羅 鵬

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

現(xiàn)代生活中，便捷通暢的交通對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響比重越來(lái)越大，交通線(xiàn)是保證經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)行的重要部分。但目前國(guó)內(nèi)交通線(xiàn)存在交通量大，超載現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題，使路線(xiàn)壓力很大，特別是一些重要交通線(xiàn)長(zhǎng)期處于大荷載、高頻次運(yùn)行，橋梁結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，但又不能長(zhǎng)時(shí)間中斷交通進(jìn)行修復(fù)，否則對(duì)社會(huì)各行各業(yè)影響較大，這給橋梁設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等各環(huán)節(jié)提出了新的要求，既要保證路線(xiàn)安全通暢，又要兼顧社會(huì)影響，尋求一種能快速修復(fù)或者快速施工的設(shè)計(jì)方案迫在眉睫。UHPC（即超高性能混凝土）強(qiáng)度高，耐久性好，結(jié)構(gòu)特性與常規(guī)混凝土類(lèi)似，其早強(qiáng)型產(chǎn)品混凝土抗壓強(qiáng)度（4h）可達(dá)40MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)4.5MPa，等同于常規(guī)混凝土28d的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，應(yīng)用在裝配式橋梁的連接件上快速修復(fù)或者快速施工，可使橋梁快速組網(wǎng)通車(chē)。本文以華東地區(qū)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(qiáng)型UHPC快速施工應(yīng)用技術(shù)。

1 工程概況

華東地區(qū)高速路上一座既有橋梁原設(shè)計(jì)為三跨3m×10m小鉸縫空心板梁，橋梁分為左右兩幅，左右幅橋?qū)?2.5m，因運(yùn)行時(shí)間久，板梁上部結(jié)構(gòu)有不同程度損壞，板梁鉸縫破損，橋面出現(xiàn)裂縫，下?lián)蠂?yán)重。因擔(dān)心后期出現(xiàn)單板受力，危害結(jié)構(gòu)安全，本項(xiàng)目對(duì)該橋進(jìn)行維修加固。

具體維修設(shè)計(jì)方案為拆除原橋梁上部板梁、橋面系等附屬結(jié)構(gòu)。橋墩、橋臺(tái)等下部結(jié)構(gòu)經(jīng)前期檢查，無(wú)重大病害，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可繼續(xù)使用，本次加固維持現(xiàn)狀。上部結(jié)構(gòu)拆除后更換新板梁，重新施工橋面系及附屬結(jié)構(gòu)。

本方案不僅要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求，同時(shí)還要兼顧現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)時(shí)間，盡可能壓縮施工周期，將施工影響降到最低，盡早通車(chē)。經(jīng)多方比較，決定選用早強(qiáng)型UHPC快速施工應(yīng)用技術(shù)實(shí)施維修。

2 早強(qiáng)型UHPC連接材料的性能參數(shù)

UHPC是一種水泥基復(fù)合材料，基于最大密度堆積原理，不同于傳統(tǒng)的高強(qiáng)混凝土和鋼纖維混凝土，具備超高強(qiáng)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(jié)構(gòu)工程材料。早強(qiáng)型UHPC是快速施工應(yīng)用技術(shù)的核心，該項(xiàng)目使用的早強(qiáng)型UHPC材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 早強(qiáng)型UHPC材料參數(shù)指標(biāo)

UHPC材料[1]因較為致密，水膠比低，其與混凝土的粘結(jié)及鋼筋的握裹力都較常規(guī)混凝土強(qiáng)，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該材料與混凝土的法向粘結(jié)強(qiáng)度約為3MPa，如果再考慮普通鋼筋的拉拔貢獻(xiàn)，其粘結(jié)強(qiáng)度更高，按照常規(guī)濕接縫配筋進(jìn)行估算，UHPC與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)4MPa左右，結(jié)合該工程特點(diǎn)，如果出現(xiàn)界面受拉破壞的情況，可保證破壞發(fā)生在原混凝土機(jī)體內(nèi)，而不是新老混凝土交界面，不會(huì)出現(xiàn)界面脫開(kāi)而影響結(jié)構(gòu)受力及耐久性問(wèn)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(wú)粗骨料，其流動(dòng)性較好，一般擴(kuò)展度可達(dá)550～700mm，可以作為灌漿料使用，因此對(duì)于本工程濕接縫結(jié)構(gòu)，UHPC能較方便、快捷、穩(wěn)妥地實(shí)現(xiàn)接縫間的連接。

因UHPC強(qiáng)度高，施工性能好，材料特性與普通混凝土類(lèi)似，采用UHPC作為濕接縫連接材料有下列優(yōu)勢(shì)：UHPC強(qiáng)度高，其與鋼筋握裹力較強(qiáng)，根據(jù)前期研究成果，設(shè)計(jì)中只要鋼筋間滿(mǎn)足搭接長(zhǎng)度≥10D（D為鋼筋直徑），即可實(shí)現(xiàn)與常規(guī)鋼筋焊接的連接效果，滿(mǎn)足鋼筋拉拔為緊縮破壞而不是混凝土界面破壞，整體強(qiáng)度與現(xiàn)澆段相當(dāng)。本次設(shè)計(jì)中濕接縫鋼筋采用搭接連接，在設(shè)計(jì)中將相鄰板梁間的濕接縫鋼筋錯(cuò)開(kāi)布置，彼此預(yù)留空間，現(xiàn)場(chǎng)吊裝好之后，相鄰板梁濕接縫鋼筋相互搭接，搭接長(zhǎng)度按照常規(guī)設(shè)計(jì)處理，滿(mǎn)足現(xiàn)規(guī)范構(gòu)造要求，現(xiàn)場(chǎng)接縫鋼筋不進(jìn)行綁扎及焊接處理，支模后現(xiàn)場(chǎng)澆筑UHPC，大幅縮短施工時(shí)間。

3 上部結(jié)構(gòu)連接分析

該橋上部結(jié)構(gòu)采用先張法10m預(yù)應(yīng)力混凝土剛接空心板梁，梁長(zhǎng)L=9.96m，梁高H=0.55m，濕接縫尺寸為0.52m×0.18m。根據(jù)《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板（橋梁）》通用圖規(guī)定，濕接縫處采用C50混凝土連接，因考慮時(shí)間要素，決定采用早強(qiáng)型UHPC快速施工應(yīng)用技術(shù)，即連接材料采用早強(qiáng)型UHPC。

3.1 連接強(qiáng)度

國(guó)內(nèi)有許多關(guān)于UHPC接縫構(gòu)造受力性能分析的研究，石雪飛[2]等對(duì)小箱梁中UHPC縱向接縫的靜力試驗(yàn)研究表明，采用與整澆構(gòu)造尺寸相同的UHPC接縫，UHPC試件承載能力要優(yōu)于整體現(xiàn)澆板，其抗彎承載力性能比整澆母材有所提高，在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)后，構(gòu)件的破壞階段的變形能力和極限承載力并未降低；鐘揚(yáng)[3]等對(duì)UHPC濕接縫抗彎性能試驗(yàn)研究也有類(lèi)似的結(jié)論，UHPC濕接縫梁的抗彎能力不弱于整澆現(xiàn)澆梁，濕接縫配筋可提高整體抗彎承載力；另外根據(jù)其他工程項(xiàng)目信息，采用UHPC連接的小箱梁濕接縫已在寧波、上海等地區(qū)的項(xiàng)目中有所應(yīng)用，本工程采用UHPC代替原C50混凝土接縫，其接縫強(qiáng)度可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 橫向分布系數(shù)

在裝配式結(jié)構(gòu)中，梁體間由接縫來(lái)橫向傳力，常規(guī)設(shè)計(jì)中會(huì)引入橫向分布系數(shù)進(jìn)行板梁設(shè)計(jì)。根據(jù)《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板（橋梁）》通用圖中相關(guān)說(shuō)明，10m剛接板梁橫向分布系數(shù)在0.47左右，但通用圖設(shè)計(jì)計(jì)算是以C50混凝土作為濕接縫的連接材料，根據(jù)剛接梁法相關(guān)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(jié)構(gòu)，可按照剛接梁法受力模式進(jìn)行計(jì)算，即結(jié)構(gòu)之間和接縫間既傳遞剪力又傳遞彎矩。本項(xiàng)目中濕接縫材料是UHPC，其彈性模量約為45GPa，是常規(guī)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(yàn)證不同材料對(duì)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(jiàn)圖1），接縫間采用不同的材料模擬橫向聯(lián)系，通過(guò)加載移動(dòng)荷載對(duì)比不同橫向濕接縫材料對(duì)橫向傳力的影響。

圖1 全橋有限元模型

梁格模型中按照實(shí)際尺寸模擬空心板梁，板梁懸臂部分建立虛擬縱梁用來(lái)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(shí)際厚度模擬，模型中不考慮UHPC應(yīng)變強(qiáng)化特性[4]，僅按照理想彈性材料模型考慮，移動(dòng)荷載按照城-A級(jí)進(jìn)行加載。

對(duì)比不同濕接縫梁格模型與單梁模型在移動(dòng)荷載作用下彎矩比值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果：?jiǎn)瘟耗Ｐ推浜奢d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(duì)比相關(guān)數(shù)據(jù)，C50濕接縫連接較UHPC接縫連接橫向荷載傳遞系數(shù)高2.65%，結(jié)合通用圖數(shù)據(jù)，采用UHPC連接的板梁其橫向分布系數(shù)要較通用圖中相關(guān)數(shù)據(jù)偏小，其系數(shù)約為0.45左右，這種連接情況下結(jié)構(gòu)偏安全，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 采用早強(qiáng)型UHPC快速施工應(yīng)用技術(shù)維修方案優(yōu)勢(shì)分析

4.1 采用剛接空心板梁，節(jié)約換梁時(shí)間

原橋梁上部結(jié)構(gòu)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(shè)防水層，瀝青混凝土鋪裝。

本方案上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖2所示。由于較寬的板梁及板梁間的濕接縫構(gòu)造，總體上本次板梁數(shù)量較原空心板梁減少約40%左右，現(xiàn)場(chǎng)板梁吊裝可節(jié)約1/3的吊裝時(shí)間，縮短現(xiàn)場(chǎng)工期。

圖2 結(jié)構(gòu)斷面示意圖

4.2 濕接縫采用UHPC連接

常規(guī)空心板鉸縫設(shè)計(jì)中，因空心板鉸縫空間狹窄，鋼筋構(gòu)造復(fù)雜，鋼筋綁扎及焊接質(zhì)量難以保證，另外混凝土澆筑過(guò)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(huì)導(dǎo)致鉸縫混凝土不密實(shí)，產(chǎn)生空洞及其他質(zhì)量問(wèn)題，空心板接縫會(huì)成為設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)[5]，影響橋梁使用壽命。本次設(shè)計(jì)采用濕接縫構(gòu)造形式，現(xiàn)場(chǎng)支模灌注UHPC方式進(jìn)行板梁連接，不僅可解決結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題，還能簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)及早成型，滿(mǎn)足通車(chē)條件

裝配式結(jié)構(gòu)受制于連接材料，一般要等到混凝土材料強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度才能進(jìn)行下一步施工工序，而混凝土強(qiáng)度發(fā)展往往要十幾天，周期較長(zhǎng)。本方案中，現(xiàn)澆段濕接縫材料采用早強(qiáng)型UHPC，其材料2h抗壓強(qiáng)度可達(dá)到30MPa，4h抗壓強(qiáng)度達(dá)40MPa，基本等同于常規(guī)普通混凝土28d的材料強(qiáng)度等級(jí)，可實(shí)現(xiàn)濕接縫及早形成強(qiáng)度，滿(mǎn)足下一階段施工要求。本橋濕接縫澆筑后，進(jìn)行常規(guī)條件養(yǎng)護(hù)（現(xiàn)場(chǎng)灑水+覆蓋土工布+常溫養(yǎng)護(hù)），養(yǎng)護(hù)4h后滿(mǎn)足施工轉(zhuǎn)換交通條件，完成結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。

5 施工流程

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

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

（2）濕接縫澆筑完成后進(jìn)行交通轉(zhuǎn)換，重復(fù)上述步驟進(jìn)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(kāi)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(jìn)場(chǎng)進(jìn)行圍擋到施工結(jié)束，恢復(fù)交通，全程總用時(shí)不到60h，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)老舊危橋的結(jié)構(gòu)維護(hù)，將新材料、新技術(shù)應(yīng)用于該橋，滿(mǎn)足其受力要求，而且較短時(shí)間完成橋梁搶修，對(duì)比較常規(guī)換梁維修，本次施工周期大幅縮短，大大減少了對(duì)高速公路交通的影響，為今后同類(lèi)型搶修加固積累了經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目借助早強(qiáng)型UHPC快速施工應(yīng)用技術(shù)，得益于新材料新工藝的應(yīng)用，較短時(shí)間內(nèi)（60h內(nèi)）完成施工換梁并開(kāi)放交通，將施工對(duì)社會(huì)面影響降到最低。本次使用早強(qiáng)型UHPC材料，在施工4h后，材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到40MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到4.5MPa，材料與鋼筋錨固強(qiáng)度達(dá)到11MPa，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力，對(duì)具備通車(chē)條件起到關(guān)鍵作用，對(duì)今后類(lèi)似需要及早恢復(fù)開(kāi)通的交通結(jié)構(gòu)的應(yīng)急搶險(xiǎn)、維修加固等有一定參考價(jià)值。