張興志，方明山，劉佳玲，莊冬利，肖汝誠

(1.浙江杭紹甬高速公路有限公司，浙江 杭州 310000； 2.浙江省交通投資集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

疊合梁是由下部鋼梁與上部混凝土橋面板通過剪力連接件組合而成的新型結(jié)構(gòu)。它兼具了混凝土與鋼材的材料特性，結(jié)合了混凝土抗壓性能好與鋼材抗拉性能好的優(yōu)點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)自重較小、剛度較大的特點(diǎn)，在實際工程中具有廣泛應(yīng)用。疊合梁斜拉橋相較于其他橋梁，具有施工工藝復(fù)雜、施工難度較大的特征，其成橋內(nèi)力與施工過程有很大關(guān)系。在其施工過程中，不同的施工工序?qū)︿撝髁杭皹蛎姘宓膬?nèi)力分配造成不同程度的影響，施工順序的差異可能會導(dǎo)致橋面板受拉或鋼梁受壓，如考慮不充分,橋面板混凝土可能在施工及運(yùn)營過程中開裂,影響結(jié)構(gòu)安全性及耐久性。對于跨海大橋或沿海橋梁，施工過程中很有可能遭遇臺風(fēng)等惡劣天氣的影響，需提前合龍。若施工工序調(diào)整不當(dāng)，會導(dǎo)致橋面板受力不均發(fā)生開裂。為避免橋面板在施工過程中開裂，需了解橋面板在施工過程中的受力情況，以提出合適的解決方法。

1 橋面板受力性能分析

某雙塔整幅疊合梁斜拉橋主梁采用分離式雙邊箱(PK式)流線型扁平鋼箱疊合梁，疊合梁由頂板、底板、邊腹板、中腹板及橫隔板組成的鋼橋面系與混凝土橋面板形成整體組合截面。鋼主梁為梁格體系，主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長10.5m和7.0m。鋼梁外側(cè)設(shè)置風(fēng)嘴?；炷翗蛎姘逋ㄟ^剪力釘與鋼梁共同形成疊合梁，橋面板縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，橫向按普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，斜拉索梁端錨固采用鋼錨箱方式。

為分析橋面板在施工過程中的開裂現(xiàn)象，以該橋為計算示例，分析施工過程中的橋面板受力。計算時模擬實際施工步驟，荷載工況包括一期恒載、拉索力、起重機(jī)荷載、混凝土收縮和預(yù)應(yīng)力荷載等。

以考慮混凝土收縮、橡膠墊塊的模型為基準(zhǔn)模型，計算橋面板應(yīng)力分布。僅在第1次張拉M14號梁段斜拉索和第2次張拉M14號梁段斜拉索步驟時，頂面出現(xiàn)約0.5m×0.5m和2m×2m區(qū)域的主拉應(yīng)力>6MPa，底面幾乎不存在區(qū)域主拉應(yīng)力>6MPa。其余步驟中，橋面板頂面和底面幾乎不存在區(qū)域主拉應(yīng)力>6MPa(見圖1)。

圖1 基準(zhǔn)模型第2次張拉M14號梁段斜拉索時橋面板頂板主拉應(yīng)力分布(單位：Pa)

當(dāng)不考慮收縮作用時，計算橋面板應(yīng)力分布，僅在第1次張拉M14號梁段斜拉索和第2次張拉M14號梁段斜拉索步驟時，頂面出現(xiàn)約1m×1m和1.5m×1.5m區(qū)域的主拉應(yīng)力>6MPa，底面幾乎不存在區(qū)域主拉應(yīng)力>6MPa。其余步驟中，橋面板頂面和底面幾乎不存在區(qū)域主拉應(yīng)力>6MPa(見圖2)。

圖2 不考慮收縮作用時第2次張拉M14號梁段斜拉索時橋面板頂板主拉應(yīng)力分布(單位：Pa)

不考慮橡膠墊塊的影響時，計算橋面板應(yīng)力。第1次張拉M14號梁段斜拉索時，頂面出現(xiàn)約1.5m×1.5m區(qū)域的主拉應(yīng)力>6MPa；第2次張拉M14號梁段斜拉索時，頂面出現(xiàn)約2.5m×2.5m區(qū)域的主拉應(yīng)力>6MPa；張拉梁段縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線時，橋面板頂面存在約0.1m×0.1m區(qū)域的主拉應(yīng)力>6MPa。其余步驟中，橋面板頂面和底面幾乎不存在區(qū)域主拉應(yīng)力>6MPa(見圖3)。

圖3 不考慮橡膠墊塊影響時第2次張拉M14號梁段斜拉索時橋面板頂板主拉應(yīng)力分布(單位：Pa)

在斜拉橋懸臂拼裝過程中，后續(xù)施工的梁段拼裝完成、斜拉索張拉之后，斜拉索的軸向分力會傳遞到前面的梁段中，對前面梁段產(chǎn)生一個軸向壓力。在15號梁段的截面形心處施加單位軸向力，則13號梁段混凝土橋面板的最大主拉應(yīng)力為4.0MPa，與未考慮軸向力相比，最大主拉應(yīng)力減小約1.5MPa。

上述計算結(jié)果表明，施工過程中橋面板最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近拉索區(qū)域，主拉應(yīng)力與橋軸線大致呈45°夾角。在整個施工環(huán)節(jié)中，僅部分步驟中，頂面主拉應(yīng)力最大值>6MPa，且分布面積較小。這與現(xiàn)場裂縫情況基本對應(yīng)。

這種裂縫主要是主梁、橫梁鋼框格自重引起主梁懸臂根部負(fù)彎矩過大，使剛完成的現(xiàn)澆橋面板混凝土縫在拉索錨固處呈 45°拉裂。為防止施工過程中的疊合梁橋面板開裂，考慮采用UHPC濕接縫替代普通混凝土濕接縫。

2 UHPC材料

2.1 材料特性

UHPC為一種高應(yīng)變強(qiáng)化型超高性能混凝土產(chǎn)品，在常溫養(yǎng)護(hù)條件下，具備高強(qiáng)、高延性、高耐久性、良好施工性能等特征。

UHPC基于最緊密堆積原理由計算機(jī)精確設(shè)計，可將多元復(fù)合體系的宏觀缺陷降到最低；并運(yùn)用先進(jìn)的分子活化技術(shù)，使膠凝體系發(fā)揮出最大功效，形成高度致密的無機(jī)質(zhì)基體，在提供優(yōu)良力學(xué)性能的同時，具備極佳的抗?jié)B、抗凍融、耐腐蝕、耐高溫、抗沖磨等耐久性。均布于UHPC基體中的特種纖維為其提供了高抗拉強(qiáng)度、類金屬的拉伸應(yīng)變強(qiáng)化、高延性、多點(diǎn)分布微裂紋開展及高抗爆、抗侵徹等特性。

2.2 施工優(yōu)勢

UHPC表觀為一種粉體材料，按配合比加水?dāng)嚢韬螅哂凶粤髌叫阅?，可滿足各種復(fù)雜工況的現(xiàn)場施工要求，也可在工廠制作各種復(fù)雜形狀的預(yù)制構(gòu)件。常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC采取常規(guī)養(yǎng)護(hù)措施即可，施工較便利。

與普通混凝土相比，采用UHPC濕接縫可發(fā)揮其早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，縮短工期。濕接縫處的結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)于母體，更偏于安全，維護(hù)量更少。同時，濕接縫構(gòu)造尺寸小，現(xiàn)場澆筑方量小，施工方便。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

富翅門大橋主橋為雙塔單索面結(jié)合梁斜拉橋，跨徑布置57m+108m+340m+108m+57m=670m。主梁采用鋼-混凝土結(jié)合結(jié)構(gòu)單箱三室箱形截面形式，頂板為C60海工混凝土橋面板(見圖4)。中跨標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段主梁頂板寬27.5m，底板寬16.24m，中心線處梁高3.5m，頂面設(shè)置2.0%雙向橫坡，底板則保持水平。富翅側(cè)及岑港側(cè)跨中主梁采用工廠預(yù)制，岑港邊跨側(cè)22段梁混凝土橋面板采用橋位現(xiàn)澆工藝。節(jié)段間混凝土橋面板預(yù)留寬度為1m現(xiàn)澆濕接縫，全橋共計61道濕接縫(見圖5)。節(jié)段間混凝土橋面板預(yù)留寬度為1m現(xiàn)澆濕接縫，每道濕接縫混凝土方量約為10m3。

圖4 富翅門大橋主梁截面

圖5 富翅門大橋濕接縫布置

3.2 工藝試驗

3.2.1力學(xué)性能試驗

為了驗證UHPC材料性能，現(xiàn)場成型36h，28d抗壓強(qiáng)度試塊(100mm×100mm×100mm)及36h，28d彈性模量試塊(100mm×100mm×300mm)、28d收縮率試塊，氯離子擴(kuò)散系數(shù)試塊各1組。

其力學(xué)性能試驗結(jié)果如表1所示。

表1 力學(xué)性能試驗結(jié)果

3.2.2施工性能、工藝性能試驗

為了驗證UHPC材料施工性能、工藝性能、設(shè)備性能等，設(shè)計制作3.0m×2.0m×0.55m，3.0m×2.0m×0.28m各1塊試澆塊，按養(yǎng)護(hù)要求養(yǎng)護(hù)，且每個試塊上取7個芯樣，檢查UHPC的密實度、UHPC材料與普通混凝土的連接。

試驗結(jié)果表明，UHPC材料流動性好，可實現(xiàn)自密實；澆筑后1.5h可進(jìn)行2次收面，通過2次收面可達(dá)到2%坡度要求。從取出的芯樣來看，UHPC密實度較好，與C60混凝土的界面黏結(jié)良好，無脫開現(xiàn)象，且鋼纖維分布均勻未出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。其中，厚度為280mm的試塊只養(yǎng)護(hù)2d，為驗證養(yǎng)護(hù)不到位時是否出現(xiàn)裂紋，從外觀來看未出現(xiàn)裂紋。

3.2.3界面黏結(jié)性能試驗

為了驗證UHPC與C60海工混凝土的黏結(jié)性能。現(xiàn)場成型C60海工混凝土和UHPC的黏結(jié)性能試件(100mm×150mm×550mm)，通過對比C60-C60組合試件和C60-UHPC組合試件抗折強(qiáng)度，判斷C60和UHPC的黏結(jié)性能是否符合工程需要。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 界面黏結(jié)性能試驗結(jié)果

由上述結(jié)果可知，C60-UHPC組合試件具有較高的極限承載力及延性。相比于C60-C60組合試件，C60-UHPC組合試件初裂荷載和破壞荷載分別提高109.2%和115.4%。

由上述工藝試驗結(jié)果可知，所采用的UHPC材料可滿足濕接縫的施工要求與承載力要求，所以在實際工程中使用了上述UHPC材料濕接縫。

4 施工技術(shù)

4.1 施工工藝

在濕接縫模板、鋼筋、預(yù)應(yīng)力工程完成后，采用UHPC澆筑濕接縫，并按要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度達(dá)到要求后張拉橫向預(yù)應(yīng)力，再安裝下一段箱梁。UHPC澆筑濕接縫施工流程包括混凝土攪拌、澆筑、養(yǎng)護(hù)。

4.2 施工關(guān)鍵控制點(diǎn)

施工時須保證濕接縫兩側(cè)清潔，在鋼筋綁扎前，清除兩側(cè)雜物，確保老混凝土面鑿毛符合要求，混凝土澆筑前用自來水濕潤接縫兩側(cè)面。

為控制攪拌的均質(zhì)性和穩(wěn)定性，攪拌設(shè)備需采用高剪切行星式攪拌機(jī)，保證攪拌后粉料及纖維的均質(zhì)性；合理設(shè)計自轉(zhuǎn)葉片與公轉(zhuǎn)葉片，確保物料的運(yùn)行軌跡在攪拌筒體內(nèi)無死角；葉片與筒體底板的縫隙控制在5mm以內(nèi)；攪拌時嚴(yán)格按攪拌程序中的投料順序和攪拌時間控制。

為保證UHPC的施工澆筑性能，控制初始坍落擴(kuò)展度達(dá)到700mm以上，擴(kuò)展度不符合要求的材料嚴(yán)禁使用。為避免靜置損失及倉面失水干燥，采用高剪切立軸行星式攪拌機(jī)，減少攪拌時間，提高攪拌效率，保證供料的連續(xù)性，避免倉面長時間等料；澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，如因故必須間斷時，其間斷時間應(yīng)<2h，間斷期間應(yīng)對已澆筑UHPC進(jìn)行覆蓋保濕養(yǎng)護(hù)，再次澆筑時應(yīng)對現(xiàn)澆和后澆UHPC界面進(jìn)行充分的插搗處理。

為控制攪拌時間與澆筑間隔時間，現(xiàn)場施工管理人員需嚴(yán)格監(jiān)督，明確每個步驟材料的攪拌時間；還需配備小型細(xì)石混凝土泵車泵送濕接縫材料，確?；炷翑嚢韬蜐仓ヅ?。為控制縱、橫坡，需澆筑過程中嚴(yán)格控制，通過澆筑達(dá)到2%的縱、橫坡。要嚴(yán)格控制布料均勻，單個區(qū)域澆筑完后及時進(jìn)行收面；在一次收面后，1.5h后進(jìn)行二次收面，確保坡度滿足要求，與兩側(cè)混凝土過渡勻順。

4.3 施工效果

富翅門大橋采用的UHPC濕接縫與普通混凝土濕接縫相比，達(dá)到混凝土等強(qiáng)條件，即抗壓強(qiáng)度>60MPa、彈性模量>30GPa時，所需作業(yè)時間僅1.5d，相較于普通混凝土所需的7d作業(yè)時間，作業(yè)時間縮短79%，整體工期縮短42%。

墩頂負(fù)彎矩區(qū)連接采用UHPC澆筑，施工過程未收面，表面標(biāo)高控制精準(zhǔn)，表面質(zhì)量優(yōu)良，和普通混凝土界面密實無滲水，施工效果良好。

5 結(jié)語

疊合梁橋面板在施工過程中，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近拉索區(qū)域，橋面板頂面僅局部區(qū)域出現(xiàn)較大主拉應(yīng)力。為防止橋面板開裂，可使用UHPC濕接縫代替普通混凝土濕接縫，充分發(fā)揮UHPC的材料優(yōu)勢。富翅門大橋施工過程中采用了UHPC濕接縫，利用UHPC材料的高強(qiáng)度、高延性、施工性能良好等特性，達(dá)到了理想的施工效果。施工結(jié)果表明，采用UHPC濕接縫代替普通混凝土濕接縫，強(qiáng)度提高，同時工期顯著縮短，可滿足面臨臺風(fēng)等惡劣天氣時的快速施工要求。