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超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete）， 简称UHPC，系指抗压强度在150MPa以上，具有超高韧性、超长耐久性的水泥基复合材料的统称。其中，最具代表性的超高性能混凝土材料为活性粉末混凝土RPC（Reactive Powder Concrete），最早由法国学者于1993年提出。其主要由硅灰、水泥、细骨料及钢纤维等材料组成，依照最大密实度原理构建，从而使材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝） 减至最少。UHPC材料组分内不包含粗骨料，颗粒粒径一般小于1mm。研究表明，UHPC材料耐久性可达200年以上， 由于UHPC中分散的钢纤维可大大减缓材料内部微裂缝的扩展，从而使材料表现出超高的韧性和延性性能。 目前，澳大利亚、法国、日本、美国、中国、瑞士等国家已相继颁布了UHPC材料或结构的相关规程。 UHPC被认为是20世纪最具创新性的水泥基工程材料之一，由于其优异的性能，在桥梁领域的应用可能导致现有技术的重大突破，本文例举了几个可行的应用前景。
UHPC在桥梁工程中的应用 由于优异的力学性能和耐久性，UHPC在高层建筑、大跨桥梁、海洋工程、水利工程、核电工程和特种结构等领域获得应用。在桥梁结构中，UHPC已被广泛应用于主梁结构、拱桥主拱、华夫板桥面结构、桥梁接缝及旧桥加固等多方面。目前，世界各国已有超过200座采用UHPC作为主要或部分建筑材料的桥梁，下面仅举几例。 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。该桥为预应力UHPC空间桁架结构，跨径60m（图1）。桥面板采用3cm厚UHPC板，桁架腹杆采用直径15cm的钢管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。由于UHPC的使用结构自重大大减轻，并有效抵抗了当地严冬零下30oC条件反复冻融侵蚀，该桥在1999年获得Nova奖提名。
法国于2001年建成了世界上最早的UHPC公路桥—— Bourg-lès-Valence OA4和OA6 跨线桥。OA4 桥主梁为跨径22.5m的π型UHPC梁，高0.9m，宽2.4m，UHPC桥面板厚仅11cm，梁重37吨。2005 年，法国建造了跨径为47.4m的UHPC 箱型梁公路桥——PS34跨线桥，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14cm的箱梁顶板既是桥面板也是行车道路面板。 2002年，日本第一座UHPC人行桥Sakata-Mirai 桥建造完成（图2）。该桥主跨跨径49.2m，主梁截面形式为箱梁，采用预制拼装法施工，预制梁段间采用预应力张拉拼接完成。此后，日本相继建造了多座UHPC人行桥，如Yamagata桥和Tahara桥等均采用了箱梁截面作为主梁的截面形式。
2002年建成的韩国和平人行桥(Sunyudo Footbridge)是一座主跨为120m的UHPC拱桥（图3）。该桥由6个预制后张预应力π型节段组成，截面高1.3m。该桥是世界上目前已建成的跨径最大的UHPC桥梁。
2007 年， 德国Kassel修建了第一座多跨UH P C桥梁G rtnerplatz桥。该桥为人行和自行车两用桥梁，共有6跨， 总跨径132m，跨越Fulda河（图4）。该桥中的UHPC使用在了两个位置：(1) UHPC-钢桁架组合结构；(2) 桥面板，其中UHPC桥面板与桁架的上弦杆连接。G?rtnerplatz桥为世界上首座UHPC-钢组合桥梁。
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18 m。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16 m，高、宽均为120 cm，壁厚仅6 cm。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。
马来西亚于2014年建成的Batu 6桥，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，底板厚度为25cm，其余板厚均为15cm；结构采用预制节段拼装法施工，即先预制UHPC箱梁节段，运至施工现场进行拼装后，采用后张预应力连接预制节段成桥（图6）。
利用UHPC解决钢桥面的难题 技术瓶颈 正交异性钢桥面具有自重轻、强度高的优势,但其疲劳开裂和铺装层破损难题一直未能有效解决,病害现象十分普遍和严重,个别桥梁甚至遭遇10年24修。导致上述病害的主要原因为：一、钢桥面板的局部刚度不足，出现应力集中现象；二、钢桥面夏季表面温度可达70℃，高温、超载和雨水的三重作用导致沥青铺装和钢桥面板出现早期病害。 对策 为整体解决钢桥面疲劳开裂和铺装易损坏的难题， 2010年，笔者团队提出了具备独立知识产权的正交异性钢板-薄层UHPC轻型组合桥面结构。为了克服UHPC初裂强度无法满足桥面高应力要求、UHPC的收缩受到钢板约束将导致开裂的难题，通过对UHPC改性并密配筋，大幅度提高了开裂强度并减小了收缩。我们将此新材料称为超高韧性混凝土STC（Super Toughness Concrete）（图7）。 STC既属于UHPC，但在抗裂、收缩等方面又优于市场上的UHPC。经过7年深入研究与工程实践，攻克多个技术难关，取得一批重要成果，获得授权发明专利8项，形成了设计施工与检验验收的完整技术，颁布了相关地方标准。
STC的开裂强度可高达50MPa，经测算，轻型组合桥面可提高钢桥面局部刚度达40倍以上，由此带来的效果为： （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下的应力幅可降低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STC轻型组合桥面的受力特性，将正交异性钢桥面的所有疲劳裂纹萌 生点设计成无限寿命；（4）提高了钢桥面的防火安全性。由于组合桥面较薄，并不增加桥面系的总厚度，能够适应特大跨径桥梁轻型化的要求。STC层按不开裂的结构层设计，使用年限100年。 2011年，STC轻型组合桥面技术首次应用于广东肇庆马房大桥上（图8）。
(上) 轻型组合桥面结构设计 (下) 桥面现浇50mm厚STC层施工 作为首次尝试，本技术仅应用在马房大桥第11跨。为便于对比，该桥的其他各跨同时采用了另外4种沥青铺装方案（表2）。
运营4年后，其他各跨的沥青铺装方案均出现了严重的开裂、推移、坑槽等病害，仅STC轻型组合桥面结构运营状态良好，无任何病害。 目前，已有包括主跨1480m的洞庭湖二桥悬索桥等20余座桥梁决定采用此技术，其它部分应用桥例如图9。
(上) 广东佛陈大桥（主跨112.8m钢连续梁） (中) 天津海河大桥（主跨310m钢斜拉桥） (下) 湖南株洲枫溪大桥（主跨300m自锚式悬索桥） 利用UHPC解决钢-混凝土组合梁的难题 技术瓶颈 钢-混凝土组合结构桥梁能充分发挥各自材料的优势， 但随着桥梁跨径的增大，其自重大、负弯矩区域混凝土易开裂的问题难以解决。出现这一现象的原因是混凝土强度低，收缩、徐变受到钢结构的约束而产生较大的内应力。 对策方案 提高钢-混凝土组合梁的抗裂安全性及降低自重，是扩大钢-混凝土组合梁在大跨径桥梁上应用范围的唯一出路。由于UHPC的强度高，经蒸养后收缩几乎为零，可用UHPC薄桥面板替代厚重的普通混凝土桥面板，形成钢-UHPC轻型组合桥梁结构（图10）。UHPC桥面板宜设计成矮肋板（华夫板），在降低自重的同时确保刚度。UHPC板以下的钢梁则根据不同桥梁体系的需求可采用工字梁、箱梁或桁架梁。
与传统钢-混凝土组合梁相比，钢-UHPC轻型组合梁中的UHPC桥面板均厚约140mm左右，仅为普通混凝土桥面板厚度的40～50%，可使组合梁的自重降低35%左右，从而使组合梁的适用跨径获得大幅度拓展。由于UHPC材料抗拉性能远高于普通混凝土，且收缩徐变很小，可以有效解决传统组合梁中混凝土桥面板易开裂问题。同时，新型组合梁一般无需设置预应力，受力更为简单明确。 该型组合梁结构应用范围广泛，可应用于斜拉桥、悬索桥及梁式桥等不同结构体系。 钢-UHPC组合桥梁结构有望首次应用于南洞庭湖大桥， 该桥是湖南省南县-益阳高速公路上的重要工程，主桥采用桥跨布置为181.95m+450m+181.95m的双塔双索面斜拉桥，大桥总体桥型布置如图11所示。
原桥梁方案采用传统的钢箱梁+31cm（平均厚）的混凝土桥面板+10cm的沥青混凝土铺装，后因塔下桩基长度超过110m，基础费用过高，迫切需要减轻自重。经对比分析， 采用钢-UHPC轻型组合梁作为主梁结构。 主梁采用由两个分离钢箱梁与STC层结合形成的PK型分离双箱轻型组合梁（图12），轻型组合主梁全宽29.3m， 梁高3.5m，桥面板采用STC华夫板，面板厚80mm，设置高为140mm，间距700mm的纵向肋，华夫板平均厚度约为140mm。
经测算， 采用U H P C华夫桥面板，主梁自重降低约35%，桥塔、基础、斜拉索数量可减少10%～20%，综合造价与常规组合梁方案持平。预制桥面板时采用部分横隔板预埋的形式，桥面板不再有负弯矩横向接缝，这样避免了由于接缝处纤维不连续导致UHPC的强度过低，确保了桥面板的强度和耐久性。 利用UHPC解决预应力混凝土连续箱梁下挠开裂的难题 技术瓶颈 预应力混凝土连续箱梁桥具有造价相对较低、施工简易便捷等优点，是主跨200m范围内的主流桥型。然而由于常规混凝土的强度低、徐变大，造成既有大跨预应力混凝土梁桥在运营过程中普遍出现主跨过度下挠和梁体开裂等病害，严重危及桥梁的安全性和耐久性。此外，大跨混凝土梁桥自重占总荷载的比例可达90%以上，跨径突破300m 级已十分困难，向更大跨发展基本不具备可能性。 对策方案 针对大跨预应力混凝土连续箱梁桥自重过大、主跨过度下挠和梁体开裂等难题，作者团队提出了单向预应力UHPC薄壁连续箱梁新结构（图13）。
新结构的主要特点是采用UHPC薄型板件，板厚仅为传统箱梁壁厚的1/2～1/3，箱内设置了间距3～4m的密集横隔板，其目的是：（1）防止箱梁扭转畸变；（2）对顶板加劲，从而取消横向预应力；（3）对腹板加劲，从而取消竖向预应力；（4）对底板加劲，以防止承压失稳；（5） 方便体外预应力的转向与锚固。 大量研究表明，这种UHPC箱梁的自重仅为传统预应力箱梁的40～50%，其中横隔板所占重量约为梁体总重的12～15%，宜采用节段预制拼装法施工。因自重轻、强度高、徐变小，UHPC箱梁可避免传统大跨预应力箱梁桥主跨过度下挠和梁体开裂的风险，并将混凝土连续梁桥的极限跨径拓展至500m，且经济性通常优于同等跨径的斜拉桥和悬索桥。
桥梁科技的重大变革，唯有依赖于材料的突破及与之相匹配结构体系的研发。 UHPC与普通混凝土相比，具备超高的强度和超长的耐久性，与钢结构相比，不存在焊接残余应力问题。因此可以预计，UHPC材料在桥梁建设中将得到广泛应用。 （作者单位：湖南大学桥梁工程系) （编辑：陈晨) |
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