超高性能混凝土在桥梁工程中的应用

钟诚

【摘要】近年来，随着国内高速公路交通流量的加剧和运营年数的增加，桥面和路面已出现多处严重的病害，急需快速而有效的维修方案。传统采用的快硬混凝土维修方案，由于铺装受力复杂、养护时间有限、混凝土抗拉强度不足、耐久性不良，导致维修效果不佳、返修率较高。而超高性能混凝土具备强度、韧性、耐磨性、抗渗性和耐久性等方面的超高性能，且通过组份的调整能够很好地满足浇筑施工过程中的施工性能和可操作时间要求，又能在施工结束后迅速凝结硬化并提升强度，快速恢复交通，因此，超高性能混凝土被工程界认为是高速公路快速、高质量维修的重要新材料。

【关键词】高速公路；抗拉强度；超高性能混凝土；高质量维修

1超高性能混凝土桥面板力学性能数值分析实例

通过对普通混凝土简支板及超高性能混凝土简支板进行数值模拟，对比分析超高性能混凝土简支桥面板与普通混凝土简支桥面板力学性能。

1.1桥面板模型概况

简支桥面板的长×宽×高为3.60m×0.62m×0.17m，简支板计算跨度为3.4m；普通混凝土强度为C40；采用HRB335直径为12mm的钢筋；保护层厚度为30mm。

数值模型中，超高性能混凝土材料性能根据自行设计制备的超高性能混凝土材料性能试验结果进行设置，所用超高性能混凝土配合比如表1所示。超高性能混凝土采用100mm×100mm×100mm立方体测定抗压强度，采用100mm×100mm×400mm棱柱体测定抗折强度，采用100mm×100mm×300mm棱柱体测定弹性模量。试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》和《活性粉末混凝土》（GBT31387-2015）相关规定进行。

表1  超高性能混凝土配合比

超高性能混凝土	钢纤维	水泥	硅灰	再生建筑骨料	石英砂	水	减水剂
掺量(kg/m3)	67.4	1097	169	420	633	0.22	15.55

1.2桥面板数值分析结果

桥面板的荷载-位移曲线如图1所示。从图中可以看出，超高性能混凝土桥面板峰值承载力桥面板峰值承载力为596.75kN，普通混凝土桥面板峰值承载力为235.95kN，在配筋率及钢筋强度等级完全一样的情况下，超高性能混凝土桥面板的承载力为普通混凝土桥面板的2.53倍。加载点加载到目标位移60mm时， 超高性能混凝土桥面板承载力远高于普通混凝土桥面板峰值承载力。

图1  荷载-位移曲线

桥面板的位移云图如图2所示。从位移云图中可以得到，普通混凝土简支桥面板跨中挠度为94.33mm（图2（a）），超高性能混凝土桥面板的跨中挠度为87.78mm（图2（b）），相同配筋条件下，采用超高性能混凝土作为桥面板材料可大大减小结构变形。

（a）C40	（b）R120

图2 位移云图

上述分析结果表明，与普通混凝土桥面板相比，超高性能混凝土桥面板具有良好的受力性能，能够满足受力要求。在同等承载力要求下，采用超高性能混凝土桥面板时，可大大减小截面尺寸、降低结构自重，并有利于装配化施工。

2工程应用

由于力学性能和耐久性能优异，超高性能混凝土备受学者和工程师的青睐；道路、桥梁便是其中最为显著的代表，超高性能混凝土既提高了工程的使用寿命，又降低了工程的维修加固成本。

2.1预制超高性能混凝土肋板

预制超高性能混凝土肋板是一次极为成功的实践，也反映了超高性能混凝土对桥面板构造形式、施工方式的改变。与普通的C40混凝土桥面板相比，超高性能混凝土桥面板厚度仅为其1/3，更为纤薄美观，利于吊装施工。同时优异的耐久性能，极大地延长了预制超高性能混凝土肋板的使用寿命。由于超高性能混凝土的收缩徐变小，弹性模量高，其预应力损失较普通混凝土小。

2.2钢-超高性能混凝土复合桥面

与传统钢桥面结构相比，钢－超高性能混凝土复合桥面结构具有以下显著优点：①钢桥面铺装的难题将不复存在；②正交异性钢桥面板在轮载作用下的应力幅可以降低20%~80%，从而显著提高钢桥面的抗疲劳寿命；③对于新建桥梁，可根据组合桥面结构的受力特性，将正交异性钢桥面中的所有疲劳裂纹萌生点都设计成无限寿命；④提高了钢桥面的防火安全性。此外，由于各层厚度较薄，钢-超高性能混凝土复合桥面结构不会增加桥面系的总厚度和自重，能够满足在特大跨径桥梁中的应用需求。目前，钢-超高性能混凝土复合桥面在中国已进入规模化应用。

2.3桥面铺装

超高性能混凝土的耐磨性好，磨耗量不到普通混凝土的一半，是良好的路面及抗冲刷构件材料，在混凝土桥梁上采用超高性能混凝土铺装，具有广泛应用价值。新桥使用超高性能混凝土铺装，超高性能混凝土层的多重功能从新桥就发挥作用，有助于提升了桥梁性能、质量和工作寿命。

2.4桥面加固

超高性能混凝土强度高、粘结性能好、耐冲击、更耐久，是一种极佳的维修加固材料，在混凝土桥面铺设钢筋超高性能混凝土层—这是一个多重功能层。提高桥梁强度、刚度，抗裂、防水和保护普通混凝土，从而提高桥梁服役寿命。许多国家都有大量老化的桥梁、码头、隧道、水利水电、建筑等混凝土结构,这种先进维修加固技术预计会获得广泛应用，拥有很大市场潜力。

3结论

桥梁修复时采用的超高性能混凝土不仅具有较高的抗压强度、可利用的抗拉强度和良好的耐久性能，而且方便了施工，节约了人工成本，增强了结构耐久性，延长了结构使用年限，取得了良好的社会与经济效益。超高性能混凝土的应用使桥梁跨径更长、主梁间距更大、部件更薄更轻，同时其具有更好的耐久性、力学性能、并且能使桥梁寿命延长、经济效益提高，已经在很多桥梁工程中得到应用。