UHPC 超高性能混凝土鋼橋面復合鋪裝體系的優化和應用

冀振龍（上海公路投資建設發展有限公司，上海 200335）

正交異性鋼橋面板自 20 世紀 50 年代面世以來，已經成為鋼橋橋面板最主要的結構形式，其上覆蓋的鋪裝結構主要有水泥混凝土和瀝青混凝土兩種[1]。水泥混凝土鋪裝（即剛性鋪裝）剛度大，但容易開裂，多用于重載交通的中小跨徑鋼橋。較大跨徑鋼橋多采用黏性和韌性相對較好的瀝青混凝土鋪裝（即柔性鋪裝）。國內外進行了大量研究與應用，主要圍繞鋼橋面板疲勞細節優化、柔性鋪裝性能改善、剛性鋪裝研究開發等方面[2]。近年來依賴超高性能混凝土材料快速發展，鋼橋面剛性鋪裝開始得到重視[3]。本文將對國內外鋼橋面剛性鋪裝的研究進展進行梳理分析，為 G 318 滬青平公路嘉松公路跨線橋工程鋼橋面剛性鋪裝方案的研究工作提供技術參考。

1 現狀分析

對近年來國內外鋼橋面剛性鋪裝的研究和應用情況進行分析，總結如下。

(1) 已有成果表明，剛性鋪裝具有較高的耐久性和抗疲勞強度，能夠延續正交異性鋼橋面的壽命，降低全壽命周期成本。但研究工作仍處于初步階段，實體工程較少且缺乏足夠的后評估數據。

(2) 對于鋼—混凝土組合橋面體系，較密鋼筋網布置和高溫蒸養大大增加施工難度，很難保證施工質量和耐久性，密布剪力釘對后期維修養護造成不便。

(3) 對于鋼—混凝土復合鋪裝體系，UHPC 層不參與整體結構受力，但可大幅提高橋面系的疲勞性能，與組合橋面結構相比，其鋼筋網和剪力釘的設置可做針對性設計。如在UHPC 局部效應較大部位布置鋼筋網等增強體，剪力釘布置在脫層風險最大的橋面端部，從而，大大簡化設計，方便施工與后期維護。

(4) 采用膠粘層+邊緣焊釘的聯結體系能保證鋼板與混凝土的復合作用。端部焊釘足夠抑制層間脫離，但使用鋼筋網對于裂縫的控制作用并不明確。

(5) 國內 UHPC 材料存在以下問題：① 成本較高；② 長時間運輸、攪拌、澆筑下易發生分層離析；③ 素混凝土抗拉強度不高、應變能力不高。因此大規模應用風險較大。

綜上，應加快開展針對性的研究與試點應用，開展剛性層材料、黏結體系、鋪裝結構長期使用性能、實橋設計方法與施工工法等研究。

2 組合鋪裝體系優化設計

G 318 滬青平公路嘉松公路跨線橋位于上海市青浦區，全長 1.5 km，屬重交通，采用一級公路建設標準。橋梁設計采用（40+60+40）m 三跨鋼連續梁。本項目鋼橋面鋪裝方案應滿足長效耐久、施工便利、維護方便等要求，同時應易于機械化、標準化施工，減少人工操作。

2.1 原鋪裝設計方案

原鋪裝層設計方案瀝青路面使用壽命為 15 a，橋面鋪裝體系按 3 層鋪筑，即 40 mm SMA-13（SBS 改性）+60 mm AC-20 C（SBS 改性）+80 mm 鋼筋混凝土調平層。鋼筋混凝土層鋼筋網間距 100 mm，橋面板上密布 Φ 19 mm 焊釘，焊釘長 60 mm，橫向間距 300 mm，與 U 肋腹板對齊，縱向間距 250 mm。該方案存在以下問題：一是鋪裝總厚達 180 mm，橋面系恒載較大；二是普通鋼筋混凝土抗拉強度在重載下易開裂損壞，影響鋪裝防水與疲勞性能。

2.2 設計標準

(1) 設計年限：剛性鋪裝為 30 a，瀝青面層為 10 a。

(2) 疲勞計算按 JTGD 64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》中疲勞荷載計算模型 Ⅲ，輪載 70 kN，考慮沖擊系數 0.4。

(3) 抗滑指標：橫向力系數（SFC 60）≥54。

2.3 優化后設計方案

(1) 鋼筋網布置說明。結合調研可知：① 疲勞作用下配筋混凝土，一旦有水滲入，裂縫擴展速率明顯提高；② 強配筋混凝土由于鋼筋網片黏結不牢、混凝土難以下滲導致鋪裝層表面致裂縫過早發生；③ 剛性鋪裝層厚度較小時，配筋會影響鋪裝層整體性。考慮到施工和易性、結構耐久性，在鋼筋網片作用機理尚不明確的情況下，不建議對 6 cm 超高性能混凝土層采取配筋措施。

(2) 剪力釘布置說明。膠粘層+邊緣焊釘的黏結體系能夠如同密布焊釘一樣保證橋面板與剛性層形成復合結構協同受力。剛性層由于自身收縮、溫度梯度及驟變溫度的影響，會在橋面端部及接縫等位置產生潛在脫層風險，因此本方案擬在橋面端部設置 2 排抗剪栓釘。剪力釘位置需避開 U 型加勁肋腹板，該處是加勁肋焊接位置，為應力集中區。

(3) 設計方案。設計方案如下：鋼橋面板（局部焊釘）+環氧樹脂（碎石）防水黏結層+不配筋超高性能混凝土 UHPC（60 mm）+防水黏結層 +SMA-13（40 mm）。鋼橋面板表面拋丸處理，在其四周邊緣設置 2 排焊釘；鋼板防腐及其與鋪裝的黏結采用環氧樹脂材料；下層鋪裝采用超高性能混凝土，不設鋼筋網片；上、下層鋪裝之間黏結采用常用的纖維增強防水黏結層。鋪裝結構如表 1 所示。

表1 剛性鋪裝結構

3 設計指標與工藝要求

3.1 材料指標

(1) UHPC 超高性能混凝土。用于鋼橋面鋪裝的 6 cm 超高性能混凝土，其性能指標應滿足表 2 所示要求。其中鋼纖維采用鍍銅高強鋼纖維，抗拉強度 ≥ 1 600 MPa，彈性模量為 2.1×105MPa。

表2 UHPC 超高性能混凝土性能指標

(2) 防水黏結層（環氧樹脂）。用于鋼橋面鋪裝的鋼橋面防腐及黏結層為環氧樹脂材料。其性能指標應滿足表 3 所示要求，表 3 中復合件表示經處理的鋼板與超高性能混凝土通過環氧黏結形成的構件。

表3 防水黏結層（環氧樹脂）性能指標

(3) 纖維增強防水黏結層。在超高性能混凝土上采用纖維增強型防水黏結層，主體材料為 PBⅡ 型聚合物改性瀝青防水涂料，應滿足 JC/T 975—2005，在瀝青涂料內設置無堿玻璃纖維作為加強層胎體增強材料，性能指標見表 4。

表4 增強材料技術指標表

(4) SMA-13 瀝青混凝土（SBS 改性）。SMA-13 瀝青混凝土設計空隙率（VV）宜控制在 4%。混合料各項指標要求見表 5。

表5 SMA—13 路用性能指標

3.2 主要施工工藝

(1) 拋丸除銹。用拋丸除銹機打磨鋼板，表面應達到前述設計要求。拋丸完成后對表面進行覆膜保護，防止揚塵、水、油污等對鋼板表面的二次污染。

(2) 環氧防水層施工。采用 EP 20 環氧樹脂，涂抹標準為 1.0 kg/m2。涂刷前應充分攪拌均勻，且隨用隨拌。30 ℃ 下工作時間 4 h，超時的環氧樹脂不得用于防水層施工。

(3) UHPC 施工。混凝土輸送到現場后，采用料斗向攤鋪機供料，不要集中堆積，保證混凝土中鋼纖維是連續的。在設計橫向斷縫處分施工段，單幅 5 個施工段，共 10 段，每段攤鋪長度在 27～29.5 m，確保攤鋪機工作連續性及橋面鋪裝整體平整度。施工過程嚴格控制施工時間，保證攤鋪過程中混凝土不發生初凝。根據現場混凝土的攪拌速率、振動梁的攤鋪效率及環氧樹脂工作時間，決定日攤鋪面積。適當設置施工縫，施工縫的設置應與結構變形縫一致。混凝土澆筑完畢后不需二次抹壓，振動完畢后，直接覆膜養護。混凝土初凝后終凝前，要用抹光機壓實抹壓。

(4) 養護。混凝土澆筑振動完畢后，覆膜養護，有條件的采取噴灑養護劑。混凝土終凝后，應進行灑水保濕養護。日間作業，鋼橋面溫度較高時應增設遮陽網（覆膜及覆土工布），降低混凝土表面吸收的太陽輻射熱。保濕養護 7 d，養護期間通過預埋溫度傳感器控制灑水頻率。根據現場的應變測試結果來調節養護時間。

4 結 語

本文對國內外近年剛性鋪裝在鋼橋面中的應用情況進行了詳細分析。提出了優化后的基于 UHPC 超高性能混凝土的鋼橋面鋪裝方案，給出了結構體系設計標準、主要材料技術指標和施工工藝。該方案現場施工和后期養護便利，各方面性能均達到規范要求，于 2017 年應用到上海 G 318 滬青平公路嘉松公路跨線橋工程中，使用兩年效果達到預期。