UHPC桥梁研究进展与规模化应用技术路径分析

工程材料的革新是推动土木工程结构发展的重要驱动力,工程结构的发展又将促进工程材料不断突破。超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete, UHPC)是一种具备超高强度、高韧、高耐久、高抗爆等优异性能的新型超级混凝土,能较好地适应下一代桥梁工程大跨化、轻型化、高性能化的发展趋势。为促进UHPC在桥梁工程领域的研究与应用,系统梳理了近年来UHPC桥梁学术研究现状、热点前沿、存在问题、具体对策及发展前景。首先总结了UHPC材料研究进展,包括材料组成、基本力学特性与桥梁用UHPC发展历程。然后对UHPC结构设计理论研究进行了梳理总结,包括考虑纤维贡献的UHPC结构受弯受剪计算理论、UHPC结构抗冲击、抗爆与疲劳计算方法等,并重点介绍了无腹筋UHPC桥梁、钢-UHPC组合桥梁、UHPC用于桥梁抗震、UHPC桥面铺装、UHPC用于桥梁加固等结构体系创新研究进展。基于以上UHPC研究与工程应用现状,指出了UHPC在桥梁工程领域规模化应用面临的关键问题、主要挑战及实现技术路径,以期对UHPC在桥梁工程领域的学术研究和规模化应用提供新的视角和参考。     

UHPC力学性能的多指标分级

材料性能分级是结构设计方法建立的基础性工作。为探究超高性能混凝土（UHPC）合理的材料性能分级方法,以钢纤维掺量为主要参数,开展了3组试验,分别是抗压强度相同的UHPC单轴拉伸（直拉）强度测试、UHPC的抗拉性能（含初裂强度、抗拉强度与峰值拉应变）测试和UHPC劈裂、抗折和直拉强度的对比试验。试验结果表明：UHPC抗拉强度与抗压强度不存在简单的线性对应关系,UHPC性能分级不能仅采用抗压强度这一单一指标,而应同时考虑抗压与抗拉性能;随纤维掺量的增加,UHPC初裂强度、抗拉强度与峰值拉应变的增强幅度并不相同,UHPC抗拉性能分级时,不应只考虑抗拉强度,而应同时考虑3项性能指标;劈裂强度、抗折强度与直拉强度间不存在简单的线性换算关系,抗拉强度应直接采用直拉试验测试。在试验研究的基础上,提出考虑纤维增强作用的UHPC力学性能多指标分级方法。根据大量文献数据的统计分析结果和工程应用情况,建议了UHPC力学性能的具体分级和相应的指标值。     

钢纤维特性对无配筋UHPC矩形梁抗扭性能的影响

钢纤维能明显提升超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)的抗拉强度与韧性,对UHPC构件的扭转行为有显著影响。为深入研究钢纤维特性对UHPC矩形梁抗扭性能的影响规律,以钢纤维体积掺量、类型、尺寸以及混杂效应等为变化参数,完成了8根UHPC矩形梁(含1根未掺钢纤维的对比梁)的纯扭试验;获得了各试件的纯扭破坏形态、扭矩-扭率曲线、扭矩-应变曲线、裂缝形态等关键数据。结果表明：对比梁为脆性破坏,纤维增强UHPC梁的破坏则是有征兆的;纤维增强UHPC梁的开裂和极限扭矩均明显大于对比梁,最大提升幅度分别达79%和159%;增加钢纤维体积掺量能提高开裂和极限扭矩,且斜裂缝数量更多、宽度更小;掺端钩纤维试件的抗扭承载能力和延性均优于掺圆直纤维试件;钢纤维长径比越大,试件的裂缝分布越密集,极限扭率越大,延性越好;2根混掺纤维试件的开裂和极限扭矩均大于单掺试件,正混杂效应明显;钢纤维类型和尺寸均会影响试件的裂后承载能力,掺长径比65的圆直钢纤维在开裂后迅速达到极限状态,极限与开裂扭矩之比为1.07～1.18,长径比为100时对应的比值为1.46,而掺端钩纤维则为1.34,介于两者之间。最后,提出了UHPC矩形梁开裂和极限扭矩计算公式;并对30根UHPC矩形梁进行了验证,结果表明计算公式精度良好。     

钢纤维掺量及规格对桥梁用超高性能混凝土性能影响的研究

为了探究钢纤维掺量及规格对桥梁用超高性能混凝土施工性能和力学性能的影响,通过设置不同钢纤维掺量(0％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％)和长径比(65、80、90、100)进行对照试验,分别得到试件的扩展度、抗压强度、抗折强度.试验结果表明:当钢纤维长径比为65时,随着掺量的增加,超高性能...     

UHPC加固受损混凝土斜拉桥主梁模型试验

基于超高性能混凝土(UHPC)的优异性能及其在混凝土结构抗弯加固中的应用成果,提出了采用配筋UHPC加固受损混凝土斜拉桥主梁的方法,由此开展了UHPC加固受损严重主梁的混凝土斜拉桥节段模型试验研究,以探究主梁加固后斜拉桥体系的受力性能。试验结果表明：UHPC加固混凝土斜拉桥主梁施工方式整体协同工作性能良好,UHPC层与原混凝土间未发生脱黏破坏;UHPC加固后,主梁开裂荷载较原未损伤主梁提升了79.9%,且UHPC层裂缝呈现数量多、间隙小及宽度细的特征,并可有效抑制原主梁裂缝发展,说明受拉UHPC层显著提高了加固后主梁的抗裂性能;不同主梁裂缝宽度工况荷载作用下,斜拉桥体系变形恢复较好,残余变形很小,且当主梁出现严重损伤时,该体系仍具有很好的受力性能;UHPC加固后,主梁的抗弯强度有一定程度提高,但不控制斜拉桥体系的极限承载力,主梁破坏时斜拉索应力为其极限强度的70.2%,斜拉索仍然具有一定承载力富余;UHPC加固后,主梁严重受损的斜拉桥体系刚度得到有效提升,主梁开裂前体系刚度较未损伤原主梁及灌浆加固后主梁分别提升了11.3%和29.5%;采用UHPC对混凝土斜拉桥主梁进行抗弯加固具有较大...     

无黏结预应力UHPC梁弯曲性能试验研究

为研究无黏结预应力UHPC梁的弯曲力学行为,探究UHPC桥梁结构的合理应用形式,通过一片大尺寸矩形梁的弯曲试验,获得了预压力作用下UHPC梁弯曲的破坏模式、裂缝分布及发展等结果。结果表明,无黏结预应力UHPC梁最终因水平裂缝开展引发骤然卸载而失效,试验荷载远低于按正截面破坏计算的理论值;弯矩导致的竖向裂缝数量少、间距大,UHPC拉伸性能未得到充分利用。     

大跨UHPC箱形拱桥试设计研究

该文测定了配制的UHPC(超高性能混凝土)的基本材料参数,以建成的210 m跨径的普通钢筋混凝土箱形拱桥为例,通过原主拱圈箱形截面顶底板、腹板厚度的折减,对UHPC箱形截面进行了试设计,并开展有限元分析验证设计的合理性。结果表明:综合考虑截面应力储备、自振特性、刚度、稳定性的情况下,UHPC箱形拱桥设计时顶底板、腹板厚度可取同类型C55箱形拱桥的1/3。     

UHPC直剪性能试验与直剪承载力计算方法

针对超高性能混凝土（UHPC）直剪性能研究较为缺乏的现状,开展24个“Z”形UHPC整体浇筑试件和24个“Z”形UHPC平接缝试件（用高压水凿毛先浇界面）的直剪试验,以得到钢纤维特性以及浇筑方式对UHPC （直剪）初裂强度、峰值强度、破坏模式以及直剪承载力的影响;并基于试验结果及UHPC细观本构模型开展了UHPC直剪承载力的理论分析研究。结果表明：无纤维UHPC整体试件和钢纤维掺量未超过3.0%的平接缝试件直剪破坏模式均为脆性破坏,纤维掺量达到2.5%的整体试件具备剪切延性破坏的特征;纤维掺量达到2.5%的平接缝试件界面处新老UHPC结合紧密;整体界面和平接缝界面直剪的初裂强度与峰值强度均随纤维掺量增加而显著增加,且峰值强度随纤维掺量几乎呈线性变化;纤维形状与长径比对整体界面初裂强度和峰值强度的影响不大,对平接缝界面则长纤维优于短纤维,异形纤维优于平直形纤维;整体界面和平接缝界面直剪的峰裂比（峰值强度与初裂强度之比）为103.5%~166.7%,整体界面峰裂比均显著大于纤维掺量相同的平接缝界面,2种界面的峰裂比均随钢纤维掺量增加而增加。建立了平接缝界面与整体界面直剪峰值强度之比η（简称直剪强度比）与纤维特征参数λ_f之间的高精度拟合公式。此外,还分别提出了高精度的UHPC整体界面和平接缝界面的直剪承载力计算公式。     

路面施工中钢纤维混凝土的应用

指出钢纤维混凝土相比普通混凝土应用于公路桥梁面层所具有的优点,提出施工中应注意的事项,并对钢纤维混凝土用于旧路修补、加固及桥面铺装进行了分析。     

高速公路钢纤维混凝土试验路面中钢纤维分布规律的研究

从云南省曲靖～陆良高速公路微扭剪切型钢纤维增强混凝土试验路面中纤维分布的实际情况出发，应用计算机图像技术，编制钢纤维分布细观几何参数的计算机测试系统，研究了钢纤维分布的细观几何参数，分析了钢纤维混凝土路面中钢纤维的分布规律。依据随机数学和体视学原理，建立了钢纤维分布随机过程的数学模型，研究了钢纤维的动态转移过程。研究结果表明，剪切型钢纤维混凝土试验路面中钢纤维细观几何参数具有负偏斜的正态分布规律，文中所建立的钢纤维分布数学模型能较好地描述钢纤维在混凝土基体中的分布情况。     

钢纤维特性对UHPC轴拉性能与弯拉性能的影响及对比研究

为定量地研究钢纤维特征参数对超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）受拉性能的影响规律,现对同一纤维体积掺量（2%）下不同纤维长径比（59~100）、不同纤维类型（端钩型与平直型）及无钢纤维的UHPC试件分别开展了轴拉试验与四点弯拉试验。通过选取拉伸全曲线上的初裂点、峰值点及其他几个特征点,定量地分析了UHPC拉伸过程中的轴拉性能与弯拉性能,并对2种拉伸试验下的初裂强度与峰值强度进行了对比与分析,最后利用ABAQUS软件对2种拉伸全曲线进行了有限元倒推分析。研究结果表明：①随着一定范围内的纤维长径比的增加,与轴拉试验相比,UHPC试件的拉伸强度和拉伸韧性在弯拉试验中提升得更明显;②无论是端钩型还是平直型纤维试件,轴拉应变达到3 000×10^-6时的应力均高于7 MPa,且大弯拉变形状态下的强度均仍为弯拉初裂强度的1.17~2.43倍;③有无钢纤维对UHPC轴拉性能与弯拉性能均具有不同程度的裂后增强效果,其中后者优于前者;④在UHPC结构设计中可用考虑尺寸效应修正后的弯拉初裂强度来估算轴拉初裂强度,且扣除纤维取向的影响后,基于ABAQUS有限元软件倒推输入的三折线轴拉本构与实测的轴拉本构基本相符。     

超高性能混凝土在大跨度铁路桥梁钢桥面铺装中的应用

铁路桥钢桥面铺装主要作用是保护钢桥面免受道砟的磨损与雨水的侵蚀,为提高铁路钢桥面铺装的使用寿命,减少中期维修,对铁路钢桥面超高性能混凝土(UHPC)组合桥面铺装体系进行研究。以沪通长江大桥主航道桥为背景工程,制作带UHPC铺装层的正交异性钢桥面板单U肋梁模型进行抗水渗性能试验,并结合实桥进行UHPC组合桥面铺装体系设计和施工工艺研究。结果表明:UHPC组合桥面体系在无裂缝时抗渗性能满足使用要求,可有效保护钢板免受雨水侵蚀,带裂缝的组合桥面,运营过程中裂缝会逐渐闭合,阻止雨水进一步渗透,具有较强的抗渗能力储备;为避免新浇混凝土开裂,UHPC应严格按规范流程施工,施工温度宜选择15~25℃,浇筑后应及时覆膜保湿养护。     

不同配箍率和钢纤维掺量UHPC柱抗震性能试验

为明确超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）柱中配箍率和钢纤维掺量对抗震性能的影响,对不同配箍率（0%、0.25%和0.5%）与钢纤维体积掺量（0%、1%和2%）的5根超高性能混凝土足尺柱试件进行了抗震性能试验研究,分析了配箍率和钢纤维掺量对超高性能混凝土柱耗能能力、自复位能力、强度退化性能、刚度退化性能以及弯矩曲率关系的影响规律。基于对超高性能混凝土柱构件性能、箍筋应变以及等效侧向约束力的分析,提出钢纤维体积掺量与配箍率的等效计算公式。研究结果表明：①配箍率对正截面破坏超高性能混凝土柱的延性、耗能能力以及自复位能力均有影响,当配箍率从0%提高到0.5%时,柱试件的延性系数提高15%,耗能能力提高55%,自复位能力提高32%;②钢纤维体积掺量对超高性能混凝土柱破坏形态的影响显著,随着钢纤维体积掺量的增加,混凝土的压碎剥落现象得到明显改善,延缓了受压钢筋屈曲现象的发生,从而提高了柱的延性,当钢纤维体积掺量从0%提高到2%时,柱试件的延性系数提高45%,耗能能力提高142%,自复位能力提高42%;③对于正截面破坏的受压构件而言,采用钢纤维代替箍筋具有一定的可行性。对于所研究的超高性能混凝土柱而言,2%的钢纤维体积掺量可等效于0.51%的配箍率。     

钢纤维沥青混凝土面层的应用研究

在沥青混合料中加入钢纤维,以提高沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性。通过室内外试验研究其路用性能。从1992年8月铺筑试验路,到2002年12月最后一次观测,经过长达10年的验证,取得了预期的效果。     

基于UHPC预制结构的BRT站台铺装层快速维修技术

为有效延长城市快速公交系统（BRT）站台铺装层的使用寿命并提升正交异性钢桥面板的抗疲劳性能,同时满足不中断交通的需求,提出了“正交异性钢桥面板+短剪力钉+预制超高性能混凝土（UHPC）板+TPO（薄层环氧抗滑铺装材料）”的复合桥面结构及装配化施工工艺。以成都二环线高架桥BRT站台为工程背景,设计了BRT站台铺装层快速维修方案,通过有限元分析确定了最优方案,并开展了BRT站台钢桥面维修改造试验段的实施。有限元分析结果表明：10 mmUHPC灌浆料+50 mm预制UHPC板+10 mmTPO为最佳方案,维修方案的剪力钉受力性能、UHPC抗裂性能均满足结构受力需求,且具有较大的安全储备,改造后正交异性钢桥面板常见疲劳敏感细节的疲劳性能显著提升。结合试验段实施提出了涵盖UHPC板预制、原铺装层处理、预制UHPC板安装和磨耗层与沥青接缝施工4个流程的城市BRT站台铺装层维修施工工艺,为同类型公交站台铺装层维护提供了理论和技术支撑。     

目录

为深化对钢管混凝土桥塔的认识,推动钢管混凝土结构在缆索承重桥梁桥塔中的应用,首先对钢管混凝土桥塔的工程应用情况及其一般构造进行了梳理,讨论了目前钢管混凝土桥塔设计中存在的主要问题,从构造简单、施工高效的角度对现有钢管混凝土桥塔构造进行了优化。而后对钢管混凝土桥塔钢壁板的局部屈曲性能及塔柱的力学性能研究进展进行了评述,并给出了推荐的设计方法。最后通过与传统钢筋混凝土桥塔和钢桥塔的对比,分析了钢管混凝土桥塔的技术特点和经济性。结果表明:由于对钢与混凝土共同承载机理认识不够深入、受混凝土单侧约束钢板的局部屈曲理论研究相对薄弱、钢混界面传力性能不明确等问题,导致目前钢管混凝土桥塔的构造过于复杂,施工高效性较差;构造优化后的PBL加劲型钢管混凝土桥塔的加劲构造、钢混连接构造更加简洁,钢壁板对混凝土的约束效应更强,无需配筋设计,能够节约用钢量、简化钢结构制造流程及现场安装工序,提高桥塔的工业化制造及装配化施工水平;考虑局部屈曲影响的加劲钢壁板构造设计方法和钢管混凝土桥塔承载力计算方法更加安全、合理;钢管混凝土桥塔具有设计灵活性、施工高效性和承灾高韧性,建设成本及养护成本远低于钢桥塔,在经济性上与传统钢筋混凝土桥塔可展开竞争,具有广阔的应用前景。     

钢纤维对超高性能混凝土施工及力学性能的影响研究

为探讨不同钢纤维掺量、长径比及形状对超高性能混凝土的施工及力学性能的影响,首先通过室内试验设计并制备了10组不同钢纤维的超高性能混凝土试件,然后分别对各试件依次进行扩展度、抗压强度及抗折强度测试,得出以下结论:① 随着钢纤维掺量的增大,超高性能混凝土的扩展度逐渐减小,抗压强度则逐渐增大,而抗折强度呈先增后减变化;② 随...     

钢纤维混凝土桥面抗裂性能及设计和施工技术

基于混凝土断裂力学的基本理论,通过分析钢纤维的阻裂作用和增强效果,对钢纤维混凝土的抗裂度和裂缝宽度的计算模式进行探讨,提出了相应的公式。通过对已建钢纤维混凝土桥面长期使用性状的分析,对钢纤维混凝土桥面设计中的钢纤维类型、用量、剪力筋的设置及施工工艺等提出了具体要求。通过力学性能和使用性能综合比较,铣削型钢纤维是最佳选择;钢纤维用量的体积比宜为0.6%~1.0%;施工时选择适宜的水灰比和振捣器具。     

钢-UHPC组合桥面板湿接缝界面处理方式

针对钢-UHPC （Ultra-high Performance Concrete）组合桥面板湿接缝处混凝土界面人工凿毛困难的问题,提出环氧树脂处理和高压水枪凿毛等新型界面处理方式。为了检验采用涂刷环氧树脂、高压水枪凿除细骨料和高压水枪凿除粗骨料处理后湿接缝的抗裂性能,进行了UHPC湿接缝足尺模型的轴心受拉试验,并与不设湿接缝的桥面板进行试验对比。通过比较不同界面处理后的UHPC名义拉应力-应变曲线及UHPC名义拉应力-裂缝宽度曲线,分析了3种湿接缝的开裂荷载、裂缝分布,揭示了不同界面处理下的接缝受力机理。试验结果表明：3种界面处理方式的湿接缝破坏形式相同,均是首先在新旧混凝土交界面上出现初始裂缝,随着荷载增加裂缝逐渐发展至贯通,UHPC退出工作,最后钢材受拉屈服达到极限状态。界面采用环氧树脂处理、高压水枪凿除细骨料、高压水枪凿除粗骨料的试件开裂荷载分别为不设湿接缝试件的53.7%、92.2%、81.9%,高压水枪界面处理的湿接缝比起环氧树脂处理的湿接缝具有开裂晚、裂缝发展慢的特点,且高压水枪凿除细骨料比高压水枪凿除粗骨料的界面处理方式更优。通过试验证实了新旧混凝土交界面是桥面板的最薄弱位置,且2种高压水枪凿毛的界面处理方式均能够满足实桥荷载作用下桥面板的抗裂强度要求,在施工条件允许的情况下推荐使用高压水枪凿除细骨料的界面处理方式。