早強型UHPC快速施工應用技術在裝配式橋梁連接件維修工程中的應用

羅 鵬

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

現代生活中，便捷通暢的交通對國民經濟的影響比重越來越大，交通線是保證經濟正常運行的重要部分。但目前國內交通線存在交通量大，超載現象嚴重等問題，使路線壓力很大，特別是一些重要交通線長期處于大荷載、高頻次運行，橋梁結構損傷嚴重，但又不能長時間中斷交通進行修復，否則對社會各行各業影響較大，這給橋梁設計及運營維護等各環節提出了新的要求，既要保證路線安全通暢，又要兼顧社會影響，尋求一種能快速修復或者快速施工的設計方案迫在眉睫。UHPC（即超高性能混凝土）強度高，耐久性好，結構特性與常規混凝土類似，其早強型產品混凝土抗壓強度（4h）可達40MPa，抗拉強度可達4.5MPa，等同于常規混凝土28d的結構強度，應用在裝配式橋梁的連接件上快速修復或者快速施工，可使橋梁快速組網通車。本文以華東地區高速路上一座既有裝配式橋梁連接件維修工程為例，介紹早強型UHPC快速施工應用技術。

1 工程概況

華東地區高速路上一座既有橋梁原設計為三跨3m×10m小鉸縫空心板梁，橋梁分為左右兩幅，左右幅橋寬12.5m，因運行時間久，板梁上部結構有不同程度損壞，板梁鉸縫破損，橋面出現裂縫，下撓嚴重。因擔心后期出現單板受力，危害結構安全，本項目對該橋進行維修加固。

具體維修設計方案為拆除原橋梁上部板梁、橋面系等附屬結構。橋墩、橋臺等下部結構經前期檢查，無重大病害，滿足設計要求，可繼續使用，本次加固維持現狀。上部結構拆除后更換新板梁，重新施工橋面系及附屬結構。

本方案不僅要滿足結構受力要求，同時還要兼顧現場施工作業時間，盡可能壓縮施工周期，將施工影響降到最低，盡早通車。經多方比較，決定選用早強型UHPC快速施工應用技術實施維修。

2 早強型UHPC連接材料的性能參數

UHPC是一種水泥基復合材料，基于最大密度堆積原理，不同于傳統的高強混凝土和鋼纖維混凝土，具備超高強度、超高韌性、超高耐久性能以及良好施工性能的新品種水泥基結構工程材料。早強型UHPC是快速施工應用技術的核心，該項目使用的早強型UHPC材料力學性能參數如表1所示。

表1 早強型UHPC材料參數指標

UHPC材料[1]因較為致密，水膠比低，其與混凝土的粘結及鋼筋的握裹力都較常規混凝土強，根據相關實驗數據，該材料與混凝土的法向粘結強度約為3MPa，如果再考慮普通鋼筋的拉拔貢獻，其粘結強度更高，按照常規濕接縫配筋進行估算，UHPC與混凝土的粘結強度可達4MPa左右，結合該工程特點，如果出現界面受拉破壞的情況，可保證破壞發生在原混凝土機體內，而不是新老混凝土交界面，不會出現界面脫開而影響結構受力及耐久性問題；另外材料施工性能好，UHPC材料中主要成分為礦粉、鋼纖維、液劑和水，無粗骨料，其流動性較好，一般擴展度可達550～700mm，可以作為灌漿料使用，因此對于本工程濕接縫結構，UHPC能較方便、快捷、穩妥地實現接縫間的連接。

因UHPC強度高，施工性能好，材料特性與普通混凝土類似，采用UHPC作為濕接縫連接材料有下列優勢：UHPC強度高，其與鋼筋握裹力較強，根據前期研究成果，設計中只要鋼筋間滿足搭接長度≥10D（D為鋼筋直徑），即可實現與常規鋼筋焊接的連接效果，滿足鋼筋拉拔為緊縮破壞而不是混凝土界面破壞，整體強度與現澆段相當。本次設計中濕接縫鋼筋采用搭接連接，在設計中將相鄰板梁間的濕接縫鋼筋錯開布置，彼此預留空間，現場吊裝好之后，相鄰板梁濕接縫鋼筋相互搭接，搭接長度按照常規設計處理，滿足現規范構造要求，現場接縫鋼筋不進行綁扎及焊接處理，支模后現場澆筑UHPC，大幅縮短施工時間。

3 上部結構連接分析

該橋上部結構采用先張法10m預應力混凝土剛接空心板梁，梁長L=9.96m，梁高H=0.55m，濕接縫尺寸為0.52m×0.18m。根據《先張法預應力混凝土空心板（橋梁）》通用圖規定，濕接縫處采用C50混凝土連接，因考慮時間要素，決定采用早強型UHPC快速施工應用技術，即連接材料采用早強型UHPC。

3.1 連接強度

國內有許多關于UHPC接縫構造受力性能分析的研究，石雪飛[2]等對小箱梁中UHPC縱向接縫的靜力試驗研究表明，采用與整澆構造尺寸相同的UHPC接縫，UHPC試件承載能力要優于整體現澆板，其抗彎承載力性能比整澆母材有所提高，在進行疲勞試驗后，構件的破壞階段的變形能力和極限承載力并未降低；鐘揚[3]等對UHPC濕接縫抗彎性能試驗研究也有類似的結論，UHPC濕接縫梁的抗彎能力不弱于整澆現澆梁，濕接縫配筋可提高整體抗彎承載力；另外根據其他工程項目信息，采用UHPC連接的小箱梁濕接縫已在寧波、上海等地區的項目中有所應用，本工程采用UHPC代替原C50混凝土接縫，其接縫強度可滿足設計要求。

3.2 橫向分布系數

在裝配式結構中，梁體間由接縫來橫向傳力，常規設計中會引入橫向分布系數進行板梁設計。根據《先張法預應力混凝土空心板（橋梁）》通用圖中相關說明，10m剛接板梁橫向分布系數在0.47左右，但通用圖設計計算是以C50混凝土作為濕接縫的連接材料，根據剛接梁法相關定義，翼緣板連接肋梁橋如采用整體式或者可靠濕接縫連接的結構，可按照剛接梁法受力模式進行計算，即結構之間和接縫間既傳遞剪力又傳遞彎矩。本項目中濕接縫材料是UHPC，其彈性模量約為45GPa，是常規C50混凝土彈性模型（34.5GPa）的1.3倍，其與空心板梁的連接要比普通混凝土緊密，為了驗證不同材料對橫向傳力的影響，本次采用Midas-civil有限元程序建立空心板梁梁格模型（見圖1），接縫間采用不同的材料模擬橫向聯系，通過加載移動荷載對比不同橫向濕接縫材料對橫向傳力的影響。

圖1 全橋有限元模型

梁格模型中按照實際尺寸模擬空心板梁，板梁懸臂部分建立虛擬縱梁用來模擬接縫位置，虛擬梁與主梁間采用主從約束連接，在接縫位置處按照不同材料分別建立虛擬橫梁，橫梁尺寸按照濕接縫實際厚度模擬，模型中不考慮UHPC應變強化特性[4]，僅按照理想彈性材料模型考慮，移動荷載按照城-A級進行加載。

對比不同濕接縫梁格模型與單梁模型在移動荷載作用下彎矩比值，根據計算結果：單梁模型其荷載彎矩為940.1kN·m，C50濕接縫梁格模型彎矩為267.1kN·m，UHPC濕接縫梁格模型彎矩為260.2kN·m，對比相關數據，C50濕接縫連接較UHPC接縫連接橫向荷載傳遞系數高2.65%，結合通用圖數據，采用UHPC連接的板梁其橫向分布系數要較通用圖中相關數據偏小，其系數約為0.45左右，這種連接情況下結構偏安全，可滿足設計要求。

4 采用早強型UHPC快速施工應用技術維修方案優勢分析

4.1 采用剛接空心板梁，節約換梁時間

原橋梁上部結構采用交通部小鉸縫空心板梁，本次維修將上部板梁替換為先張法剛接板梁，更換上部板梁及橋面系。板梁之間采用濕接縫方式連接，上部橋面系設防水層，瀝青混凝土鋪裝。

本方案上部結構采用先張法剛接空心板梁，10m板梁梁高0.55m，板梁寬1.25m，梁與梁之間采用濕接縫連接，接縫寬51.7cm，結構斷面見圖2所示。由于較寬的板梁及板梁間的濕接縫構造，總體上本次板梁數量較原空心板梁減少約40%左右，現場板梁吊裝可節約1/3的吊裝時間，縮短現場工期。

圖2 結構斷面示意圖

4.2 濕接縫采用UHPC連接

常規空心板鉸縫設計中，因空心板鉸縫空間狹窄，鋼筋構造復雜，鋼筋綁扎及焊接質量難以保證，另外混凝土澆筑過程中，同樣由于鉸縫空間小，其中鋼筋及混凝土中的粗骨料影響會導致鉸縫混凝土不密實，產生空洞及其他質量問題，空心板接縫會成為設計薄弱環節[5]，影響橋梁使用壽命。本次設計采用濕接縫構造形式，現場支模灌注UHPC方式進行板梁連接，不僅可解決結構受力問題，還能簡化施工工序，減少接縫間鋼筋綁扎焊接工序，大幅縮短施工周期。

4.3 橋梁結構及早成型，滿足通車條件

裝配式結構受制于連接材料，一般要等到混凝土材料強度達到設計強度才能進行下一步施工工序，而混凝土強度發展往往要十幾天，周期較長。本方案中，現澆段濕接縫材料采用早強型UHPC，其材料2h抗壓強度可達到30MPa，4h抗壓強度達40MPa，基本等同于常規普通混凝土28d的材料強度等級，可實現濕接縫及早形成強度，滿足下一階段施工要求。本橋濕接縫澆筑后，進行常規條件養護（現場灑水+覆蓋土工布+常溫養護），養護4h后滿足施工轉換交通條件，完成結構體系轉換。

5 施工流程

本次施工采用半幅封閉，半幅通車，在不中斷交通的條件下進行施工，具體施工流程為：

（1）進行交通圍擋，拆除和新建半幅橋梁（施工中個別施工工序有交叉）；先封閉左半幅（上行）車道一和半根車道二，封閉右半幅（下行）車道一，在封閉區域進行橋面系及舊板梁拆除，封閉區域內拆除完成后進行新板梁吊裝及濕接縫澆筑工作；

（2）濕接縫澆筑完成后進行交通轉換，重復上述步驟進行另半幅施工；

（3）橋面防水、瀝青攤鋪、伸縮縫施工；

（4）撤掉圍擋，開放交通。為了將施工影響降到最低，本次合理安排施工工序，從施工進場進行圍擋到施工結束，恢復交通，全程總用時不到60h，不僅實現了對老舊危橋的結構維護，將新材料、新技術應用于該橋，滿足其受力要求，而且較短時間完成橋梁搶修，對比較常規換梁維修，本次施工周期大幅縮短，大大減少了對高速公路交通的影響，為今后同類型搶修加固積累了經驗。

6 結束語

本項目借助早強型UHPC快速施工應用技術，得益于新材料新工藝的應用，較短時間內（60h內）完成施工換梁并開放交通，將施工對社會面影響降到最低。本次使用早強型UHPC材料，在施工4h后，材料抗壓強度達到40MPa，抗拉強度達到4.5MPa，材料與鋼筋錨固強度達到11MPa，滿足結構受力，對具備通車條件起到關鍵作用，對今后類似需要及早恢復開通的交通結構的應急搶險、維修加固等有一定參考價值。