江五四，張欣

（1.中交（長沙）建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有良好的力學(xué)性能，鑒于UHPC 相對較高的單價，其工程應(yīng)用主要在結(jié)構(gòu)加固和UHPC 薄層輕型組合橋面[1-3]。隨著UHPC 材料的發(fā)展普及，UHPC 方案在諸多工程應(yīng)用場景中更具經(jīng)濟性[4]。

益陽青龍洲大橋主橋創(chuàng)造性地采用雙邊箱鋼-UHPC 輕型組合加勁梁，首次將UHPC 板作為橋面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于自錨式懸索橋中，降低了結(jié)構(gòu)自重，提高了結(jié)構(gòu)的受力性能[5]。

UHPC 相較于普通混凝土通常具有更大的收縮效應(yīng)，為降低結(jié)構(gòu)次內(nèi)力，橋面板采用工廠預(yù)制現(xiàn)場后澆縱橫向接縫形式連接。作為預(yù)制結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在于接縫位置的處理?？紤]到構(gòu)造需要及施工便利性，接縫通常設(shè)置于橫梁或小縱梁上方，即橋面板的負彎矩區(qū)，接縫結(jié)構(gòu)的承載力及抗裂性能直接影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

本文以益陽青龍洲大橋為工程背景，通過模擬施工環(huán)境，對大橋的橫向與縱向濕接縫進行多組模型試驗，結(jié)合有限元模型受力分析結(jié)果對比分析，全面評估UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)在實際橋梁工程建設(shè)中的技術(shù)可行性，以及橋面板接縫施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程背景

青龍洲大橋主橋是一座主跨60+110+260+110+60=600 m 的自錨式懸索橋，橋形布置如圖1所示，吊索間距10.5 m。主梁采用鋼-UHPC 輕型組合PK 梁結(jié)構(gòu)，主梁標準段橋面板布置如圖2所示，全寬為34.5 m，中心高度為3.63 m。

圖1 青龍洲大橋橋形布置（m）Fig.1 Bridge layout of Qinglongzhou Bridge（m）

圖2 主梁標準段橋面板布置（cm）Fig.2 Standard section bridge deck arrangement of main girder（cm）

青龍洲大橋鋼-UHPC 輕型組合PK 梁下部鋼梁系由主縱箱梁、工字形橫梁、工字形小縱梁組成的雙主梁梁格體系，工字形橫梁間距為3.5 m。上部橋面板結(jié)構(gòu)為22 cm 高的UHPC 矮肋板，由504 塊預(yù)制板（圖3）和現(xiàn)澆濕接縫（圖4）兩部分組成，主梁橋面板鋪設(shè)寬度30.58 m，橫向分3 塊板預(yù)制（邊板2 塊、中板1 塊）。

圖3 青龍洲大橋標準超高性能混凝土橋面板（cm）Fig.3 Standard ultra-high-performance concrete deck of Qinglongzhou Bridge（cm）

圖4 青龍洲大橋橋面板濕接縫設(shè)計方案（cm）Fig.4 Design scheme of wet joints of Qinglongzhou Bridge deck（cm）

主梁標準梁段邊板寬823.2 cm、中板寬801.2 cm，板長均為300 cm，矮肋間距均為68 cm。矮肋板在預(yù)制完成后運至施工現(xiàn)場吊裝就位，通過現(xiàn)場澆筑濕接縫將上部UHPC 橋面板結(jié)構(gòu)與下部鋼梁整合到一起。

預(yù)制橋面板之間包含橫、縱向濕接縫，濕接縫底部寬度為50 cm。與原橋面板方案（傳統(tǒng)的26 cm 厚預(yù)應(yīng)力普通混凝土橋面板）相比，鋼-UHPC 組合矮肋橋面板方案均厚為14 cm（考慮接縫部位后），自重減輕約44%，且避免了張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。

2 橋面板濕接縫方案設(shè)計

2.1 接縫設(shè)計方案

預(yù)制橋面板之間的橫、縱向濕接縫設(shè)計方案（圖4），由于澆筑不連續(xù)，新老UHPC 處鋼纖維在接縫處斷開，造成新老UHPC 交界面成為彎拉薄弱處。將接縫結(jié)構(gòu)上表面的交界面各向外延伸25 cm，并在預(yù)制橋面板端部制作5 cm 深的凹槽，形成T 形的接縫橫斷面，避免接縫處于高拉應(yīng)力區(qū)。T 形濕接縫內(nèi)部主要細節(jié)如圖5 所示，包括：T 形臺階、界面鑿毛和澆水處理、預(yù)埋鋼筋、補強鋼筋、栓釘剪力連接件等。該T 形濕接縫結(jié)構(gòu)無需焊接，現(xiàn)場施工方便、高效。

圖5 T 形濕接縫內(nèi)部細節(jié)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the internal details of the T-shaped wet joint

青龍洲大橋橋面板結(jié)構(gòu)的濕接縫包括橫向濕接縫與縱向濕接縫。接縫處使用的UHPC 材料類型為含膨脹劑的常規(guī)UHPC 材料，添加膨脹劑可有效控制接縫處UHPC 材料的收縮量；接縫處UHPC 材料在現(xiàn)場澆筑完后，采用60 ℃蒸汽養(yǎng)護技術(shù)減少后期收縮。另外，接縫處UHPC 材料中使用的鋼纖維類型與預(yù)制橋面板中使用的鋼纖維類型一致，同為2.0%體積率的直線形鋼纖維，鋼纖維直徑為0.16 mm，長度為13 mm。

2.2 橋梁整體有限元計算

青龍洲大橋首次采用輕型組合加勁梁，即將UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)作為橋面板與下部鋼梁結(jié)合在一起，共同在自錨式懸索橋體系內(nèi)（第一體系內(nèi)）受力。為揭示鋼-UHPC 組合梁在第一體系中的整體受力狀態(tài)，建立了青龍洲大橋全橋整體有限元模型。組合梁在輔助墩、過渡墩和橋塔處采用簡支約束，橋塔底部固結(jié)，索纜與橋塔和組合梁在錨固點處設(shè)置主從約束。

基于我國現(xiàn)行的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，對青龍洲大橋的正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)進行整體計算分析，主要考慮的荷載作用有：結(jié)構(gòu)自重與二期荷載、車道荷載、人群荷載、風荷載、溫度、沉降、汽車制動力等荷載。按照設(shè)計規(guī)范要求將各分項荷載作用進行組合，計算分析最不利荷載組合下的橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力。UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)在懸索橋第一體系中的受力分析模型如圖6 所示。

圖6 青龍洲大橋整體有限元模型Fig.6 Overall finite element model of Qinglongzhou Bridge

在正常使用極限狀態(tài)下，橋面板設(shè)計拉應(yīng)力由頻遇組合作用下計算求得，預(yù)制UHPC 橋面板的最大拉應(yīng)力為3.51 MPa，UHPC 接縫處的最大拉應(yīng)力為3.15 MPa。橋面板設(shè)計壓應(yīng)力由標準組合作用下計算求得，UHPC 橋面板的最大壓應(yīng)力為23.59 MPa。

在承載能力極限狀態(tài)下，橋面板設(shè)計彎矩承載能力由基本組合作用下計算求得，UHPC 橋面板的最大正彎矩為588.37 kN·m，最大負彎矩為609.02 kN·m。橋面板結(jié)構(gòu)全寬為30.58 m，換算每單位寬度橋面板結(jié)構(gòu)的最大設(shè)計正彎矩和負彎矩分別為19.24 kN·m/m 和19.92 kN·m/m。

2.3 橋面板有限元計算

為了進一步探索UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)在第二、三體系中的局部受力狀態(tài)，利用ABAQUS 有限元軟件對青龍洲大橋的標準組合梁梁段建立了更為精準的局部有限元模型。局部有限元計算重點分析了UHPC 矮肋板在懸索橋第二、三體系中的受力狀態(tài)，計算結(jié)果如表1 所示，在車輪荷載作用下，橋面板內(nèi)縱向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在正彎矩區(qū)UHPC 矮肋底部，其中UHPC 最大縱向拉應(yīng)力為8.16 MPa，鋼板條最大拉應(yīng)力為49.70 MPa；橋面板內(nèi)橫向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在正彎矩區(qū)UHPC 頂板底部，UHPC 最大橫向拉應(yīng)力為2.55 MPa；負彎矩區(qū)橫向接縫與縱向接縫區(qū)域內(nèi)，最大拉應(yīng)力分別為2.73 MPa 和2.52 MPa?？紤]疊加效應(yīng)，將整體計算頻遇組合作用下的分析結(jié)果和局部計算分析結(jié)果相加，并將相加結(jié)果作為UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)在青龍洲大橋?qū)崢蛑械淖罱K設(shè)計強度需求。

表1 青龍洲大橋整體與局部有限元分析結(jié)果Table 1 Overall and partial finite element analysis results of Qinglongzhou Bridge

計算結(jié)果表明：

1） UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)中底部鋼板的最大設(shè)計拉應(yīng)力為67.25 MPa，遠低于Q345 鋼材抗拉強度設(shè)計值（270 MPa），故滿足設(shè)計要求。

2） 而前文整體計算分析標準組合作用下UHPC 橋面板內(nèi)最大設(shè)計壓應(yīng)力為23.59 MPa，同樣遠低于UHPC 材料抗壓強度設(shè)計值（約72.8 MPa），說明安全富余較多。

因此，UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)在實橋應(yīng)用時的主要控制設(shè)計指標應(yīng)為UHPC 材料中的拉應(yīng)力大小，UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)受拉區(qū)現(xiàn)澆濕接縫受力性能決定該新型橋面板是否可行[6-11]。

3 橋面板濕接縫性能試驗研究

3.1 接縫模型制作

按照工程實際接縫尺寸，制作了2 個足尺條帶濕接縫構(gòu)件模型：1） 橫向濕接縫構(gòu)件（編號：HJF），長度400 cm，寬度68 cm；2） 縱向濕接縫構(gòu)件（編號：ZJF），長度342 cm，寬度68 cm。

接縫構(gòu)件制作過程：1） 制作接縫兩端預(yù)制橋面板部分，澆筑界面鑿毛處理，灑水保持濕潤。然后，與預(yù)制的鋼梁翼緣板（焊接完栓釘剪力連接件）部位搭接好，立好接縫模板；2） 放置補強鋼筋，為了測試現(xiàn)澆UHPC 材料的收縮情況，在接縫中間放入埋入式收縮測試計；3） 澆筑濕接縫UHPC材料，注意澆筑濕接縫前，需保證界面處應(yīng)不間斷灑水保持濕潤48 h；4） 澆筑完成12 h 后，待UHPC 材料上表面初凝后，在上表面新老UHPC界面處安裝表貼式收縮測試計，目的是為了測量界面處的UHPC 材料的收縮量；5） 澆筑完成36 h后，對接縫構(gòu)件進行72 h 的60 ℃蒸汽養(yǎng)護，完成接縫構(gòu)件的制作。

最后，通過三點抗彎試驗來模擬實橋接縫受彎情況，并檢測現(xiàn)澆濕接縫結(jié)構(gòu)的抗彎性能。

3.2 接縫抗彎性能試驗結(jié)果

鑒于橋面板縱、橫向濕接縫構(gòu)造形式類似，受力模式也基本相當，本文僅對橫向濕接縫的抗彎性能試驗進行詳細分析。對進行完UHPC 材料收縮測試的橫向濕接縫構(gòu)件（HJF），進行三點抗彎試驗來模擬實橋接縫受彎情況，并檢測現(xiàn)澆濕接縫結(jié)構(gòu)的抗彎性能，試驗如圖7 所示。

圖7 UHPC 矮肋板橫向濕接縫抗彎試驗（cm）Fig.7 Flexural test of transverse wet joints of UHPC low-ribbed slabs（cm）

試驗中接縫構(gòu)件的計算跨徑為290 cm，重點觀測的橫截面主要包含3 類，如圖7 所示，I 類截面位于新老UHPC 交界處，橫截面形狀為T 形，截面抗彎剛度最??；II 類截面位于T 形截面與實心截面交界處，屬于橫截面剛度突變處；III 類截面位于跨中UHPC 實心處，截面抗彎剛度最大，同樣位于負彎矩荷載最大處。濕接縫抗彎試驗結(jié)果主要包括開裂強度、抗彎承載能力和破壞模式。橫向濕接縫抗彎試驗中測得的荷載-跨中撓度曲線和荷載-最大裂縫寬度曲線見圖8。

圖8 UHPC 矮肋板橫向濕接縫抗彎試驗結(jié)果Fig.8 Flexural test results of transverse wet joints of UHPC low-ribbed slabs

試驗結(jié)果表明：對于UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)的橫向濕接縫抗彎構(gòu)件（HJF），其破壞過程大致如下，首先彎拉裂縫出現(xiàn)在I 類截面處，隨后II、III 類截面處也相繼出現(xiàn)彎拉裂縫，但整個試驗過程中，最大裂縫寬度始終出現(xiàn)在I 類截面處，最后在豎向荷載達到255 kN 時，構(gòu)件HJF 在I 類截面處折斷破壞，破壞模式屬于延性破壞。

破壞時，I 類截面處的抗彎承載能力值為121.1 kN·m，跨中III 類截面處的抗彎承載能力值為184.9 kN·m，考慮到試驗中接縫構(gòu)件的寬度為0.68 m，故在I、III 類截面處，單位寬度橫向接縫抗彎構(gòu)件的彎矩承載能力分別為178.1 kN·m/m 和271.9 kN·m/m，分別是上述抗彎承載能力設(shè)計值（19.92 kN·m/m）的8.9 倍和13.6 倍。

橫向接縫抗彎構(gòu)件中I、II、III 類截面處的裂縫達到特征裂縫寬度0.05～0.20 mm 時，各自位置處的UHPC 名義拉應(yīng)力值見表2。

表2 橫向濕接縫抗彎構(gòu)件名義拉應(yīng)力Table 2 Nominal tensile stress of flexural members of transverse wet joints MPa

試驗結(jié)果表明：當特征裂縫寬度達到0.05 mm，I、II、III 類截面處的開裂強度分別為6.02 MPa、10.18 MPa 和17.67 MPa，均高于上述橫向濕接縫抗彎設(shè)計拉應(yīng)力值（5.88 MPa）；當構(gòu)件中I類截面處的特征裂縫寬度達到結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范容許的裂縫寬度0.20 mm 時，其UHPC 名義拉應(yīng)力可達14.59 MPa，滿足上述橫向濕接縫抗彎設(shè)計拉應(yīng)力值（5.88 MPa）的2.48 倍。

上述對比結(jié)果表明：青龍洲大橋橋面板的濕接縫結(jié)構(gòu)的開裂強度和抗彎承載能力均符合實橋的設(shè)計需求，濕接縫結(jié)構(gòu)抗彎性能良好。

4 應(yīng)用效果

基于UHPC 橋面板接縫結(jié)構(gòu)優(yōu)化、理論分析及模型試驗等系列工藝研究，合理編制青龍洲大橋現(xiàn)場橋面板濕接縫施工組織方案，主要包括以下幾個環(huán)節(jié)：1） 吊裝擺放預(yù)制橋面板；2） 濕接縫處安設(shè)補強鋼筋；3） 澆筑濕接縫UHPC 材料、使用振搗整平梁將橋面板表面振搗整平；4） 蒸汽養(yǎng)護濕接縫；5） 全橋橋面板上表面拋丸糙化，鋪設(shè)橋面鋪裝層及上部其他結(jié)構(gòu)，完成橋面板施工。

青龍洲大橋首次將UHPC 板作為橋面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于自錨式懸索橋中，實橋施工典型工序如圖9所示，新型接縫處理工藝的應(yīng)用極大地加快了大橋施工進度，保證了施工質(zhì)量，提高了結(jié)構(gòu)耐久性，大橋的順利建成同時也為本研究實用性和正確性提供了有力佐證。

5 結(jié)語

本文以益陽市青龍洲大橋為工程背景，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、有限元計算、試驗驗證等方式，對鋼-UHPC 橋面板接縫受力性能及工程可行性進行分析，得到以下主要結(jié)論：

1） 考慮體系疊加效應(yīng)，UHPC 矮肋板結(jié)構(gòu)中底部鋼板、受壓區(qū)UHPC 應(yīng)力的安全儲備較大，該新型結(jié)構(gòu)的主要控制指標為接縫處UHPC 拉應(yīng)力水平。

2） 針對典型截面抗彎承載力試驗研究表明，濕接縫結(jié)構(gòu)的抗彎破壞模式為構(gòu)件上表面新老UHPC 交界面（I 類截面）內(nèi)鋼筋屈服而斷裂破壞。

3） 濕接縫破壞截面處的抗彎承載能力達178.1 kN·m/m，遠大于抗彎承載能力設(shè)計值19.92 kN·m/m，濕接縫結(jié)構(gòu)的抗彎承載能力富余較大。

4） 橫向濕接縫裂縫寬度為0.05 mm 時，抗彎名義開裂強度為6.02 MPa；裂縫寬度為0.20 mm時，抗彎名義開裂強度為14.59 MPa；均高于抗彎設(shè)計拉應(yīng)力值5.88 MPa，結(jié)構(gòu)耐久性能良好。

5） 通過實橋驗證表明，新型橋面板濕接縫處理工藝合理可行，橋面結(jié)構(gòu)性能良好，該新型結(jié)構(gòu)的成功應(yīng)用可為類似工程提供重要借鑒。