超高性能混凝土橋面板的應用分析

（石家莊市交建高速公路建設管理有限公司石衡分公司，河北 石家莊 050000）

一、引言

眾所周知，公路橋梁結構物的自重占全部設計荷載的很大一部分，且橋梁跨度越大，自重所占比例越高。對于需要經常開合的跨河活動橋，在橋梁結構物自重方面有著更為嚴格的要求，因此一般設計成開口式格構鋼橋面。就目前的應用來看，鋼橋面板表現出抗滑力小、耐久性差、維修造價高、振動幅度強、噪聲大等缺陷，亟需探索一種新材料、新工藝、新體系的橋面板。

超高性能混凝土在解決噪聲大、舒適性差、抗滑力小等方面具有極大的潛能，且后期養護費用也大大低于鋼橋面，但關鍵在于解決重量問題。多年來，業內專家提出了許多新材料的替代方案，如將纖維增強聚合物、鋁合金、超高性能混凝土等材料做成橋面板。但有的材料重量很大，無法很好地應用于橋梁建設中。

二、超高性能混凝土橋面板的構造

超高性能混凝土是由高強度水泥基材料和鋼纖維組合成的復合材料，也是一種新型建筑材料。與常規水泥混凝土相比，它具有高強度和高耐久性。其抗壓強度是常規水泥混凝土的4～8倍，摩擦力是常規水泥混凝土的8倍以上；其抗拉強度為6.2Mpa～11.7Mpa，抗壓強度為150Mpa。在標準抗彎強度實驗中，其抗彎強度可達到34.5Mpa～49.7Mpa。經過研究發現，將超高性能混凝土構件浸入900℃的水中養生48小時后，其抗壓強度和彈性模量將大大提高，長期收縮將得到消除。目前，澳大利亞、日本、新西蘭、韓國及一些歐美國家已經將超高性能混凝土用于公路橋、人行橋梁施工中，但用其替代鋼橋面時，自重太大的劣勢仍然存在。

本文介紹了一種截面小、重量輕的超高性能混凝土橋面板，其截面和配筋均按現行規范計算。這種橋面板是一種具有主肋和次肋的格構薄板，橋面板總厚127mm；主肋高（包括翼緣板）127mm，間距300mm；次肋高76mm，間距406mm，與主肋澆成一體，形成格構板；頂板兼做主肋、次肋的翼緣板，厚度為32mm。這種橋面板的重量僅有1.2KN/m2，與鋼橋面重量相當。

超高性能混凝土的組分包括：水泥、硅灰、石英粉、砂、超級塑化劑、鋼纖維，鋼纖維的體積比為0.2%，直徑為0.2mm，長度為13mm。主肋的下緣配一根φ22鋼筋，上緣配三根φ10鋼筋；次肋僅下緣配一根φ13的鋼筋，上下保護層均為13mm。鋼筋的屈服強度為690Mpa，屈服應變為0.004，彈性模量為20萬Mpa。這種高強度鋼筋沒有屈服臺階，屈服強度按殘余變形0.2%測得。

這種橋面板采用預制組裝施工，相鄰橋面板之間、橋面板與梁之間均采用特殊的連接構造。以下討論這些連接構造對橋梁荷載橫向分布及疲勞荷載的影響。

（一）橋面板與主梁的連接

預制的橋面板搭設在鋼主梁頂端的雙肩上，中間留一處矩形后澆槽。在該槽內的主梁頂板上焊接一個直徑12.7mm、長102mm的栓釘，并將栓釘埋入后澆的超高性能混凝土中。栓釘沿主梁頂板均勻布置，間距為300mm，屈服強度為350Mpa，極限強度為448Mpa，主要是為了避免橋面板在汽車制動力和水平風力作用下發生滑移。矩形后澆槽寬51mm、長76mm、深127mm，用超高性能混凝土填滿。

需要注意的是，栓釘除了抵御水平剪力外，還要經得起風力的向上分力，確保在風力作用下不會出現上浮。因此，可在栓釘頂部戴上“釘帽”，以避免出現浮起現象。

（二）相鄰橋面板間的連接

相鄰橋面板間的連接非常重要，它是橋面板間傳遞車輪荷載的關鍵。如果連接遭到破壞，可能會導致橋面板產生變形，甚至出現斷裂或磨耗層分離。因此，在預制過程中，橋面板側面應設置混凝土舌榫和相對應的凹槽。橋面板總厚度127mm，伸出的舌榫呈梯形，端部高51mm，根部高77mm，伸出長度51mm。相鄰橋面板的凹槽尺寸應和舌榫相契合，盡量做到密切接觸，必要時可在縫隙內灌入環氧樹脂，做成無縫連接。

（三）荷載的橫向分布

橋面板除了在橫橋方向設置跨越主梁的主肋外，還在順橋方向設置了幾條次肋，次肋和主肋澆筑在一起形成格構結構。車輪荷載如何向下傳遞，則需要通過加載實驗進行觀察測量，可以將荷載布置在不同位置，求得各肋的分布系數。分布系數按下式計算：

DFi為某肋的荷載分布系數，△i為該肋的撓度，Σ△i為各肋的撓度總和，橋面板在此階段處于彈性范圍內方可應用這一公式。觀測結果表明，車輪荷載被很好地分配給幾條肋，避免了某一條肋單獨負擔過大的荷載。這就意味著，橋面板的斷面還有潛力可挖，還可以進一步優化，降低橋面板的總重量。

相鄰橋面板間設置了舌榫和凹槽連接進行荷載傳遞。當荷載加在凹槽一側時，舌榫一側的橋面板承受的荷載有所減少，比對側減少了6%，這意味著相鄰橋面板間的連接結構并未把所有荷載都傳遞過來。因此要采取相應的措施，如在預制橋面板時，相鄰橋面板需進行匹配澆筑，確保嚴絲合縫；還可以在橋面板間的接觸面涂刷環氧樹脂。

（四）疲勞性能和剩余強度

為評價這種預制、組裝的橋面板的疲勞性能和剩余強度，本文進行了疲勞實驗，主要是為了驗證橋面板之間、橋面板與梁之間連接構造的可靠性。

本次疲勞實驗采用了大比例尺試件，設置成兩跨連續梁，尺寸為2×1220mm。橫橋向由兩塊橋面板組成，全寬762mm，橋面板總厚127mm。在帶有凹槽的一側橋面板上通過加載鋼板墊施加荷載，荷載幅度從2.2KN～71.2KN，頻率為4Hz，橋面板經受了200萬次循環荷載，連續時間為6天。施加荷載過程中，每循環1000次，記錄一次荷載、撓度、應變。在實驗中和實驗后，要認真觀測橋面板和連接處的裂縫情況。

實驗結果表明，橋面板并未出現破壞性裂縫，一些小裂縫是由環氧樹脂開裂造成的。200萬次循環荷載作用后，橋面板的最大撓度為L/320，循環荷載產生的混凝土壓應力為17.2Mpa～33.8Mpa，鋼筋拉應力為38Mpa～115Mpa。

三、結語

本文提出的使用超高性能混凝土制成的橋面板，采用高強度混凝土和高強度鋼筋組建的結構，能盡可能縮小截面、降低總重量。橋面板采用預制、安裝的辦法成橋，可以提高施工進度，但出現了橋面板之間、橋面板與梁之間的連接問題。為驗證連接的可靠性及使用性能，評價連接結構的疲勞性能和剩余強度，本文還進行了加載實驗和疲勞實驗。

實驗證明，橋面板順橋向的各條肋間，較合理地分擔了車輪荷載，橋面上傳來的荷載由它正下方的肋和相鄰的肋共同分擔。在疲勞實驗中，橋面板鋼筋和混凝土的剩余應力，分別比設計值高出了47%和94%。在施加荷載時，橋面板出現了很大的撓度，表明了它有很好的延性，在破壞時能給出預警信號。鑒于此，筆者認為，超高性能混凝土與高強度鋼筋的搭配，將會在未來的橋梁設中做出巨大的貢獻。