超韌性混凝土（STC）在鋼架橋上的作用

龐后玲

摘要：目前，國內(nèi)外鋼材料研究已經(jīng)進(jìn)入了全新的階段，并且以橋梁工程為首的施工建設(shè)行業(yè)，都廣泛應(yīng)用了鋼結(jié)構(gòu)。于此同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)了配合鋼結(jié)構(gòu)的混凝土結(jié)構(gòu)常常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的開裂問題以及破損問題，這些問題的出現(xiàn)，一方面影響了結(jié)構(gòu)的美觀性，另外也影響了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，隨著混凝土結(jié)構(gòu)破損程度的不斷加深，混凝土結(jié)構(gòu)之內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。因此，有專家學(xué)生研制促了超任性混凝土，該材料的應(yīng)用，大大提升了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此受到了廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超任性混凝土，鋼架橋，應(yīng)用，疲勞

相比其他材料來說，水泥混凝土具有取材方便等特點(diǎn)，并且其成本相對(duì)較低，同時(shí)也能達(dá)到較高的抗壓強(qiáng)度，因此是建筑、交通行業(yè)廣泛運(yùn)用的材料。隨著水泥混凝土材料研究的不斷加深，其抗拉強(qiáng)度較低的弱點(diǎn)制約了建筑規(guī)模以及結(jié)構(gòu)性能的提升。因此，技術(shù)人員以混凝土的基本特性為基礎(chǔ)，對(duì)其材料理化性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，從而研制出超任性混凝土，該材料的應(yīng)用，對(duì)于橋梁建筑行業(yè)起到了顯著的促進(jìn)作用。

一、超韌性混凝土（STC）在鋼架橋應(yīng)用概述

我國蘇通大橋、昂船洲大橋等都是常見的鋼架橋，這些鋼架橋主要存在橋面容易出現(xiàn)疲勞開裂問題，并且也經(jīng)常出現(xiàn)理清混凝土鋪裝層開裂等病害。在國內(nèi)外，這兩種病害都有報(bào)道，并且這些問題也是目前技術(shù)人員重點(diǎn)攻關(guān)的問題。

引發(fā)以上病害的原因相對(duì)復(fù)雜，但是可以肯定一點(diǎn)但是，鋼橋面系局部剛度較低是常見的影響因素。這是由于在反復(fù)車載作用下，由于橋面系剛度達(dá)不到技術(shù)要求，其中的相關(guān)構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)會(huì)有較大的應(yīng)力幅，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞損傷的出現(xiàn)，并表現(xiàn)為疲勞開裂。另外，如果鋼橋面上的剛度較低，那么瀝青混凝土鋪設(shè)在其上后，那么就會(huì)發(fā)生較大的局部拉應(yīng)力，并導(dǎo)致較大的變形，進(jìn)而在載車作用下發(fā)生裂縫病害。所以，解決鋼橋面病害的方法就包括提高鋼橋面系局部剛度。

在這一思路的引導(dǎo)下，技術(shù)人員提出了將水泥混凝土作為鋼橋面鋪裝層的技術(shù)理念，并且有學(xué)者研究了密配筋高性能混凝土鋼橋面鋪裝方案，同樣還有技術(shù)人員研究了鋼纖維混凝土鋪裝方案，這些技術(shù)都能夠有效解決現(xiàn)存的鋼橋問題。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，這些橋梁的鋪裝層同樣出現(xiàn)了開裂的問題。

分析這些技術(shù)問題發(fā)現(xiàn)，缺乏施工及管理經(jīng)驗(yàn)是原因之一，但是材料抗拉強(qiáng)度較低則是主要的原因。但是局部荷載效應(yīng)十分顯著，但是兩種材料仍然很難適應(yīng)鋼橋面中大拉應(yīng)力的受力狀態(tài)，進(jìn)而出現(xiàn)開裂問題^[1]。

本文介紹了一種新型水泥基復(fù)合材料——超韌性混凝土，以適應(yīng)鋼橋面中大拉應(yīng)力的受力狀態(tài)。超韌性混凝土的組成包含水泥、石英砂、石英粉、硅灰、高效減水劑和水，并摻入了大量鋼纖維，同時(shí)，對(duì)混凝土進(jìn)行密配筋，以實(shí)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度與韌性的提高?？梢钥闯觯g性混凝土的在組成上繼承了活性粉末混凝土和密配筋混凝土的優(yōu)點(diǎn)，因而具有極高的抗拉強(qiáng)度及韌性。

前期研究結(jié)果表明，超韌性混凝土的抗拉強(qiáng)度超過了42MPa。目前超韌性混凝土已成功應(yīng)用于很多橋梁項(xiàng)目上^[2]。

二、超韌性混凝土（STC）在鋼架橋上的應(yīng)用案例

某項(xiàng)目主橋鋼橋面鋪裝采用STC超高韌性混凝土鋪裝體系，從上到下依次為磨耗層、粘結(jié)層、超高韌性混凝土層、鋼橋面板。

磨耗層采用改性瀝青混凝土SMA10，厚度為30mm，容重取為24kN/m³。

粘結(jié)層采用高粘高彈改性瀝青材料。為了增強(qiáng)粘結(jié)層與STC板的粘結(jié)，先在STC橋面板表面噴酒改性瀝青乳化層，待改性瀝青乳化層完全坡乳及水分蒸發(fā)后，再均勻噴酒高粘高彈改性瀝青材料。

STC超高韌性混凝土層強(qiáng)度等級(jí)為STC25，厚度為50mm，容重約為28kN/m3，略大于普通鋼筋混凝土。STC超高韌性混凝土由水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、鋼纖維和減水劑等材料或由上述材料制成的干混料先加水拌合，再經(jīng)凝結(jié)硬化后形成的一種具有高抗彎強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的水泥基復(fù)合材料，屬于超高性能混凝土（UHPC）的范疇，其組成部分中沒有粗骨料。STC結(jié)構(gòu)致密，內(nèi)部孔徑在2～3nm左右，這使得STC的氣體滲透系數(shù)比普通混凝土低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，吸水性能為普通混凝土的1/13，氯離子滲透系數(shù)分別為普通混凝土和高性能混凝土的1/50及1/30，耐久性大大提高。STC材料的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到160MPa，抗彎拉強(qiáng)度可達(dá)到30MPa，極限應(yīng)變?yōu)楦咝阅芑炷梁推胀ɑ炷恋?～3倍：內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，孔徑在2～3nm左右，這使故其氣體滲透系數(shù)比普通混凝土低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，吸水性能為普通混凝土的1/13，氯離子滲透系數(shù)分別為普通混凝土和高性能混凝土的1/50及1/30，耐久性大大提高^[3]。

本橋STC鋪裝不設(shè)置順橋向接縫，橫向以中央分隔帶為界分成兩幅澆筑，每幅設(shè)置三道橫橋向接縫。由于接縫處STC中的鋼纖維不連續(xù)，抗裂強(qiáng)度將被削弱，故需要對(duì)接縫處做強(qiáng)化處理，本橋采用S形加強(qiáng)鋼板，厚度為10mm。

三、某超韌性混凝土（STC）在鋼架橋上的應(yīng)用項(xiàng)目實(shí)橋檢測(cè)結(jié)果

某橋梁自從建成以來，經(jīng)過多次維修，其中包括兩次大修，過去嘗試的很多鋪裝方案都很難達(dá)到理想的維修下溝，并且結(jié)構(gòu)問題得不到有效解決，所以提出采用先進(jìn)材料的方式，以期解決該橋梁的結(jié)構(gòu)問題。

某橋梁屬于正交異性鋼橋面-薄層超任性混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該橋面系在不同鋪裝狀態(tài)下的受力情況如下：

通過檢測(cè)報(bào)告得知，新型組合橋面結(jié)構(gòu)相比原理清混凝土鋪裝狀態(tài)，其面板以及鋼橋面縱肋的應(yīng)力參數(shù)以及局部撓度參數(shù)出現(xiàn)了明顯的下降變化。其中，縱肋構(gòu)件縱橋的應(yīng)力處于均勻且明顯的下降狀態(tài)，其應(yīng)力降低幅度甚至能夠達(dá)到80%，面板橫向應(yīng)力同樣表現(xiàn)出了均勻且明顯的下降趨勢(shì)，其平均應(yīng)力管理降低幅度更高，能夠達(dá)到92%，另外，我們發(fā)現(xiàn)縱肋以及面板的局部同樣表現(xiàn)出十分均勻的下擾降幅，其平均下降幅度能夠達(dá)到81%。

由此可見，超韌性混凝土的應(yīng)用，在提高鋼橋面局部剛度等方面有著顯著的作用，具體表現(xiàn)為有效降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力，延長結(jié)構(gòu)使用壽命，并且被檢驗(yàn)工作涉及的項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)營多年，且處于良好的運(yùn)營狀態(tài)。

四、總結(jié)

本文對(duì)于超韌性混凝土（STC）在鋼架橋應(yīng)用的發(fā)展概述進(jìn)行了簡要的探討，明確了不同技術(shù)之間的區(qū)別，并介紹了超韌性混凝土（STC）在鋼架橋應(yīng)用的具體施工流程，進(jìn)而為后續(xù)應(yīng)用提供了參考和借鑒。同時(shí)我們也對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)超韌性混凝土（STC）在鋼架橋應(yīng)用，在提高鋼橋面局部剛度等方面有著顯著的作用，具體表現(xiàn)為有效降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力。所以超韌性混凝土（STC）可以廣泛應(yīng)用在橋梁設(shè)計(jì)施工中，但是為了充分發(fā)揮這一材料的特性，則需要進(jìn)一步的研究與分析，總結(jié)更多的施工資料。

參考文獻(xiàn)：

[1]盛捷.大跨度斜拉橋輕型組合橋面方案設(shè)計(jì)與仿真分析[J].交通科技，2018（04）：66-69.

[2]湯明.雙塔單索面大懸臂鋼-STC組合橋面斜拉橋受力性能的研究[J].公路，2018，63（07）：216-221.

[3]姚登科. 輕型組合橋面結(jié)構(gòu)自錨式懸索橋靜力行為分析[D].西南交通大學(xué)，2016.