張斐 ZHANG Fei

（中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司，北京 102400）

0 引言

隨著我國(guó)基建的不斷發(fā)展，新材料、新技術(shù)、新工藝的不斷應(yīng)用，工程質(zhì)量有了質(zhì)的變化。然而在早期建成的大跨徑鋼橋面橋梁，除了少數(shù)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(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞開(kāi)裂等病害，影響行車安全。

隨著研究人員對(duì)超高性能混凝土材料的深入研究，工程人員也極為關(guān)注該材料的性能并進(jìn)行了廣泛的嘗試。由于UHPC 材料致密的材料結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的耐久性能，該種材料最初被應(yīng)用于核電站和軍事工程建設(shè)。橋梁結(jié)構(gòu)跨度和體量增大后，對(duì)材料的要求愈加嚴(yán)格，工程師逐漸思考將UHPC 材料應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，并在人行橋、公路橋、景觀橋等方面進(jìn)行了廣泛嘗試，目前國(guó)內(nèi)外已超600 座橋梁采用該種材料。大量實(shí)踐證明，該種材料在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)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(shè)質(zhì)量，提高橋梁耐久性和景觀性。

1 UHPC 設(shè)計(jì)說(shuō)明

1.1 工程背景

勝利黃河大橋（以下簡(jiǎn)稱大橋）位于東營(yíng)市墾利縣東北側(cè)，大橋北側(cè)連接京津地區(qū)、東營(yíng)港以及勝利油田油區(qū)，南側(cè)連接勝利油田基地、濟(jì)青高速公路以及膠東地區(qū)，全長(zhǎng)約2.8km，如圖1 所示?，F(xiàn)有橋面鋪裝寬度16m，共計(jì)鋪裝長(zhǎng)度682m，采用C40 混凝土結(jié)合4cm 澆注式瀝青混凝土和3.5cmSMA 改性瀝青面層，長(zhǎng)期服役后橋面鋪裝存在凹陷、車轍、坑槽、擁包、網(wǎng)裂現(xiàn)象等病害問(wèn)題，且原橋橋面板和橫隔板均較薄，疲勞問(wèn)題較為突出。

圖1 工程位置示意圖

橋面鋪裝屬于橋梁結(jié)構(gòu)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(lái)，隨著我國(guó)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(lái)從混凝土力學(xué)性能和耐久性角度發(fā)展起來(lái)的最具創(chuàng)新性的水泥基結(jié)構(gòu)工程材料之一，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性，可以改善橋梁構(gòu)件接縫的連接完整性，減少橋面鋪裝的變形和裂縫問(wèn)題，提高橋梁的承載能力。因此根據(jù)國(guó)內(nèi)外鋼橋面鋪裝的工程經(jīng)驗(yàn)和最新的科研成果，提出以下修補(bǔ)方案：上層4cm 厚高黏高彈SMA-10+下層5.5cm 厚（平均）C150 超高強(qiáng)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(gè)施工節(jié)段。

1.2 方案設(shè)計(jì)

UHPC 作為橋面鋪裝層的耐久性已在榕江大橋、虎門(mén)大橋等多個(gè)實(shí)際工程中得到驗(yàn)證，但力學(xué)性能設(shè)計(jì)規(guī)范缺乏，因此有必要作承載力的計(jì)算說(shuō)明。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，橋面板為彎曲構(gòu)件，需驗(yàn)算其抗彎承載能力。下文首先計(jì)算原方案的設(shè)計(jì)承載力，然后驗(yàn)算UHPC 的承載能力是否滿足要求。

1.2.1 原設(shè)計(jì)的承載力

原設(shè)計(jì)采用C40 混凝土，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，僅采用縱向體內(nèi)鋼筋的矩形截面或翼緣位于受拉邊的T 型截面受彎構(gòu)件，其正截面抗彎承載力計(jì)算應(yīng)按下列公式計(jì)算：

其中，Md為梁或板的彎矩設(shè)計(jì)值，fcd為混凝土抗壓設(shè)計(jì)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(jì)算可得，20cm 厚C40 混凝土的設(shè)計(jì)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(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，借鑒鄧宗才等人在《高強(qiáng)鋼筋UHPC 梁抗彎性能試驗(yàn)》的研究成果，梁或板受壓區(qū)采用等效矩形應(yīng)力圖來(lái)代替實(shí)際應(yīng)力圖形，等效應(yīng)力圖特征值α、β 依據(jù)軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，按照壓力合力和作用點(diǎn)不變的原則求得，受拉區(qū)也按等效矩形應(yīng)力圖形計(jì)算，拉應(yīng)力值按抗拉強(qiáng)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(jì)算所有力對(duì)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(shè)計(jì)值，fc為混凝土抗壓設(shè)計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值。通過(guò)計(jì)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(guò)上述計(jì)算可知，本文采用的UHPC 方案滿足承載力設(shè)計(jì)要求。

1.3 方案經(jīng)濟(jì)性比較

與普通混凝土或高強(qiáng)混凝土相比較，UHPC 的單價(jià)偏高，但從上述方案設(shè)計(jì)可知，UHPC 方案的混凝土厚度明顯減小，工程的總體經(jīng)濟(jì)性有待確認(rèn)，因此，本小節(jié)將對(duì)比兩種方案的總體經(jīng)濟(jì)性。

通過(guò)表1 可看出，兩種方案的總體經(jīng)濟(jì)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(wàn)元。還需要說(shuō)明的是，現(xiàn)階段工程界對(duì)UHPC的應(yīng)用處于探索階段，隨著研究的深入和UHPC 的廣泛應(yīng)用，UHPC 材料成本的降低指日可待。

表1 方案經(jīng)濟(jì)性比較

1.4 結(jié)構(gòu)自重比較

鋪裝層是橋梁上部結(jié)構(gòu)自重的組成部分，自重荷載是主梁設(shè)計(jì)的控制荷載之一，因此，鋪裝層重量將直接影響結(jié)構(gòu)主梁的設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)表2 的對(duì)比可知，UHPC鋪裝層的自重明顯小于原普通混凝土鋪裝層，對(duì)主梁的受力更有利。

表2 方案自重比較

2 施工要點(diǎn)

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(gè)施工節(jié)段，如表3 所示。每個(gè)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(zhǔn)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(chǎn)品，包括硅灰、粉煤灰、高效減水劑等）和水等拌合而成；生產(chǎn)方式采用工廠把固體原材料預(yù)拌成干混料，然后現(xiàn)場(chǎng)加水進(jìn)行二次拌合。按照《超高性能混凝土預(yù)混料產(chǎn)品檢驗(yàn)和試驗(yàn)規(guī)程》（T/CBMF96-2020/T/CCPA20—2020）進(jìn)行UHPC 拌合料質(zhì)量驗(yàn)收，驗(yàn)收指標(biāo)包括坍落度和擴(kuò)展度。

2.2.2 設(shè)備

施工設(shè)備主要包括攪拌機(jī)、布料機(jī)、整平機(jī)、覆膜機(jī)等。

2.3 剪力釘施工

橋面鋪裝層設(shè)計(jì)長(zhǎng)35mm，φ19mm ML15 螺柱頭焊釘作為剪力釘，剪力釘焊接標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)斷面

2.4 橋面鋼筋綁扎

綁扎鋼筋網(wǎng)網(wǎng)眼大小為5cm×5cm，鋼筋安裝時(shí)，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(jìn)行布置。

縱向鋼筋安裝時(shí)，在第一段的第一排鋼筋采用9.1m和8.5m 兩種型號(hào)交替放置，將相鄰的縱向鋼筋錯(cuò)開(kāi)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(yù)混料攪拌（3min）→加水?dāng)嚢瑁?min）→鋼纖維添加攪拌（3min），現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)根據(jù)到場(chǎng)UHPC 的狀態(tài)由試驗(yàn)人員進(jìn)行適時(shí)的調(diào)整，并做好試驗(yàn)件。

表4 UHPC 攪拌配合比

干混料投料前需用清水潤(rùn)濕攪拌機(jī)攪拌倉(cāng)，排盡余水后投入預(yù)混料。預(yù)混料采用計(jì)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(jī)攪拌倉(cāng)，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(kuò)展度指標(biāo)驗(yàn)收合格的前提下，采用UHPC 攤鋪機(jī)開(kāi)展?jié)仓┕?。整個(gè)澆筑過(guò)程可分為：攤鋪-整平-收面。

2.6.1 UHPC 攤鋪及整平

攤鋪機(jī)作業(yè)時(shí)，首先UHPC 拌合物運(yùn)輸至布料槽內(nèi)，使布料槽內(nèi)隨時(shí)充滿UHPC 料；然后通過(guò)攤鋪機(jī)的布料，使UHPC 均勻布料，同時(shí)控制UHPC 的布料厚度不少于設(shè)計(jì)值。

UHPC 的振搗及整平由攤鋪機(jī)的振搗整平系統(tǒng)進(jìn)行，振搗頻率為100Hz，通過(guò)振搗整平后UHPC 厚度誤差控制在3mm 范圍內(nèi)。

圖5 UHPC 布料機(jī)

圖6 UHPC 整平機(jī)

2.6.2 收面

澆筑開(kāi)始后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)UHPC 表面的結(jié)皮時(shí)間（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)天氣狀況測(cè)算）。收面工人乘坐在走行小行車上，進(jìn)行收面。結(jié)合橋?qū)捈皵嚢栊?，澆筑后?yīng)及時(shí)工人及時(shí)進(jìn)行二次人工收面、噴霧、覆膜，防止表面結(jié)皮影響外觀質(zhì)量。緊接著噴霧覆膜養(yǎng)護(hù)。

2.7 高性能混凝土的養(yǎng)護(hù)

2.7.1 覆膜養(yǎng)護(hù)

考慮本材料澆筑后在噴霧保濕的條件下表面約10 分鐘內(nèi)（具體時(shí)長(zhǎng)當(dāng)時(shí)天氣條件確定）會(huì)產(chǎn)生結(jié)皮現(xiàn)象，應(yīng)在整平完成后立即進(jìn)行收面及覆膜作業(yè)。考慮到整平機(jī)過(guò)后施工人員不能直接進(jìn)入進(jìn)行收面、局部區(qū)域可能的補(bǔ)料等工作，訂制的覆膜機(jī)上帶有操作平臺(tái)，可進(jìn)行第三次收面，在收面時(shí)若出現(xiàn)起皮現(xiàn)象可適當(dāng)噴霧灑水同時(shí)立即進(jìn)行收面以保護(hù)UHPC 表面平整度。局部區(qū)域可能的補(bǔ)料可使用手提式平板振搗器進(jìn)行振搗振平。覆膜養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于48h。

2.7.2 保濕養(yǎng)護(hù)

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

2.8 UHPC 表面拋光

UHPC 層表面拋光糙化在UHPC 養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行。通過(guò)拋光可加強(qiáng)UHPC 層與粘結(jié)層的粘結(jié)效果。UHPC 表面糙化的技術(shù)指標(biāo)：粗糙度達(dá)到0.45～0.6mm；拋光后，UHPC表面應(yīng)裸露出“新鮮”鋼絲及混凝土面，且顏色均勻，達(dá)到糙化比色板“SP4”的程度。拋光機(jī)具體行走速度等參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)段確定。

圖7 UHPC 表面拋光糙化

3 施工效果

現(xiàn)場(chǎng)施工完成橋面UHPC 養(yǎng)護(hù)后，揭去覆膜，經(jīng)表觀檢查，未發(fā)現(xiàn)裂縫、氣泡、紗線等表觀質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)，UHPC 試塊的28d 各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表5 所示，從表中數(shù)據(jù)可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均大于標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明UHPC的工藝達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。此后繼續(xù)開(kāi)展防水黏結(jié)層和透水瀝青混凝土施工。

表5 見(jiàn)證取樣UHPC 的28d 檢測(cè)結(jié)果 單位：MPa

4 結(jié)語(yǔ)

本文以勝利黃河大橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究了?混凝土疊合梁采用UHPC 橋面鋪裝的實(shí)際工程問(wèn)題，從UHPC 混凝土攪拌、澆筑和養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)的施工技術(shù)要點(diǎn)，到UHPC橋面板的承載能力設(shè)計(jì)、工程經(jīng)濟(jì)性比較，本文較全面的研究了UHPC 橋面鋪裝問(wèn)題。通過(guò)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(xué)性能和耐久性，還具有良好的總體經(jīng)濟(jì)性、對(duì)橋梁主梁受力更有利；UHPC 配合比、指標(biāo)檢測(cè)、澆筑整平與噴霧保濕和覆膜養(yǎng)護(hù)間的銜接是做好UHPC 施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵。從工程效果來(lái)看，項(xiàng)目開(kāi)展至今近，未出現(xiàn)任何病害及微細(xì)裂縫，不僅證明了相關(guān)理論研究成果的科學(xué)性，同時(shí)也證明了UHPC 橋面鋪裝的可推廣性。