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基于UHPC的高性能桥梁结构的研究与应用
邵旭东，曹俊辉，黄正宇
湖南大学桥梁工程系，长沙
摘要
在中国，桥梁工程领域取得了巨大成就。但是，一些常见问题仍未解决。对于钢桥，正交异性钢桥面容易产生疲劳裂纹，沥青覆盖层容易过早损坏。对于大跨度的预应力混凝土桥梁，主梁难以形成裂纹和过度挠曲。对于钢-混凝土组合桥，跨度受主梁自重的限制，混凝土面板在负弯矩区域倾向于开裂。为了克服这些瓶颈，湖南大学的研究团队提出了一系列基于UHPC的高性能桥梁结构。提出了四种类型的高性能桥梁结构：1)钢--STC轻质组合桥面板，其中STC（超级韧性混凝土）代表具有增强的拉伸强度和韧性的改良UHPC。2）钢-UHPC轻质组合梁，适用于大跨度组合材料桥梁。3）薄壁UHPC箱梁桥，其膜片间隔很小，只需要纵向预应力。4）适用于预制结构的UIHPC和钢-UIPC组合梁桥。在过去的八年中，已经测试了六百多个样本。本文重点介绍了高性能桥梁结构的实验研究和现场应用。
关键词：桥梁工程超高性能混凝土（UHPC）；高性能桥梁结构；研究与应用
I.介绍
中国目前是桥梁工程领域的活跃舞台。世界十大拱桥，斜拉桥，悬索桥和海桥中约有一半在中国。但是，桥梁设计，建造和维护仍然存在挑战。通常，根据建筑材料，桥梁可分为三类。即混凝土桥，钢桥和钢混凝土组合桥。实践表明，这三种类型的桥梁都有缺点，这限制了桥梁工程的发展。例如，大跨度预应力混凝士桥容易出现过度挠曲和开裂的问题，钢桥倾向于OSD中的疲劳开裂和经常被报道的沥青覆盖层过早损坏以及钢-混凝土组合桥在负弯矩区域出现开裂问题。出现上述问题的常见原因是传统的桥梁部件太重，并且材料和连接件在静态和疲劳载荷下均表现出较低的拉伸强度。这些因素损害了桥梁的安全性，耐用性和经济性能。为了解决这些问题，核心是引入新材料并开发兼容的新结构。超高性能混凝土（UHPC）是通过最大堆积密度理论开发的水泥基组合材料。UHPC具有出色的机械性能和耐用性，被认为是20世纪最具创新性的水泥基材料之-。
湖南大学从1993开始对UHPC进行调查，这是中国进行相关研究的先驱大学之一。基于对UHPC知识的深刻积累，湖南大学的研究团队提出了-系列高性能桥梁结构。目的是克服常规桥梁结构的瓶颈并提高桥梁性能和质量。本文简要介绍了与高性能桥梁结构有关的研究工作和应用。
2.超高性能混凝土（UHPC）
2.1UHPC的基本特性
UHPC通常被定义为具有高抗压强度（120或150 MPa），高韧性和耐久性的一类水泥基组合材料。著名的UHPC是反应性粉末混凝土（RPC），它于1993年在法国诞生。
UHPC的成分包括水泥，硅粉，石英砂，高效减水剂，钢纤维和水。如图I所示，各成分之间相互填充以达到最大填充密度。因此，可以将材料内的内部缺陷（例如微裂纹和空隙）减到最少，这是UHPC优异的力学性能和耐用性的来源。
在UHPC中添加钢纤维可延缓微裂纹的产生和扩展，从而获得更高的制性和延展性。此外，UHPC具有极高的内部密实度，比普通混凝土更耐用。表I列出了UHPC的关键机械和耐久性指标。据报道，UHPC结构的设计寿命可以达到200年。
目前，UHPC的研究是土木工程领域的热点之一。一些竞争者或组织已经发布了有关UHPC结构的设计规范（表2）。其他一些国家正在组装类似的设计规范[3]。
2.2UHPC在桥梁工程中的典型应用
在桥梁工程领域，UHPC的应用非常广泛，包括主梁，主拱，桥面板，湿缝。据不完全统计，世界上己有200余座桥梁全部或部分采用UHPC作为建筑材料。
1997年，加拿大建造了世界上第一座UHPC步行桥-舍布鲁克人行天桥。该桥是一个预应力桁架梁桥，跨度为60 m（图2）（4）桥面是30毫米的UHPC面板，腹板桁架和底部桁架是装有UIIPC的钢管。UHPC桥面板上成功抵抗了-30°c的极端温度下的反复冻融实验。
在2001年，法国建造了第一座UHPC公路桥梁Bourg-les Valence QA4和QA6桥梁（图3）。主梁由几个梁组成，每个梁的跨度为22.5m，高度为0.9m。常规的加强钢筋都取消了，只在桥中利用了纵向预应力。
Sunyudo人行天桥是世界上第一座UHPC拱桥，于2002年在韩国建成（图4）。通过使用后张法施加预应力，该桥通过六个梁进行组装。桥梁跨度为120 m.主拱仅高1.3 m。
此外，在许多其他国家（例如日本，美国，德国，奥地利，马来西亚等）也建造了其他UHPC桥梁。这些桥梁的一些照片,如图5所示。
中国第一座UHPC桥梁是茜草桥，这是2006年修建的铁路桥梁。在2011年，UHPC被用来加固和翻新马房桥的沥青覆盖层。50 mm UIIPC层通过短头螺柱组成正交各向异性的钢桥面板（图6a）。2016年，在中国长沙建造了一座完全预制的UHPC步行桥。桥长70.5m，主跨为36.8m（图6b）。桥段仅在十个小时内就位组装。
3.钢—STC轻质组合型桥面板的研究和应用
3.1钢桥的瓶颈与新对策
钢桥的特点是重量轻，强度高和施工便利。然而，传统的钢桥通常有两个问题：1）正交各向异性钢桥面（OSD）在使用约10-20年后容易出现疲劳开裂；2）铺在OSD上的沥青覆盖层倾向于在约8年内过早损坏，例如开裂，推挤，坑洞。传统的对策还包括使用较厚的桥面板，完善配置细节并改善沥青覆盖层的材料性能（5-6）。
2010年，湖南大学的研究团队提出了一种创新的钢STC轻质组合材料桥面板，其中STC表示超韧性混凝土。与UHPC相比，STC具有显着增强的抗裂强度和更小的收缩率。因此，STC是专门开发应用于OSD桥中的经优化的UHPC材料。图7是轻型组合桥面板的示意图。
与传统的钢桥面板相比，轻巧的组合桥面板具有以下优势（图8）。桥面的局部刚度提高了至少30倍。因此，可以将OSD易疲劳细节中的车辆引起的应力范围减小30-80%，从而显著延长疲劳寿命。（2）沥青覆盖层铺在STC而不是OSD上。通常，在混凝土桥面板上铺沥青覆盖层比在钢桥面板上铺沥青容易得多。因此，可以大大降低沥青覆盖层的维护成本。
3.2实验研究与应用
在过去的八年中，湖南大学的研究团队完成了对600多个标本的实验测试（图9）。根据测试结果，揭示了轻质组合桥面板的基本性能。
迄今为止，STC已经实际应用于中国的20座桥梁。该应用涵盖了基本的桥梁类型，即梁桥，拱桥，斜拉桥和悬索桥。表3和图10显示了与该应用相关的详细信息。
2011年，轻型组合材料桥面板首次应用于马房大桥的第I跨度。马房大桥建于1984年，是中国广东省的14跨简支梁桥。马房桥上的沥青覆盖层经常损坏，并不时进行翻新。最新一轮的改造于2011年完成。为了进行直接比较，同时在马房大桥上采用了五种方案。
经过数年的运行，第11个跨度的SIC层完好无损，没有损坏。而其他四个方案严重恶化了。如图展示了一张照片，用于比较不同方的使用状态。
迄今为止，这20座试验桥都处于良好的维修状态，STC层并且没有损坏。无论如何，还需要更长的时间来观察轻质组合板的性能。
4.钢-UHPC轻质组合桥的研究与应用
4.1钢筋混凝土组合桥的瓶颈与新对策
钢-混凝土组合桥充分利用了钢和混凝土的材料优势。然而，当应用于连续桥和大跨度柔性桥时，常规的组合桥也表现出缺点。一方面，负弯矩区域的混凝土面板容易开裂。另一方面，组合桥的自重很大，这使得它们对于大跨度连续桥（例如跨度超过120 m）和斜拉桥（例如跨度超过600 m）而言不经济。
解决上述问题的关键是要减轻组合梁的自重，并提高混凝土面板的抗裂性。UHPC具有高强度和良好的长期性能。因此，研究团队提出了一系列新型钢-UHPC组合梁，如图12所示。
钢-UHPC组合大梁的桥面平均只自140毫米。因此，与传统的组合大梁相比，新型组合大梁的自重降低了约35%。由于UHPC具有高的高抗拉强度和低的蠕变和收缩性，因此在UHPC的华夫板上不再出现普通混凝土桥面板的开裂风险。此外，UHPC华夫板台不需要预应力，从而简化了施工过程。
基于南洞庭湖大桥的钢-UHPC轻型组合桥的心房设计已完成。这座桥是一座双塔无袖斜桥。桥的跨度为181.95m 450m 181.95m，如图13所示。
在桥的原始设计中，混凝土桥面板厚310毫米。在试验设计中，提出了UHPC华夫板的设计。如图14所示，盖板的厚度为80毫米，并由140毫米的防撞杆加固。分析表明，组合梁的自重降低了35%。据透露，UHPC华夫板的总成本与原始设计基本相同。
4.2实验研究
进行了一系列实验测试，以揭示UHPC华夫板沿纵向和横向方向的抗弯性能（图15和图16）。分析了华夫格平台的行为，包括开裂应力，载荷挠度曲线，破坏模式等。发现华夫板具有较高的抗裂强度，可以满足设计要求。
5.薄壁UHPC梁桥的研究与应用
5.1大跨度混凝土桥梁的瓶颈及新对策
预应力混凝土桥被广泛使用。然而，大跨度预应力混凝土桥梁的自重太重，并且桥梁普遍出现诸如挠曲和龟裂的问题。这些缺点的原因如下：I）混凝土由于抗拉强度低而易于开裂；2）混凝土递常会因蠕变而导致严重的预应力损失；3）沿纵向，横向和垂直方向安装预应力筋非常繁琐，可能会影响施工质量。
为了克服上述瓶颈，研究团队提出了一种新颖的薄壁UHPC桥梁结构，如图17[7]所示。与传统的混凝士桥梁相比，新桥具有以下优点：1）简化了三个方向的预应力，只需要一个方向，即只需要纵向预应力；2）板件的厚度仅为普通混凝土桥的1/2-1/3。3）使用间隔为3-4m的膜片。使用间隔较近的隔板是为了：1）避免箱形梁的扭曲和变形；2）加固桥面板和腹板，消除横向和纵向预应力3）防止底部法兰局部弯曲5）促进外部预应力的偏离和锚固
分析表明，新型UHPC箱梁桥的自重仅是传统预应力混凝土箱梁桥的40-50%。隔膜仅占总重量的12-15%。UHPC具有诸如自重轻，高应力，低蠕变等优点。因此，在UIIPC桥梁中可以消除常规大跨度混凝土桥梁常见的过度挠曲和开裂的风险。据透露，新桥的跨度极限可以达到500m，这使其成为具有相同跨度范围的斜拉桥和悬索桥的竞争方案。此外，UHPC箱梁桥也适合于预制建筑。
5.2实验研究与应用
已经完成了一系列的实验测试，包括蠕变性能，剪切和扭转性能等（图18至图20）试验结果表明，UHPC箱形梁可以满足设计要求。
UHPC薄壁箱梁桥在两个实际项目中使用（图21）：1）广东省英德市的102m简支梁桥；2）广东省清远市一座30m 50m 30m连续梁桥。这两个桥的示意图如图21所示。
6.预制UHPC和钢-UHPC组合桥的研究与应用
6.1城市桥梁的瓶颈与新对策
中国正在加快城市化的步伐。根据有关部门的预测，到2020年，城市化率将达63%左右。为满足城市化的要求，城市交通网络应进一步发展。但是，现代城市的空间越来越紧。因此，要在现代城市建造的桥梁应该更轻，更容易建造并且更耐用。基于UIHPC的出色性能，研究范围提出S三种预制的IIPC桥梁，以促进现代城市桥梁的建设。
（1）类型1：预制形UHPC主梁桥
形UHPC主梁桥的配置如图22所示。这种类型的UHPC桥具有以下优点：1）。主梁是预制的（实际制造，并通过现场浇铸的纵向缝进行组装；2）桥的高宽比为仅1/20，大大降低了桥高；3）每个形梁的宽度为3m，跨度为30m，重量约为80吨，仅占传统T形主梁总重量的40%-50%4）经济跨径为20-60m，不需要预应力。
（2）类型2：钢-UHPC组合桥
图23显示了钢-HPC组合桥的配置。该桥具有以下优点：1）高跨度比约为1/25；2）每个标准组件的宽度为3m，重量为50吨3）组件可以在工厂内建造，并可以通过使用UHPC接头在原地组装。
图24比较了相同跨度为30m的不同桥梁，包括钢桥，普通钢筋混凝土组合桥，预应力混凝土桥，型UHPC梁桥和钢-UHPC组合桥。
如图所示，型UHPC主梁比钢桥稍重，而前者的成本要低得多。另外，钢-UHPC组合桥具有与钢桥相当的自重，并且前者的成本也较低。此外，考虑到UHPC的耐久性要比普通混凝土好得多，因此钢-UHPC组合桥的生命周期成本也相应较低。
（3）类型
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