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采用高性能混凝土加快
桥梁建设项目
摘要：
美国的国家桥梁清单包括60多万座公路桥梁。其中大约25%的桥梁在结构上有缺陷或功能上过时。目前，联邦公路管理局（FHWA）正在研究不同的替代方案，以建造具有更长的寿命，较低的维护和维修需求的新桥梁。
目前，联邦公路管理局正在救助充分利用桥梁加速建设技术（ABC），加快新桥梁的建设，最大限度地减少材料、劳动力和设备成本。在本研究中，讨论了使用预制桥梁元件系统(PBES)的桥梁加速建设技术，包括使用经济高性能的预制/预应力元件的制造。 使用当地建筑材料开发的NCE混凝土(HPC)混合物。 成功使用HPC制作桥梁加速建设技术（ABC）中使用的PBES可以使联邦公路管理局在当前预算下建造新的桥梁的限制。 这提高了美国境内桥梁网络的整体评级。
- 导言
美国国家桥梁清单包括60多万座跨度超过20英尺（6.1米）的公路桥梁。大约9%的桥梁库存在结构上有缺陷，14%的桥梁在功能上有缺陷。结构缺陷的桥梁需要立即对承重构件进行部分修复，以避免桥梁失效，而功能缺陷的桥梁则是没有提供足够的可使用性，因为它们的排列不当、小型车道、不安全的接近倾角或几何问题可能导致交通堵塞和交通事故增加 [1]。
桥梁状况的评级依据如下因素：（1）桥梁材料状况，（2）桥面状况，（3）上部结构状况，（4）桥梁基础设施（桥墩）状况。桥梁的一般评级条件从零（失败的桥梁)到九(良好的条件）。如果上述任何部分的评级被评为四或更低，则桥梁状况被报告为缺陷。美国土木工程师协会(ASCE)公布的2017年基础设施报告卡显示，美国每10座桥梁中几乎有4座是50岁或50岁以上的桥梁，而且平均每座桥梁都是50岁以上的桥梁 每天有1.88亿次旅行跨越一座结构缺陷的桥梁。 国家桥梁网络的恶化和老化加剧，对通行者的安全造成了更高的风险[2]。
结构缺陷的例子包括：桥面开裂和剥落，混凝土梁裂缝，钢梁腐蚀，桥梁下部结构过度沉降，脊墩开裂，可能对桥梁的结构完整性造成任何危险的任何结构退化，以防延误维修。结构性缺陷包括桥面劣化、伸缩缝问题、梁劣化和钢腐蚀。 图1为显示钢梁腐蚀造成严重的结构缺陷。
联邦公路管理局(FHWA)和不同的交通部(DoTs)目前正在使用不同的技术来提高桥梁的库存评级，包括：（1）建立不同的桥梁管理系统，以评估当前和未来的桥梁状况[3]，（2）优先考虑所需的维护活动，在桥梁施工中使用高性能材料[4-7]，（3）利用新的方法和施工技术建造新的桥梁，并尽量减少旧桥梁的维修支出。
到目前为止，联邦公路管理局正在利用一种新的桥梁建造技术，即桥梁加速建设技术（ABC），以建造不同跨度、倾斜角度和使用不同的公路桥梁和建筑材料。在规划、施工方法和材料选择方面的创新ABC方法导致以较低的成本建造寿命较长的耐用桥梁[8].
2.研究目标
本文介绍了不同国家采取的不同桥梁加速建设技术（ABC）、与各项技术相关的最佳现场条件和项目约束，以及广告的优势在各种桥梁建设项目中选择桥梁加速建设技术（ABC）。特别强调预制桥梁构件和系统（PBES）技术作为一种常见的ABC方法用于各种DOT 项目对象。为特殊预制/预应力梁的应用开发了非专有高性能混凝土组合，其中高跨深比高性能梁的浇筑。在不违反AASHTO LR FD规范的情况下进行。 提出了一个案例研究，以解释在PBES结构中加入非专有性高性能混凝土的优点，以最大限度地发挥其优势桥梁施工中的材料、劳动力和设备节约。
图1. 结构缺陷桥梁-钢梁腐蚀。
3.桥梁加速建设技术(ABC)
目前，联邦公路管理局（FHWA）在各种桥梁建设和维护项目中采用和推广了三种不同的ABC技术。 这些技术是：（1）滑入式桥梁建造（SIBC），（2）土工合成增强土-综合桥梁系统(GRS-IBS)，（3）预制桥梁单元和系统(PBES)。 每项技术的实施取决于具体项目目标，岩土条件，场地地形，桥梁跨度，以及桥梁的预期用途。
3.1滑入式桥梁建造（SIBC）
滑入式桥梁建造（SIBC）是联邦公路管理局（FHWA）采用的主要桥梁加速建设技术之一，为桥梁建造者提供一个成本效益高的工具，以取代现有的桥梁，而不影响 桥梁施工地点的交通流动或安全。 目前，各州高速公路机构正在与联邦公路管理局合作，制定其滑入式桥梁建造（SIBC）实施指南和施工手册。联邦公路管理局（FHWA）与国家机构合作的主要目标是向滑入式桥梁建造（SIBC）技术提供标准规范，并采用滑入式桥梁建造（SIBC）技术作为桥梁建设的标准做法。
滑入式桥梁建造（SIBC）允许在预制设施或现场使用与老化桥梁相邻的临时支架预制一座新桥。桥梁施工完成后，实施短周期全流量停工，拆除老化桥梁，在新桥上滑动，在交通修复前占用同一位置 如图2所示。
图2.西梅斯基特滑入式桥梁建造（SIBC）项目，内华达州[9]
3.2土工合成增强土-综合桥梁系统(GRS-IBS)
土工合成增强土-综合桥梁系统(GRS-IS)是一种创新的方法，使桥梁承包商能够在较短的施工期间内完成其桥梁建设项目，因为使用了现场材料建造桥梁。土工合成增强土-综合桥梁系统(GRS-IS)取决于使用在施工现场自然可用的压实颗粒填土层，或者采用提供土工合成钢筋稳定的无缝桥梁跨度。简单的土方工作使一座综合桥台或半积分桥台桥的建造[10]可在桥梁施工预算中降低50%的成本。当GRS-IBS桥梁成功建造时，就可以获得建设预算。图3中示出了GRS-IBS桥梁的示例。
3.3预制桥梁元件系统(PBES)
预制桥梁元件系统(PBES)是新建桥梁或更换老化桥梁劣化构件所采用的主要桥梁加速建设技术（ABC）策略之一， 预制桥梁元件系统是在工地外制造的，为施工现场直接安装而移动的一种结构部件。预制桥梁元件系统的特点是可以快速施工，主要采用高性能材料制造，以提高施工或翻新的强度和长期性能的桥梁。 场外桥梁元件的制造使项目承包商能够在受控状态下运行，从而提高了项目的质量。预制桥梁元件系统包括以下要素和系统：
（1）场外制造并转移用于直接安装的甲板元件，这些部件消除了与传统甲板建造有关的活动，包括虚工作、模板、加固钢的放置，混凝土的浇筑和养护，以及模板的拆除。甲板元素的例子包括预制甲板板、轻质预制板、玻璃钢甲板和纤维增强聚合物蜂窝式“轻质”面板。
（2）梁单元包括AASHTO梁、NU梁、球茎梁和相邻箱梁..为预制桥梁元件系统(PBES)制造的梁元件采用先进的固化方法在场外浇注和固化。由于固结较高，导致混凝土早期强度较高，渗透性较低。
（3）消除模板，钢筋放置，混凝土浇筑和养护所需时间的墩柱构件。墩柱包括预制沉箱、墩帽、预制底座和柱。
德克萨斯州交通部发表了一份报告，描述了在桥梁支座和下部结构上放置各种上部结构元素的创新技术描[12]。本报告列举了在公路桥梁建设中应用PBES技术所取得的优势。其他的研究调查了使用ABC技术在高地震活动地区的桥梁建设中获得的优势 [13]。
图3. 缅因州两跨GRS-IBS大桥[11]。
图 4. 麻省理工学院第二代Pi-Girder。
除了预制构件外，预制系统还可以作为桥梁加速建设技术（ABC），以尽量减少或消除使用临时对齐或临时桥梁结构。 预制系统的例子包括由麻省理工学院的研究人员开发的带有桥面和梁层的Pi-Girder [14]。开发的Pi-Girder是用专有的超高性能混凝土(UHPC)预制的，这导致了一个相对较浅和重量轻的结构截面。 但是，全部 对PI-梁的LE测试表明，梁的尺寸需要进一步优化，以提高其结构性能。 优化的PI-girder导致第二代在PI-搅拌器上，它被设计成一个模块化的组件，使用类似的超高性能混凝土(UHPC)混合。梁宽100英寸(2.54m)（沿交通方向），梁深33英寸。(0.83m)，板厚度为4.1英寸。（0.1米）梁球可容纳多达16根预应力股。 上述设计使梁的跨度为87英尺（26.5米） 在不违反任何AASHTO LR FD桥梁设计规范的情况下。 第二代Pi-Girder的跨度-深度比为31：1，这满足节省材料、更轻的结构和迷你满足重型施工设备的需要。 第二代Pi-Girder如图4所示。
目前，超高性能混凝土(UHPC)在桥梁施工中最常见的应用是连接预制构件，包括相邻预制构件、预应力箱梁的连接，如研究所示特纳费尔班克公路研究中心（TFHRC）研究人员的反恐执行局[15，16]。尽管在预制桥梁元件系统中使用超高性能混凝土具有优势，但超高性能混凝土桥梁建设的市场份额并不显著。由在2016年的结论中，北美使用超高性能混凝土的桥梁不到190座[17]，如图5所示。
在加速桥梁建设应用中，超高性能混凝土广泛应用的主要障碍包括专有超高性能混凝土混合物的材料成本高（每立方米2000美元或每立方米2600美元）。 以及特殊配料、混合和浇筑程序的需要。本文的下一部分总结了为生产经济的非专有混凝土混合料而进行的研究，其高性能可用于预制/预应力梁具有优良的性能。在桥梁加速建设技术（ABC）和预制桥梁元件系统(PBES)的应用中，可以成功地改善美国桥梁网络的条件。
4.用于预制桥梁元件系统应用的非专有HPC混合物
根据现有文献，以及对材料供应商、批量工厂经理和预制设施工程师的访谈，考虑了以下HPC混合开发指南：
图5.北美洲使用预制桥梁元件系统的桥梁累积数量[17]。
表1：
用于预制桥梁元件系统应用的HPC混合设计。
|
水泥 |
微型二氧化硅 |
粉煤灰 |
共计 |
细砂 |
C.总数 |
水 |
高效减水剂 |
|
|
混合物A |
630 |
90 |
180 |
900 |
1353 |
0 |
135 |
37 |
|
混合物B |
625 |
80 |
80 |
785 |
1455 |
0 |
156 |
21 |
|
混合物C |
630 |
90 |
180 |
900 |
948 |
403 |
144 |
37 |
|
混合物D |
670 |
145 |
145 |
960 |
1353 |
0 |
144 |
43 |
|
混合物E |
630 |
90 |
180 |
900 |
948 |
403 |
140 |
43 |
图6. HPC钢瓶的端面磨削和抗压强度测试。
1.最大粘合剂含量（水泥和辅助凝胶材料）每立方混凝土1200千克，
2. 辅助凝胶材料可用于逐步更换水泥，最多可达总粘结剂含量的40%（按重量计）。
3.最大水胶比不得超过0.25。高效减水剂可用于部分替代混合水，考虑到高效减水剂的加入，最小水粉比为0.15。
4. 粒状材料，包括硅酸盐水泥、辅助凝胶材料和集料，预混和总持续时间为2min。 需要干拌，以提高拌和填料的顺序，并达到硬化混凝土的最小空隙率。
5.混合水，注入高效减水剂，在预混凝土颗粒混合物中加入干混2min后，继续湿混18min(总混时间为20min)。
用高能桨式混合器成功地混合了五种HPC混合料，分别表示为混合A、B、C、D和E。混合持续时间为1820分钟，流动能力测试结果显示平均每秒扩散直径从550毫米到650毫米不等。开发的混合设计如表1所示。
不同混合设计的压缩强度计算为在任何给定时间下测试3个钢瓶的平均值[18]。 在进行抗压强度试验之前，测试过的钢瓶是末端接地的。如图6所示。以获得相同的气缸测试条件。
24h抗压强度试验值为70MPa(混合B)至85MPa(混合D)，28天抗压强度值为105MPa(混合B)至121MPa(混合C)。 压缩强度测试值如图7所示。
研制的高强度混凝土（抗压强度105MPa）和更大的18毫米（0.7英寸）预应力钢绞线成功地设计了一个32米的4I-梁桥面板。在3.6米（12英尺)处，而不是在2.4米(8英尺
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