城市橋梁工程新材料探究

田銳

（深圳華粵城市建設(shè)工程設(shè)計有限公司，廣東深圳 518100）

1 引言

城市橋梁是城市交通公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其建設(shè)往往受地下構(gòu)筑物（特別是綜合管廊與地鐵）、市政管線、用地規(guī)劃、周邊銜接與環(huán)境控制等諸多因素制約，嚴苛的客觀條件對城市橋梁建設(shè)技術(shù)水平提出了更高的現(xiàn)實要求。 基于此， 近年來越來越多的新技術(shù)材料逐步應(yīng)用于城市橋梁設(shè)計與建設(shè)過程中，包括高性能混凝土（HPC）、纖維增強聚合物類（FRP）、輕質(zhì)土等，給城市橋梁設(shè)計提供了更多的解決方案，進一步增強了橋梁設(shè)計的可實施性，將城市橋梁建設(shè)的美觀、實用、高效提升到一個嶄新的臺階。

2 新材料的特點和潛力

在橋梁工程領(lǐng)域，新材料具備高強度、高韌性、低密度等顯著特點，使得在特定的工程建設(shè)條件下，橋梁設(shè)計師能大膽實現(xiàn)更輕薄的結(jié)構(gòu)尺寸、更富有創(chuàng)意的結(jié)構(gòu)造型、更大橋梁跨徑的設(shè)計，為城市橋梁建設(shè)向著高質(zhì)量發(fā)展提供了重要支撐，并且發(fā)展?jié)摿薮?、影響深遠。 目前，城市橋梁中常用的新材料類型、優(yōu)點及應(yīng)用領(lǐng)域見表1。

表1 城市橋梁工程常用新材料的類型、優(yōu)點及應(yīng)用場景

在充分挖掘新材料優(yōu)點的同時，還應(yīng)注重其應(yīng)用領(lǐng)域。 重點把握不同建設(shè)條件下橋梁工程的重難點， 有側(cè)重點地使用新材料，深入探究和分析新材料的成本、可靠性及后期管養(yǎng)維護的可操作性，揚長避短，不斷激發(fā)、釋放新材料的優(yōu)勢潛力，管控新材料的經(jīng)濟合理性及安全性， 為橋梁建設(shè)提供更加先進、安全、可持續(xù)的解決方案。

3 基于新材料的城市橋梁創(chuàng)新設(shè)計思路

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)化

新材料優(yōu)異的力學(xué)結(jié)構(gòu)性能， 讓設(shè)計摒棄常規(guī)固有結(jié)構(gòu)選型并大膽嘗試更加輕盈、富有強烈藝術(shù)形態(tài)成為可能。 相較于傳統(tǒng)材料，新材料更易于加工成復(fù)雜形狀，為橋梁外形設(shè)計的創(chuàng)新和獨特性提供了落地性支撐。 此外，新材料還兼?zhèn)錁O佳的耐久性和耐腐蝕性，該性能拓寬了新結(jié)構(gòu)、新材料的應(yīng)用范圍，為橋梁結(jié)構(gòu)或形態(tài)優(yōu)化提供了可靠性保障。

3.2 材料的優(yōu)化選擇與組合

在橋梁設(shè)計中， 新材料的特性和性能差異使設(shè)計可以靈活選擇和組合不同材料。 例如，在實際工程中，選擇高強度材料用于承受大荷載的關(guān)鍵部位； 選擇耐腐蝕材料應(yīng)對海岸地區(qū)的腐蝕環(huán)境。 通過合理選擇和組合這些材料，可以充分發(fā)揮其特點，提高橋梁的整體性能。 同時加強材料的優(yōu)化選擇與組合和可持續(xù)性的關(guān)系。 在橋梁設(shè)計中，選擇能耗較低和對環(huán)境影響較小的可再生材料，并與傳統(tǒng)材料相結(jié)合，可以降低資源消耗和環(huán)境負荷，推動城市橋梁朝著可持續(xù)的方向發(fā)展。

4 橋梁工程新材料

4.1 高性能混凝土

在城市橋梁領(lǐng)域， 應(yīng)用較為廣泛的高性能混凝土尤以超高強韌性混凝土（USFRC）、超高韌性混凝土（STC）為代表。 以STC 為例， 該材料現(xiàn)已逐步大面積應(yīng)用于減小橋面板疲勞應(yīng)力和提高耐久性的鋼橋面正交異性板鋪裝層。 廣東省交通運輸廳于2015 年發(fā)布了GD JTG/T A01—2015 《超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，深圳市SJG 71—2020《橋梁工程設(shè)計標準》第5.2.2 節(jié)亦做出了明文推薦。

以深圳市某在建山地橋梁為例。道路起終點高差達47 m，且路線整體位于現(xiàn)狀生態(tài)林地范圍， 路線平面展線需嚴格控制在規(guī)劃線位范圍內(nèi)， 導(dǎo)致路線起點區(qū)段需布置縱坡達4.37%、曲率半徑僅49.0 m 的橋梁，同時，受工期限制，橋梁擬考慮采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

根據(jù)橋梁建設(shè)的前置條件， 為解決正交異性鋼橋面的耐久、耐疲勞問題，緩解大縱坡、小半徑車輛荷載的離心力、汽車制動力對于橋面鋪裝損傷影響， 結(jié)合廣東省及地方性標準的相關(guān)要求， 該項目橋梁鋪裝考慮并采用了超高韌性混凝土STC25 方案， 其各項力學(xué)性能均顯著高于常規(guī)普通C50 混凝土。 具體橋面鋪裝材料力學(xué)性能對比見表2。

表2 橋面鋪裝材料力學(xué)性能對比表

對于該類材料，廣中江高速龍溪互通A 匝道橋、深圳崗廈北鋼橋、 佛江高速FJ-S03 標H 匝道橋等一批中大型橋梁均已采用，并取得了較好的工程效益，其安全性、可靠性已經(jīng)通過檢驗。該新材料的應(yīng)用大幅提高了橋面剛度，有效改善了瀝青面層的受力狀態(tài)；良好的溫度穩(wěn)定性，在改善瀝青面層工作條件的狀況下，大幅度降低了黏結(jié)層失效、車轍、推移等破壞風(fēng)險[1]；不斷減小了鋼面板和加勁肋在輪載下的應(yīng)力， 更大幅提高了鋼橋面的抗疲勞壽命， 高密實性和良好的耐久性根本性地解決了鋼橋面板的防腐問題。 其在橋梁工程中的應(yīng)用效益發(fā)揮出了傳統(tǒng)的材料所無法達到的效果。對于鋼橋來說，采用該材料“一勞永逸、一舉多得”的解決方案，將會逐步引領(lǐng)橋梁鋪裝發(fā)展新趨勢。

4.2 纖維增強聚合物（FRP）

工程上常用的纖維增強聚合物材料包括玻璃纖維增強聚酯（GRP）、碳纖維增強聚合物（CFRP）、芳綸纖維增強聚合物（AFRP）等。目前，在橋梁工程中，尤以玻璃纖維、碳纖維增強聚合物應(yīng)用較為廣泛， 其中， 玻璃纖維增強聚合物一般用于常規(guī)鋼橋面鋪裝、高橋臺回填土工格柵中。 其作為加筋材料，具有良好的抗拉強度，能夠有效抵御填土體受力時產(chǎn)生的拉伸力，提高填土體的強度和穩(wěn)定性。 此外，玻璃纖維具有較好的柔韌性和抗震性能。

而碳纖維增強聚合物多用于橋梁加固工程中， 利用其高強度和高剛度優(yōu)點，將其貼在需要加固的結(jié)構(gòu)表面上，并使用專用黏合劑進行連接，可以有效避免結(jié)構(gòu)裂縫、變形問題，提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性的同時，延長橋梁使用壽命。

無論是玻璃纖維、碳纖維還是芳綸纖維增強聚合物，其作為一種復(fù)合新型材料，目前已在大跨度建筑、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、組合梁板、人行天橋等領(lǐng)域得到了前瞻性應(yīng)用，對于城市橋梁而言，其應(yīng)用相對簡單且成熟。但是，隨著FRP 結(jié)構(gòu)的相關(guān)基本理論和設(shè)計方法逐步成熟， 其材料優(yōu)勢將會進一步擴大至橋梁工程中的其他領(lǐng)域，也勢必在包括梁在內(nèi)的各構(gòu)件中逐步得到廣泛應(yīng)用。

4.3 輕質(zhì)土

工程領(lǐng)域，特別是橋梁工程中，輕質(zhì)土的應(yīng)用多以氣泡混合輕質(zhì)土為主， 其是將制備的氣泡群按一定的比例加入由水泥、水及可添加材料制成的漿料中，經(jīng)混合、攪拌、現(xiàn)澆成型的一種微孔類輕質(zhì)材料。 根據(jù)不同的工程需要，一般氣泡混合輕質(zhì)土的重度和強度可分別在3～15 kN/m3及0.3～10 MPa 范圍內(nèi)調(diào)整。 具體各回填材料主要性能詳見表3。

表3 氣泡混合輕質(zhì)土材料力學(xué)性能對比表

根據(jù)定義可知，輕質(zhì)土具備如下特點：（1）多孔、輕質(zhì)；（2）良好的流動性，可自流平；（3）構(gòu)筑成型后可實現(xiàn)自立（即側(cè)土壓力極小）；（4）材料重度和強度的可調(diào)節(jié)性；（5）流動屬性帶來的施工便捷性；（6）幾乎等同于混凝土材料的耐久性[2]。

同樣以深圳市某橋梁為例， 該項目橋梁整體線位與現(xiàn)狀地鐵車站平面重疊，因外部環(huán)境制約，橋臺處需進行最大高度達7.48 m 的臺背回填， 且回填范圍與現(xiàn)狀地鐵車站結(jié)構(gòu)重疊面積約910.54 m2。 橋臺填土與地鐵車站立面關(guān)系圖詳見圖1。

圖1 橋臺填土與地鐵車站立面關(guān)系圖

根據(jù)現(xiàn)狀地鐵安全運營保護區(qū)的相關(guān)規(guī)定， 新建工程對現(xiàn)狀地鐵建構(gòu)筑物的附加荷載不得大于5.0 kN/m2。 根據(jù)上述要求，按7.48 m 的最大填筑高度，回填材料最大重度不得大于0.66 kN/m3。 基于此，僅可考慮采用氣泡混合輕質(zhì)土。

為有效保證道路路面結(jié)構(gòu)的最低設(shè)計標準， 設(shè)計考慮采用部分挖除車站頂原有覆土， 換填氣泡混合輕質(zhì)土的實施方案。 按照附加荷載不大于5.0 kN/m2的總體設(shè)計原則，根據(jù)橋臺填土高度的變化， 設(shè)計沿道路縱向按臺階開挖方式換填現(xiàn)狀車站頂部分覆土。 其中， 氣泡混合輕質(zhì)土采用重度等級為W4、標準濕重為4.0 kN/m3的建設(shè)方案。 經(jīng)詳細核算并報地鐵安保審查，該方案已批準實施。

該氣泡混合輕質(zhì)土在橋梁建設(shè)環(huán)境嚴重受限、 外部附加荷載要求極其苛刻的情況下得以順利使用， 充分展現(xiàn)了其可以大幅降低填土荷載、減少地基的附加應(yīng)力的特點，同時還有效緩解了橋臺與臺背路基的剛性突變， 消除了填料自身的工后沉降問題[3]。 其施工自動流平密實，完全解決了臺背壓實難的問題，施工適應(yīng)性極強。 此外，制造輕質(zhì)土所需的能源和水資源都比傳統(tǒng)的建筑材料少很多， 兼顧生態(tài)環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展。 該材料將在橋梁建設(shè)中發(fā)揮越來越不可替代的作用。

5 結(jié)語

本文通過研究和分析， 深入探討了城市橋梁工程新材料的應(yīng)用潛力、發(fā)展前景及實際的應(yīng)用情況，梳理了新材料對于城市橋梁工程建設(shè)減輕橋梁自重、提高承載能力、延長使用壽命和減少維護成本等方面具有的優(yōu)勢， 并提出未來應(yīng)進一步加強探索新材料的性能和應(yīng)用、完善設(shè)計理論、改進施工技術(shù)和工藝，以不斷提升城市橋梁的質(zhì)量、安全性和可持續(xù)性。