凝土的澆筑

在拌合料坍落度與擴展度指標驗收合格的前提下，采用UHPC 攤鋪機開展?jié)仓┕?。整個澆筑過程可分為：攤鋪-整平-收面。

2.6.1 UHPC 攤鋪及整平

攤鋪機作業(yè)時，首先UHPC 拌合物運輸至布料槽內，使布料槽內隨時充滿UHPC 料；然后通過攤鋪機的布料，使UHPC 均勻布料，同時控制UHPC 的布料厚度不少于設計值。

UHPC 的振搗及整平由攤鋪機的振搗整平系統(tǒng)進行，振搗頻率為100Hz，通過振搗整平后UHPC 厚度誤差控制在3mm 范圍內。

圖5 UHPC 布料機

圖6 UHPC 整平機

2.6.2 收面

澆筑開始后，根據現場的攪拌量控制澆筑速度，確保連續(xù)澆筑，澆筑間隔不大于澆筑時UHPC 表面的結皮時間（根據現場天氣狀況測算）。收面工人乘坐在走行小行車上，進行收面。結合橋寬及攪拌效率，澆筑后應及時工人及時進行二次人工收面、噴霧、覆膜，防止表面結皮影響外觀質量。緊接著噴霧覆膜養(yǎng)護。

2.7 高性能混凝土的養(yǎng)護

2.7.1 覆膜養(yǎng)護

考慮本材料澆筑后在噴霧保濕的條件下表面約10 分鐘內（具體時長當時天氣條件確定）會產生結皮現象，應在整平完成后立即進行收面及覆膜作業(yè)?？紤]到整平機過后施工人員不能直接進入進行收面、局部區(qū)域可能的補料等工作，訂制的覆膜機上帶有操作平臺，可進行第三次收面，在收面時若出現起皮現象可適當噴霧灑水同時立即進行收面以保護UHPC 表面平整度。局部區(qū)域可能的補料可使用手提式平板振搗器進行振搗振平。覆膜養(yǎng)護時間不得少于48h。

2.7.2 保濕養(yǎng)護

覆膜養(yǎng)護48h 以后，除去養(yǎng)護膜，覆蓋土工布繼續(xù)保濕養(yǎng)護至14d。

2.8 UHPC 表面拋光

UHPC 層表面拋光糙化在UHPC 養(yǎng)護完成后進行。通過拋光可加強UHPC 層與粘結層的粘結效果。UHPC 表面糙化的技術指標：粗糙度達到0.45～0.6mm；拋光后，UHPC表面應裸露出“新鮮”鋼絲及混凝土面，且顏色均勻，達到糙化比色板“SP4”的程度。拋光機具體行走速度等參數，通過試驗段確定。

圖7 UHPC 表面拋光糙化

3 施工效果

現場施工完成橋面UHPC 養(yǎng)護后，揭去覆膜，經表觀檢查，未發(fā)現裂縫、氣泡、紗線等表觀質量問題。同時，UHPC 試塊的28d 各項力學性能指標檢測結果如表5 所示，從表中數據可知，實測數據均大于標準值，說明UHPC的工藝達到規(guī)范和設計要求。此后繼續(xù)開展防水黏結層和透水瀝青混凝土施工。

表5 見證取樣UHPC 的28d 檢測結果 單位：MPa

4 結語

本文以勝利黃河大橋為工程背景，研究了鋼-混凝土疊合梁采用UHPC 橋面鋪裝的實際工程問題，從UHPC 混凝土攪拌、澆筑和養(yǎng)護等環(huán)節(jié)的施工技術要點，到UHPC橋面板的承載能力設計、工程經濟性比較，本文較全面的研究了UHPC 橋面鋪裝問題。通過本研究可知，與普通混凝土鋪裝層相比，UHPC 鋪裝層除了具有優(yōu)良的力學性能和耐久性，還具有良好的總體經濟性、對橋梁主梁受力更有利；UHPC 配合比、指標檢測、澆筑整平與噴霧保濕和覆膜養(yǎng)護間的銜接是做好UHPC 施工質量控制的關鍵。從工程效果來看，項目開展至今近，未出現任何病害及微細裂縫，不僅證明了相關理論研究成果的科學性，同時也證明了UHPC 橋面鋪裝的可推廣性。