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。     

超高性能混凝土在桥面铺装中的施工应用技术研究

超高性能混凝土(UHPC)具有极好的工作性,超高的强度和优异的耐久性。论文依托实体工程对UHPC施工原材料及施工配合比进行了设计,提出了桥面铺装超高性能混凝土的施工工艺,根据试验段钻芯取样的检测结果,结合室内试验的测试结果,提出了超高性能混凝土施工的质量控制措施。     

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。     

独塔混合梁斜拉桥总体设计及关键技术研究

以一座独塔柱混合梁斜拉桥为工程背景,大桥具有结构不对称度高、钢混结合段受力复杂、斜拉索锚固方式多样、抗震烈度高等设计特点和难点,通过采用UHPC混凝土、PSB930高强螺纹钢筋、低回缩锚具新型材料,采用综合调索方法、有限元分析方法、抗震措施等技术手段,采用预应力二次张拉施工工艺,科学地解决了独塔混合梁斜拉桥的多项关键技术难题,达到结构受力合理、安全可靠的目的,为同类型桥梁设计与研究提供了思路。     

超高性能混凝土在桥梁工程中的应用

超高性能混凝土(UHPC)是一种新型高性能水泥基复合材料,具有超高的耐久性和力学性能。UH-PC在桥梁工程中的应用,可优化桥梁结构尺寸、增大跨径,在增加承载力、耐久性和寿命周期的同时保持较小的变形。但由于原材料质量和配比的差异及大型搅拌设备不成熟等因素,连续制备性能较好的UHPC难度较大,同时相关桥梁设计规范较不完善和实践指导设计的经验较少,另外严格的养护制度制约了桥梁施工方法的灵活选择,导致目前UHPC不能在桥梁中广泛应用。为了促进UHPC大规模应用,简要介绍加拿大和美国2座UHPC桥梁应用情况。随着UHPC制备技术的进步、设计理论的完善,其必将在桥梁中得到广泛应用。     

钢桥面超高性能混凝土铺装施工技术

为解决桥梁曲线匝道段钢梁桥面容易出现疲劳开裂和铺装损坏等问题,采用超高性能混凝土(UHPC)作为桥面铺装来代替传统的沥青铺装。该工艺能显著提高桥面铺装与钢梁面的结合性,大幅提升桥面整体刚度,从而极大降低桥面在长期重载作用下发生疲劳破坏的可能性。主要介绍该工艺的原理及其具体施工工艺等,为后续类似工程提供参考。     

含粗骨料UHPC在路面修复工程中的应用研究

结合某破损沥青路面修复工程,采用"架设钢筋网片+铺装含粗骨料UHPC"的修复工艺,通过工程实践,研究探索含粗骨料UHPC用于路面修复的可行性及可操作性。结果表明,所制备的UHPC施工可操作好,经济适用,工程应用效果满意,显著提高了路面的承载和抗裂能力,预期具有良好的耐疲劳、耐磨、耐冲击等性能。     

快速路桥梁台背加筋填土质量控制

该文结合广州南部快速路SD6标段桥梁台背回填工程实例,从桥梁台背加筋填土施工的设计及施工中人力、设备配置等方面介绍了其施工工艺及其质量控制的方法。     

全预制轻型预应力UHPC薄壁盖梁抗剪性能试验

为解决桥梁装配式施工中传统混凝土盖梁自重过大、整体吊装困难的难题,提出全预制轻型部分预应力超高性能混凝土（Ultra-high-performance Concrete,UHPC）薄壁盖梁的设计方案。为研究UHPC薄壁盖梁的斜截面抗裂性能及抗剪承载力,完成1根相似比1：2的大比例UHPC薄壁盖梁共2次模型试验,获得模型从加载到破坏全过程的开裂和破坏荷载、裂缝和变形分布规律等关键试验结果;分析梁体应变、预应力、裂缝的分布规律,考虑UHPC的应变硬化特征,基于材料力学公式提出斜截面开裂剪力的理论计算方法,考虑UHPC结构裂缝分布和结构形状系数等,提出斜裂缝宽度的计算公式。按照不同规范对UHPC盖梁抗剪承载力进行计算对比,以法国UHPC规范为基础,对比分析UHPC基体、箍筋、钢纤维及纵筋销栓作用对结构抗剪承载能力的影响程度。研究结果表明：计算结果与模型的开裂剪力以及裂缝宽度吻合良好;各国规范均低估了UHPC结构的抗剪承载能力;提出的UHPC盖梁具有自重轻、施工快捷等特点,充分利用了UHPC的超高抗拉性能和应变硬化特征,具有优异的斜截面抗裂性能以及抗剪性能;建议取消弯起钢筋、适当增加预应力筋,浇筑UHPC时应增设抗浮措施等。研究成果可为UHPC盖梁的应用提供参考。     

超高性能砼桥面铺装足尺试验研究

通过超高性能砼(UHPC)桥面铺装足尺试验,设计指导桥面现场UHPC浇筑的施工方案;通过验证UHPC桥面铺装材料、搅拌工艺、运输方式及施工工艺,确定足尺试验所采用的方案合理、可行,可为桥面现场UHPC浇筑施工及类似施工提供有力支撑。     

组合梁负弯矩区UHPC接缝抗弯性能试验

为提高钢-混组合梁桥负弯矩区混凝土桥面板的抗裂性并简化现场施工工艺,提出新型钢-混组合梁桥负弯矩区超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）接缝方案。以湖南省某桥为工程背景,进行1∶2缩尺模型抗弯试验研究;编制截面弯矩-曲率关系MATLAB程序,并与实测值进行对比,验证该程序可用于计算UHPC覆盖下的普通混凝土（NC）中钢筋应力;对现有NC裂缝宽度规范公式进行修正,提出考虑UHPC约束作用的组合梁负弯矩区NC最大裂缝宽度的建议公式;讨论钢-混组合梁桥负弯矩区UHPC湿接缝合理的纵桥向长度,分析UHPC层厚度及层内配筋对抗裂性能的影响。研究结果表明：新型UHPC接缝方案的抗裂性能和抗弯承载能力均满足工程要求,且接缝节点强度高于非接缝区预制部分强度;负弯矩作用下,试件沿梁高的应变较好地满足平截面假定,钢梁与混凝土板及UHPC与NC间的层间滑移量均较小;UHPC裂缝呈现“多而细”的特征,而NC裂缝呈现“少而宽”的特征,预制部分混凝土顶面最先开裂,之后UHPC-NC交界面、UHPC顶面、UHPC覆盖下的NC侧面依次出现裂缝;对于负弯矩区采用UHPC接缝的中小跨径钢-混组合连续梁桥,UHPC层的纵桥向长度宜为20%标准跨径,UHPC层厚度可根据实际工程设计要求确定,增大桥面板内钢筋直径可以提高负弯矩区混凝土的抗裂性能。     

基于UHPC材料的高架小箱梁接缝设计优化与施工技术研究

随着社会经济的不断发展,社会对城市高架的建设要求越来越高,城市高架快速化建设将是城市高架的发展趋势。小箱梁桥作为重要桥型之一,在城市高架桥中有着广泛应用,因而实现小箱梁快速化施工有着十分重要的意义。实现小箱梁快速施工的关键在于小箱梁接缝。传统的小箱梁接缝构造复杂,施工流程繁琐,且受力性能较差。本文针对传统小箱梁接缝存在的施工和受力性能问题,结合UHPC材料的性能优势,引入了UHPC接缝概念,并以宁波机场快速路南延工程建设项目为背景,针对UHPC接缝设计关键参数,提出了背景工程中小箱梁UHPC接缝的构造设计并优化。同时,总结了小箱梁UHPC接缝施工流程,明确了小箱梁UHPC接缝关键施工工艺和施工方法,对UHPC接缝施工质量控制提出了具体的要求。     

超高性能混凝土(UHPC)在桥梁改建 工程中的应用

超高性能混凝土(UHPC)具有良好的力学性能,其抗拉、抗压强度远远超过常规混凝土。同时超高性能混凝土(UHPC)与常规混凝土的浇筑连接面的粘结强度也超过常规混凝土,能与常规混凝土非常好地形成一个整体,因此采用超高性能混凝土(UHPC)将桥梁预制结构连接成整体的施工方法已经被广泛应用。以南浦大桥W3匝道改建工程为背景,介绍了截除部分桥墩立柱后,采用超高性能混凝土(UHPC)连接上下立柱的设计施工要点,表明了超高性能混凝土(UHPC)在类似的桥梁改建项目中具有广泛的应用价值。     

基于混合模型的刚构体系墩梁结合部复杂应力分析

整体长联刚构体系具有整体刚度好、行车舒适、后期养护少等诸多优点。墩梁结合部是该类桥梁的关键传力构造和复杂受力部位。文中以杭绍甬高速公路杭州至绍兴段7×30 m整体长联T梁高架桥为工程背景,通过梁元-实体元混合建模方法,研究墩顶结合部在不利工况组合下的应力分布规律。分析表明,梁元-实体元混合模型克服了“二次分析”模型中边界条件选取的难题,可以精确地用于墩梁结合部的复杂应力分析;通过梁元-实体元混合模型,可以很好地模拟桥梁纵向压应力由T梁截面向现浇段截面的传递和扩散规律;墩梁固结区域梁体上翼缘拉应力较大,后浇UHPC薄层是有效的抗裂增强措施;UHPC薄层与梁体结合面的最大剪应力为0.37 MPa,采用常规界面处理措施,界面抗剪强度即可满足设计要求     

基于UHPC预制π梁的UHPC-RC组合梁设计方案及工程应用

从城市跨河中小桥上部结构设计、施工需求出发,结合超高性能混凝土(UHPC)的材料特点,比选了适宜中小跨径UHPC预制梁的截面形式,提出了基于UHPC预制π梁与现浇钢筋混凝土桥面板(RC桥面板)的UHPC-RC组合梁结构形式。并以上海嘉闵高架袁家河地面桥(桥宽17.75 m,跨径22 m)为工程背景,开展了UHPC-RC组合梁的上部结构方案设计、预制梁力学性能试验、工程应用及实桥荷载试验。试验结果及工程实践表明,该结构形式具有优良的结构力学性能的同时,兼具构件轻巧(UHPC预制π梁吊装重量仅为同桥面面积空心板梁重量的60%)、运输吊装简单、施工快速便捷、经济性相对较好等优点,适应目前城市桥梁建设的发展方向和趋势,具有广阔的应用前景。     

不同UHPC加固措施的RC墩柱轴压性能试验研究北大核心

为指导桥梁墩柱加固设计,研究不同超高性能混凝土(UHPC)加固措施对钢筋混凝土(RC)墩柱轴压性能的影响,以加固方式(全高加固、非全高加固)、加固层材料(素UHPC、UHPC+钢筋网、UHPC+内FRP网格、UHPC+外FRP布)为参数,设计15根矩形RC墩柱试件(1个未加固试件、7个全高加固试件和7个非全高加固试件)进行轴压试验,分析其破坏模式和损伤机理,以及RC试件在轴压荷载作用下的极限承载力、刚度及延性等。结果表明:与未加固试件相比,全高加固试件、非全高加固试件的极限承载力提高率分别为142%~183%、28%~57%,但全高加固试件表现为脆性破坏,而非全高加固试件表现为延性破坏,宜根据工程实际需要采用合理的加固方式;采用不同加固层材料的加固效果为素UHPC、UHPC+内FRP网格、UHPC+外FRP布、UHPC+钢筋网依次递增,宜采用UHPC+钢筋网作为加固层材料。     

UHPC中短栓钉抗剪性能试验及理论分析

为深入研究超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）中短栓钉的抗剪性能,提出精细化的计算理论和方法,指导工程设计,共完成9个静力推出试验。试件参数包括短栓钉直径、界面处理情况以及加载方式。根据试验受力模式,提出了一种三维精细有限元分析模型,利用ABAQUS显式分析方法,探讨焊缝形式、短栓钉直径、短栓钉高度、UHPC强度等参数对UHPC中短栓钉抗剪性能的影响。最后结合试验数据及有限元分析结果提出UHPC中短栓钉荷载-滑移全曲线实用经验公式和抗剪承载力计算公式。试验及分析结果表明：短栓钉抗剪承载力主要受短栓钉直径和焊缝形式的影响,随短栓钉直径的增大而提高,有限元中模拟焊缝相比于不模拟焊缝时短栓钉抗剪承载力提高48%~93%;短栓钉抗剪刚度主要受短栓钉直径和界面处理情况的影响,界面黏结将提高抗剪刚度;加载方式（单调加载和循环加载）、短栓钉高度和UHPC强度对短栓钉抗剪性能影响较小;2种不同直径短栓钉最大滑移均不超过4 mm,设计时可按照弹性连接件设计方法计算;收集的国内外68组有效试验数据与理论计算结果吻合度较高;建议取0.3P_u~0.4P_u（短栓钉抗剪承载力）处的割线刚度平均值作为UHPC中短栓钉抗剪刚度,抗剪刚度试验值与理论计算结果对比表明该方法具有较高的精度。     

中国桥梁工程学术研究综述·2014

为了促进中国桥梁工程学科的发展,系统梳理了各国桥梁工程领域(包括高性能材料、桥梁作用及分析、桥梁设计理论、钢桥及组合结构桥梁、桥梁防灾减灾、桥梁基础工程、桥梁监测、评估及加固等)的学术研究现状、热点前沿、存在问题、具体对策及发展前景。首先在总结了中国桥梁工程建设成就的同时对未来桥梁工程的发展趋势进行了展望;然后分别对上述桥梁工程领域各方面的内容进行了细化和疏理:高性能材料方面重点分析了超高性能混凝土(UHPC)和CFRP材料,桥梁作用方面分析了车辆荷载和温度,钢桥及组合结构桥梁方面分析了钢桥抗疲劳设计与维护技术和钢-混凝土组合桥梁,桥梁防灾减灾方面分析了抗震、抗风、抗火、抗爆和船撞及多场、多灾害耦合;最后对无缝桥、桥面铺装、斜拉桥施工过程力学特性及施工控制、计算机技术对桥梁工程的冲击进行了剖析,以期对桥梁工程学科的学术研究提供新的视角和基础资料。     

浅论桥梁伸缩装置的选型和施工要点

该文论述了几类常用的桥梁伸缩装置的构造特点和设计施工的基本要求,结合工程实际简要介绍了各种型式的伸缩装置在不同类型桥梁结构中的应用,包括伸缩装置选型的要点、主要的施工工艺和安装注意事项等。     

某简支板桥纵抬梁顶升设计与施工

该文结合南昌市昌东大道桥梁改造工程,介绍了简支板桥纵抬梁顶升的设计要点和顶升施工工艺,对同类桥梁的顶升有一定的指导意义。