（中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司， 湖北 武漢 430034）

0 前言

減輕自重是提升橋梁結(jié)構(gòu)性能的有效途徑。一般可通過減輕混凝土自重或者提高混凝土強度實現(xiàn)。超高性能混凝土（簡稱UHPC）的抗壓強度超過120MPa，抗拉強度超過7MPa，同時具有良好的耐久性。將其應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)會大大提升其跨越能力和耐久性能。因此，許多國家針對UHPC開展了研究工作，例如法國率先將UHPC商業(yè)化，并修建了世界首座UHPC路橋，加拿大修建了全球第一座UHPC人行橋，在亞洲，韓國在該領(lǐng)域走出了一條特色道路。2002年，韓國采用法國技術(shù)建造了一座人行橋（Seonyu橋）。為提升核心競爭力，同年韓國建筑技術(shù)研究所（KICT）開始對UHPC開展研究工作，取得了許多具有工程意義的成果，并成功建造了一座UHPC人行橋-Bridge-I，如圖1所示。

圖1 Bridge-I人行斜拉橋

從結(jié)構(gòu)性能上講，UHPC取代普通混凝土必將會降低橋梁上部結(jié)構(gòu)的重量，跨越能力將有明顯提升。對于大跨度橋梁，結(jié)構(gòu)輕型化將會使其設(shè)計理論、疲勞性能和動力性能等問題變得格外突出。

因此，本文將從UHPC斜拉橋的概念設(shè)計、接縫的疲勞性能和動力性能及振動控制三個方面介紹韓國UHPC橋梁的研究成果[1-3]。

1 UHPC斜拉橋概念設(shè)計研究

KICT對一座主跨為1088米的UHPC斜拉橋（Bridge-1088）進(jìn)行概念設(shè)計，將其與蘇通大橋比較，分析UHPC斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性[1]。

（1）主梁截面選取

主梁截面形式直接影響全橋的結(jié)構(gòu)性能。KICT的研究者對常用的板梁和箱梁對比，兩者的優(yōu)缺點見表1，可見板梁具有明顯優(yōu)勢，故選取板梁截面作為主梁截面。

表1 板梁和箱梁對比

（2）斜拉索的布置

常用的斜拉索布置形式有扇形和豎琴形。通常豎琴形需要更高的橋塔和更長的斜拉索，此外，扇形可比豎琴形節(jié)約10%的施工成本。因此，扇形布置形式更適用于UHPC斜拉橋。

（3）結(jié)構(gòu)體系

在荷載作用下，半漂浮體系的主梁在橋塔位置處下緣壓應(yīng)力不易控制。而漂浮體系在橋塔附近的主梁和斜拉索的振動響應(yīng)過大。在經(jīng)濟(jì)性方面兩者無明顯差距。由于主梁材料為UHPC，能夠有效抵抗壓應(yīng)力，同時半漂浮體系無需安裝減振設(shè)備。因此，選用半漂浮體系。

（4）經(jīng)濟(jì)性分析

KICT的研究者將Bridge-1088和蘇通大橋的材料數(shù)量對比[1]，Bridge-1088的材料用量僅為蘇通大橋的85.3%，表明UHPC斜拉橋具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

（5）概念設(shè)計

KICT的研究者對采用UHPC的斜拉橋進(jìn)行全面的概念設(shè)計研究，包括主梁截面、斜拉索布置、結(jié)構(gòu)體系及經(jīng)濟(jì)性等方面，證實UHPC橋梁具有良好經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

2 UHPC接縫的疲勞性能研究

UHPC接縫的疲勞性能直接影響主梁預(yù)制段間的連接可靠性。針對于此，KICT開展了接縫疲勞性能研究。基于實橋“Bridge-800”的設(shè)計圖紙，制作試驗?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行滾動疲勞試驗[2]。

（1）試驗過程

UHPC梁段由帶橫隔梁的橋面板和兩側(cè)邊梁組成。試件尺寸如圖2所示。

圖2 UHPC試件尺寸（單位：mm）

試件制作過程：安裝模板，澆筑UHPC并在90℃下養(yǎng)護(hù)。預(yù)制節(jié)段完成后，張拉橫隔板底部預(yù)應(yīng)力束，最后，連接兩節(jié)段間邊梁中的鋼筋，現(xiàn)澆濕接縫，并在70℃下蒸汽養(yǎng)護(hù)。

依次對試件的1/2點及1/4點進(jìn)行200萬次滾動疲勞試驗，考慮到韓國卡車輪載為96kN以及沖擊效應(yīng)，將試驗荷載定為24kN。為了評價試件的疲勞性能，每隔一定的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行一次靜載試驗，加載方案為：以8kN/min的速率從0kN加載至24kN，持續(xù)5min，然后以12kN/min的速率卸載至0kN。

本試驗采用位移計和裂紋計測量試件的響應(yīng)。測點布置如圖3所示。

圖3 測點布置圖

（2）試驗結(jié)果

1）1/2點滾動疲勞試驗

圖4 荷載-撓度曲線

經(jīng)歷2萬次加載后，在橋面板和濕接縫處未觀出現(xiàn)裂縫。初始狀態(tài)和200萬次后的荷載-位移曲線如圖4所示。經(jīng)歷200萬次循環(huán)后試件有輕微損傷，但在荷載-撓度曲線中沒有觀察到殘余變形。

圖5 接縫位移-循環(huán)次數(shù)關(guān)系

從圖5可看出，橋面板中心撓度范圍為0.7～0.9mm，兩端為0.3～0.4mm，表明荷載由加載點向周圍傳遞。加載點處橋面板的初始峰值位移為0.7mm，而200萬次后增至0.85mm，表明試件已經(jīng)出現(xiàn)輕微的損傷。

圖6 裂縫寬度-循環(huán)次數(shù)關(guān)系

圖6為裂紋計測量的峰值。表明裂縫寬度沒有隨著循環(huán)次數(shù)增加而增大。試件由于接縫處產(chǎn)生裂縫而導(dǎo)致連接性能的輕微降低，結(jié)合試件的振動幅度接近撓度限值20.875mm（韓國標(biāo)準(zhǔn)L/800）的情況，裂縫寬度僅為0.07mm，遠(yuǎn)小于限值0.2mm，因此試件具有足夠的可修復(fù)性。

2）1/4點滾動疲勞試驗

將加載位置從1/2點移動到1/4點，進(jìn)行200萬次滾動疲勞試驗。1/4點試驗規(guī)律與1/2點試驗類似。

（3）接縫疲勞性能

通過對設(shè)置接縫的UHPC試件進(jìn)行疲勞試驗來研究連接構(gòu)造的疲勞性能。依據(jù)實際荷載，在1/2點和1/4點處施加荷載，并進(jìn)行高達(dá)200萬次循環(huán)加載。試驗結(jié)果證明UHPC接縫能夠滿足使用要求[2]。

3 UHPC橋梁的動力特性及振動控制

KICT基于Bridge-I，對其進(jìn)行動力特性及振動控制研究[3]，驗證UHPC斜拉橋的實用性和可行性。

（1）Bridge-I概況

該橋由塔、板梁和斜拉索組成，3片板梁呈扇形，其中兩個方向的板梁分別連接KICT主樓和一座新建筑，該兩片板梁均為長18.5m的180MPa級UHPC梁，另一片板梁為長7.5m的普通混凝土梁。UHPC梁橫截面如圖7所示。

圖7 Bridge-I預(yù)制梁橫截面圖（單位：mm）

（2）UHPC人行斜拉橋的動力性能

建立Bridge-I的有限元模型，進(jìn)行動力特性分析，表明第一階陣型為豎直振動，其頻率為2.05Hz。

由于行人步行時，激勵頻率接近2Hz，極易引發(fā)人行橋共振，因此，需要采取減振措施。

（3）TMD設(shè)計與安裝

TMD質(zhì)量為人行橋第一階模態(tài)質(zhì)量的0.5%。即214.16×0.005=1.0708t。分別在UHPC主梁端部安裝2個TMD，總共4個。

（4）TMD減振效果

安裝TMD后，對人行橋進(jìn)行動載試驗，觀察安裝TMD后的效果，并記錄振動響應(yīng)。結(jié)果見表2。

表2 豎向振動加速度（建筑物2方向懸臂段）

可見，未安裝TMD時，主梁的最大加速度達(dá)到0.186g，超過人行橋的限值0.1g。安裝TMD后，加速度降到0.1g以下，證明TMD具有良好的減振效果。此外，TMD可有效縮短振動時長。

（5）動力特性及振動控制

根據(jù)理論分析和振動試驗，表明在人行荷載激勵下，Bridge-I易發(fā)生共振現(xiàn)象，需要安裝TMD進(jìn)行振動控制。TMD性能驗證試驗表明，在安裝TMD之后人行橋的最大加速度由0.186g降低到0.095g，降低幅度超過49%，滿足韓國規(guī)定的限值0.1g[3]。

4 結(jié)語

本文從UHPC斜拉橋的概念設(shè)計、接縫的疲勞性能和動力特性及振動控制三個方面介紹韓國UHPC橋梁的研究成果。證明UHPC橋梁具有造價低、抗疲勞性能好、振動易于控制的特點。因此UHPC在橋梁領(lǐng)域具有巨大潛力。

[1]Yoon H, Chin W J, Kim H S, et al. Conceptual Design of Hybrid Cable-Stayed Bridge with Central Span of 1000 m Using UHPC[J]. Engineering, 2013, 05(9):744-750.

[2]Cho J R, Kim Y J, Park J S, et al. Rolling Fatigue Test of Large-Sized UHPC Member for Cable Stayed Bridge[J]. Engineering, 2012, 04(10):646-654.

[3]Kim Y J, Chin W J, Choi E S, et al. A study on the vibration control of an ultra-high performance concrete pedestrian cable stayed bridge[J]. High Performance Structures & Materials V, 2010:309-318.