2月25日下午,工程技术研究中心在院415会议室主办了2022年第三期沙龙,沙龙题目是"UHPC(超高性能混凝土)在桥梁工程中的应用",工程技术研究中心高级工程师汪旭主讲。主讲人从混凝土性能分级、超高性能混凝土的特点、UHPC(超高性能混凝土)在国外内桥梁工程中的应用等5个方面汇报分享了其在超高性能混凝土(UHPC)的调研成果,主要内容分享如下。
1. 混凝土性能分级
混凝土按照其强度的不同可划分为以下4种类型的混凝土;按其性能的不同可划分为高性能混凝土和超高性能混凝土,如下表所示
2. 超高性能混凝土的定义和特点
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete)简称UHPC,是指兼具超高抗渗性能和力学性能的纤维增强水泥基复合材料。在工程应用中其主要有以下4个优点:
1)UHPC工程结构的使用寿命为100~200年。
2)UHPC具有超高的力学性能:高强,早强,韧性。其抗渗性和抗拉性能为关键或核心技术性能,抗渗性代表了UHPC的耐久性。
3)匀质材料,热养护后收缩为"零",徐变稳定可控。
4)施工和易性、自流密实、无需振捣。
3. UHPC在国外桥梁工程中的应用
3.1 加拿大 Sherbrooke人行桥
1997年,在加拿大魁北克省舍布鲁克市建成了世界上第一座UHPC人行桥—Sherbrooke人行桥(图1)。该桥为跨径60m的UHPC钢桁腹组合结构。桥面板采用3cm厚UHPC板,桁架腹杆采用直径15cm的钢管(钢管内充填UHPC),下弦采用10m预制UHPC梁节段,节段内未配置普通钢筋,仅采用后张预应力拼装而成。结构重量只有PC的1/2~1/3,与钢结构相差无几。
图1 加拿大 Sherbrooke人行桥
3.2 法国Bourg-lès-Valence桥梁
2005年,法国建造了跨径为47.4m的UHPC箱型公路梁桥—PS34跨线桥(图2),UHPC箱型主梁顶板宽4.4m,高度1.63m。UHPC桥面板上不铺设防水层和沥青混凝土铺装层,厚度16cm的箱梁顶板既是桥面板也是行车道路面板。采用的UHPC方案能极大减少普通钢筋和预应力钢筋的数量,可以将桥梁的总体自重减小到1/3左右。
图2 法国Bourg-lès-Valence桥梁
3.3 韩国仙游桥人行天桥
仙游桥位于韩国首尔,建成于2002年,是世界上第一座UHPC拱桥(图3),也是亚洲第一座UHPC桥梁。该桥主拱跨度为120 m,矢跨比1/8,矢高15 m,拱轴线采用圆弧形,拱肋半径为127.5m。引桥为钢桥,其末端直接搭接在主拱上。该桥由6个预制后张预应力π型节段组成,截面高1.3m。在拱顶处,安装了2个调质阻尼器(TMD),一个用于控制横向振动,另一个用于控制竖向振动。该桥是世界上目前已建成的跨径最大的UHPC拱桥。
图3 韩国仙游桥人行天桥
3.4 德国Gärtnerplatzbrucke桥
德国加特纳普拉兹(Gärtnerplatzbrucke)人行桥(图4),于2007年建成,是一座超高性能混凝土(UHPC)桥梁,位于卡塞尔市,跨越富尔达河。该桥为人行和自行车两用桥梁,桥长133.2m,为6跨钢--UHPC组合结构,最大跨度为36m。是世界上首次采用环氧树脂黏结的UHPC组合结构的桥梁。
图4 德国Gärtnerplatzbrucke桥
3.5 奥地利WILD桥
2010年,奥地利建成世界上第一座UHPC公路拱桥—WILD桥(图5)。该桥总长154m,主拱跨径70m,矢高18m。主拱由2根单箱单室拱肋组成,拱肋间采用横系梁连接。单根拱肋由6个节段和8个节点构件组成,拱轴线呈多边形折线,采用竖向下放式转体法施工,节段长度约16m,高、宽均为120cm,壁厚仅6cm。该桥UHPC桁架拱结构细巧、造型优美,与风景区峡谷环境非常协调。
图5 奥地利WILD桥
3.6 马来西亚Batu6桥
马来西亚于2016年建成的Batu6桥(图6),主跨100m,主梁为箱型截面,箱梁顶板和底板宽度分别为5m和2m,高度为4m,高跨比1/25,底板厚度为25cm,其余板厚均为15cm。全桥结构采用预制节段拼装法施工,分为40个节段,标准节段长2.5m,施工现场拼装,采用后张预应力连接预制节段成桥。
图6 马来西亚Batu6桥
3.7 捷克Celakovice人行斜拉桥
2015年,在欧洲捷克建成了跨径156m的人行斜拉桥(图7),该桥位于Celakovice市的Labe河上,采用UHPC梁板式主梁,主梁宽度约为3.6m,梁高度为60cm而中间板厚度仅为6cm。桥梁结构采用预制拼悬臂装法施工,预制节段长度为12m,每个主塔在主跨侧仅需悬臂吊装施工7个预制梁段,施工快速且便捷。
图7 捷克Celakovice人行斜拉桥
4. UHPC在国内桥梁工程中的应用
4.1 滦柏干渠大桥
2006年,中国在迁曹铁路工程中修建了第一座UHPC桥梁(图8),生产了12片跨径20m的超高性能混凝土T梁,梁高1.35m,高跨比1/16.8,跨中腹板厚度18cm。
图8 滦柏干渠大桥
4.2 福州大学桥园人行拱桥
福州大学桥园人行拱桥为中国第一座UHPC拱桥(图9),建成于2015年3月。该桥主拱净跨径为10 m,拱肋采用等截面板拱,厚10cm,拱轴线为半径R=6.25m的圆曲线,净矢高2.5m,矢跨比1/4。拱肋材料为UHPC。
图9 福州大学桥园人行拱桥
4.3 河北公路梁桥
2015年7月在石家庄至磁县(冀豫界)公路改扩建工程第Ⅺ一8标段K34+690建成了国内首座UHPC公路梁桥(图10)。该桥为4跨先简支后连续箱梁桥,跨径布置为4×30m,横向布置3片箱梁。
图10 河北公路梁桥
4.4 长沙北辰三角洲跨街天桥
2016年,在长沙北辰三角洲建成了一座长70.8m(主跨36.8m)UHPC跨街天桥(图11),为中国首座节段预制拼装预应力UHPC连续箱梁桥,结构轻盈、美观。上部结构采用预应力超高性能混凝土鱼腹式单箱三室连续箱梁,UHPC强度等级为R150,箱梁顶宽6.6m,底宽3.0m,中心梁高1.35m,梁跨高比约1/28,顶板厚12cm,底板厚8cm,腹板厚20cm。采用节段预制、现场支架拼装的施工方法,全桥共分15个节段,标准节段长4.6m,最大节段重量为51.3t。
图11 北辰三角洲跨街天桥
4.5 肇庆马房大桥
2011年,在肇庆马房大桥中首次将UHPC与钢箱梁组合形成轻型组合桥面。1984年建成的马房大桥为16×64m的简支钢箱梁,全长919.6m.桥面宽12.1m,桥面采用正交异性钢面板。该桥通车后历经多次维修仍存在铺装层严重破损和钢结构疲劳裂纹,2011年底全桥进行了彻底的维修,到目前为止采用50mm厚UHPC层加固维修后的第11跨仍运行良好。
4.6 广东惠清高速钢-UHPC轻型组合梁桥
2020年,国内首座4×25m先简支后结构连续的钢-UHPC轻型组合梁桥在广东惠(州)清(远)高速建成。桥跨布置为4×25m预制钢-UHPC组合π梁(图12)。桥梁断面全宽8.5m,横向由3片全预制钢-UHPC组合π梁组成,单片π梁标准宽度为2.8m,全桥共12片预制钢-UHPC组合π梁。梁高100cm,其中工字梁高88cm,UHPC桥面板厚12cm,另加1cm厚UHPC作为磨耗层,桥面不再有铺装层。
图12 惠清高速钢-UHPC轻型组合梁桥
4.7 广州花都大道人行天桥
2019年4月,在广州花都大道建设了国内首座UHPC无腹筋预应力体系人行天桥(图13)。其中,无腹筋预应力超高性能混凝土梁桥的定义为:配置预应力钢筋且无箍筋和弯起钢筋的超高性能混凝土梁桥。
图13 花都大道人行天桥
4.8 UHPC在广州塔珠江两岸人行景观桥上的应用
2021年建成的广州塔珠江两岸人行景观桥(图16),位于广州塔南广场,人行桥跨度为198米,全长488米,宽度为15米,拱跨198.152米。是世界上跨度最大、宽度最宽的曲梁斜拱人行桥。技术创新的最大亮点之一就是新材料超高性能混凝土UHPC在桥面的铺装和UHPC在关键重要拱脚部位的外包。开创了UHPC在防腐保护应用的先河。
图16 广州塔珠江两岸人行景观桥
5. 结语
在桥梁工程中,UHPC已被应用于主梁结构、拱桥主拱、桥面结构、桥梁接缝及旧桥加固等多方面。截至2019年底,美国、加拿大、日本等国家应用UHPC材料的桥梁均在70座以上,马来西亚已经建成150座UHPC桥梁,绝大多数为主梁结构采用UHPC材料;而中国目前约有80座桥梁采用了UHPC材料,其中约有20座桥梁主体结构(主梁、拱圈等)采用UHPC材料,其余主要用于钢-UHPC轻型组合桥面结构、现浇接缝、维修加固等方面。
通过本次分享,参会人员对UHPC的概念和应用有了初步的了解,表现出了极大的兴趣,并要求主讲人进一步搜集案例和相关节点大样,深入研究,为UHPC在珠海的应用做出贡献。