基于UHPC,的高性能桥梁结构研究与应用

曹君辉，樊伟，李立峰，邵旭东†，张阳，赵华

［1.湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082；
2.风工程与桥梁工程湖南省重点实验室（湖南大学），湖南长沙 410082］

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Con⁃crete，UHPC）是一种新型水泥基复合材料，最早由法国学者于1993 年研发成功.UHPC 基于最大堆积密度原理配制，主要由硅灰、水泥、细骨料及钢纤维、水等材料组成，依照最大密实度原理构建，从而使材料内部缺陷（孔隙和微裂缝）减至最少，并获得优异的力学性能和耐久性.总体而言，UHPC 的抗压强度可达普通混凝土的3 倍，抗折强度可达普通混凝土的10倍，徐变系数仅约为普通混凝土的15%，耐久性指标相比普通混凝土优1～2 个数量级.由此可以看出，UHPC 的各项力学和耐久性指标均远优于普通混凝土.因此，基于UHPC 有望研发出更经济、更环保、更坚固、更耐久的高性能结构.

目前国内外学者在UHPC 材料及相关构件或结构性能等方面开展了广泛而深入的研究［1-6］.在材料方面，研究了UHPC 在典型荷载或作用下的基本性能［7-11］，同时在组分优化和性能分级等方面进行了积极探索［12-16］；
在构件或结构层面，研究了UHPC 梁或板［17-24］、柱［25-29］、钢-UHPC 组合结构［30-38］、节点［39-41］或接缝［42-45］等方面的性能，以及在极地等严酷海洋环境中UHPC结构的性能［46］.

在UHPC 及钢-UHPC 组合桥梁结构领域，国内外学者开展了大量研究.樊健生等［47］研究了钢-UHPC组合箱梁模型在弹性状态下的弯曲受力行为，建立了考虑剪力滞后、滑移效应以及钢腹板剪切变形的组合箱梁分析模型，并推导得出解析解.王景全等［48］提出了有无配筋的UHPC 大键齿干接缝形式，并通过直剪性能试验分析了大键齿UHPC 干接缝的受剪性能.通过细观力学分析，研究了纤维对UHPC残余抗拉强度贡献机理，提出了考虑纤维埋深、分布和取向的UHPC 细观本构模型［49］.刘加平等［50］分析了粗骨料UHPC 的性能优势和发展动向.聂洁等［51］开展了最佳纤维混掺比例的研究，研究了钢纤维体积掺量、长径比、形状、同形及异形纤维混掺对UHPC施工及力学性能的影响.方明山等［17］在跨海桥梁工程的应用中提出采用UHPC 代替C60 微膨胀混凝土进行湿接缝施工.何志刚等［52］、徐晨等［53］、Ma 等［54］、朱劲松等［55-56］开展了UHPC桥面板的研究，分别对铁路钢桥采用UHPC 加固钢桥面时UHPC 薄层的受力性能、UHPC 组合桥面板湿接缝的收缩性能、钢-UHPC 华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能开展了计算与试验研究.王洋等［57］、Wei等［58］开展了钢-UHPC 组合桥面结构疲劳性能研究，并提出适用于该类构件的S-N曲线.Sun等［59］开展了UHPC 应用于含有不同形式纵肋的钢桥面时，组合桥面的基本性能研究.Deng 等［60］开展了钢-UHPC 组合桥面的动力性能研究.Qin 等［61］开展了在役钢桥面应用UHPC 加固时的实桥监测并进行了剩余寿命评估.贺耀北等［62］研究了钢-UHPC 组合梁自锚式悬索桥的受力性能及经济性.Xiao 等［63-64］提出了利用PBL 作为连接件的UHPC 应用于钢桥面的预制标准节段.Shao 等［65］、Deng 等［66］针对中、短跨径桥梁的特点，先后提出热轧型钢-UHPC 组合梁与全预制钢-UHPC 组合梁.在UHPC组合桥梁的抗剪连接件的研究中，栓钉一直是常用的剪力键，其性能一直是研究的重点.黄海新等［67］研究了钢-UHPC 组合梁高强螺栓剪力键在竖向剪切荷载作用下的抗剪性能.武芳文等［68］研究了栓钉在UHPC 和普通混凝土中的力学特性及破坏形态.石广玉等［69］采用Schwartz-Neuman 交替法建立钢-UHPC 组合结构中栓钉焊缝表面裂纹的三维断裂力学模型，进行裂纹扩展模拟和栓钉的疲劳寿命预测.此外，多位学者先后针对不同构造形式的剪力连接件开展了研究.杨俊等［70］通过30个UHPC-石材组合试件推出试验，研究不同界面植筋率、植筋深度和植筋间距对UHPC-石材界面抗剪性能的影响.武芳文等［71］、He 等［72］、Guo 等［73］探究了钢-UHPC 组合结构与普通钢-混组合结构中PBL 剪力键力学性能的差异性.程震宇等［74-75］探究了MCL（改进螺旋线形组合销）连接件在超高性能混凝土组合梁中的抗剪性能.

对于在役桥梁加固领域，同样有大量研究得到开展，以论证采用UHPC 补强或修复混凝土结构的可行性、高效性和耐久性.Brühwiler 等［76］、Habel等［77］、Prem 等［78］、Safdar 等［79］、Paschalis 等［80］、Zhang等［81］、Hor等［82］对UHPC 加固混凝土梁、板的抗弯性能和时变行为进行了试验和数值分析研究，探讨了UHPC 加固形式（单面、双面以及三面围套加固）、混凝土构件损伤程度、UHPC强度、配筋率、厚度和收缩等参数对加固梁抗弯性能的影响，发现UHPC 加固层对混凝土构件的抗裂性能、刚度和极限承载能力均有明显提升作用，显著延缓了混凝土裂缝开展，UHPC-NC 结合面黏接牢靠，加固后构件整体受力性能良好.Murthy等［83］研究了配筋UHPC补强混凝土梁的弯曲疲劳性能和疲劳破坏模式，发现疲劳荷载下加固层并未剥离.Alaee 等［84］、Noshiravani 等［85］、Ji等［86］、Martin-Sanz 等［87］、Yin 等［88］开展了受拉侧UHPC 加固混凝土梁、板静力性能试验，发现加固后梁、板发生弯剪或剪切破坏，提出了针对UHPC-RC梁剪切破坏的理论模型并预测加固梁的抗剪承载力.Bahraq 等［89］、Chen 等［90］、张阳等［91］开展了现浇UHPC 侧面或U 形加固RC 梁抗剪性能试验，Sakr等［92］、Tanarslan 等［93］、Said 等［94］开展了预制UHPC板抗剪加固RC 梁试验，发现侧面或U 形UHPC 抗剪加固效果显著，单侧加固效果相对较差，预制UHPC板加固易发生界面脱胶剥离.UHPC-NC 界面黏结性能试验结果表明，合理处理后的界面黏结强度高，相容性好，可确保UHPC 加固可行且稳定有效.Car⁃bonell Muñoz 等［95］、Feng 等［96］、Hussein 等［97］、Zhang等［98］采用斜剪、劈拉和直拉等标准试验方法研究了UHPC-NC 界面的黏接强度和破坏模式.Jang 等［99］、Zhang 等［100-101］、杨俊等［102］、季文玉等［103］通过推出试验研究了UHPC-NC 界面的抗剪性能.吴香国等［104］、李文韬等［105］通过直剪、斜剪、轴拉试验对界面黏结强度以及黏结滑移性能进行研究，研究结果表明UHPC 与NC 界面黏结性能优异，通常表现为界面附近NC 破坏，90 ℃蒸汽养护会引起较大的收缩应力，导致UHPC-NC 界面黏结强度的降低.谢剑等［106］、Carbonell Muñoz等［95］、Tayeh等［107］开展了氯离子、水、气体渗透试验和冻融循环试验，评估了UHPC-NC 界面的抗渗透性能，证实了UHPC-NC 界面抗渗透和抗冻融性能良好.

同时，UHPC 在桥梁结构领域的应用不断拓展.据不完全统计，目前UHPC 已应用于主梁、拱圈、桥面板、桥梁接缝、旧桥加固等方面，世界各国应用UHPC 材料的桥梁已超过1 000 座［108］.与此同时，通过大量科学研究和工程应用，成果和经验的积累已逐步上升为技术标准.2016 年，法国颁布了正式的UHPC 结构设计规范《National addition to Euro⁃code 2—design of concrete structures：specific rules for ultra-high performance fibre-reinforced concrete （UHPFRC）》（NF P 18-710）［109］，作为欧洲混凝土结构设计规范的补充规范.该规范的框架结构与现行的欧洲规范完全一致，包括总则、设计基础、材料、耐久性和钢筋保护层、结构分析、承载能力极限状态、正常使用极限状态、钢筋和预应力筋构造要求、构件构造要求及特殊规定等内容，给出了详细而完备的UHPC结构设计方法.2015年，我国颁布了《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）［110］，规定了活性粉末混凝土（一种UHPC）的材料性能、原材料、配合比设计原则、生产、性能与评定等要求.此外，美国、瑞士、日本也已颁布了UHPC 材料或结构的相关技术规范或指南.

本文聚焦桥梁结构领域的最新研究进展，介绍了作者研究团队在UHPC 高性能桥梁结构方面所开展的研究工作，包括：针对重度疲劳开裂钢桥面危险性大且难以修复等难题，研发了钢桥面疲劳裂缝免修复的UHPC 加固新结构，有效遏制了疲劳裂缝的扩展风险，大大提升了在役钢桥的抗疲劳安全性；
针对危旧混凝土（NC）梁桥面临的开裂、渗漏等复杂病害问题，研发了UHPC 加固NC 桥梁新结构，减少了NC 梁桥的病害风险；
针对常规钢-混凝土组合梁桥中混凝土桥面板轻型化的发展需求，提出了UHPC矮肋桥面板结构，大幅减轻了桥面板自重并显著提升其耐久性；
针对大跨径预应力混凝土（PC）梁桥普遍面临的腹板开裂、梁体下挠等难题，研发了UHPC大跨径箱梁结构，变常规三向预应力PC 梁为密集横隔板单向预应力UHPC 梁桥，降低梁体自重，改善结构受力，减小病害风险；
契合装配式桥梁自重轻、施工便利等优势，研发了多种装配式UHPC 桥梁结构，包括中小跨径UHPC 装配式桥梁结构、NC-UHPC 组合装配式桥梁结构、UHPC 装配式盖梁结构，既减轻了结构自重、方便预制和吊装施工，又简化了接缝节点的施工工艺，丰富了装配式桥梁的结构形式；
针对日益突出的桥梁防撞风险，研发了UHPC 防撞新结构，提升了桥梁防撞结构的综合性能.本文围绕上述各类型结构的特点和优势、理论和试验研究进展、实际工程应用等内容进行介绍，以期为UHPC 桥梁结构的研发和应用提供新思路.

1.1 需求与对策

钢桥面的局部刚度较低，在重载车作用下易出现疲劳开裂病害［111-114］.我国大跨径钢桥建设始于20世纪90 年代，按国际上钢桥案例经验，运营约20 年的钢桥面将出现疲劳开裂高发期，如广东虎门大桥、武汉军山长江大桥等均出现了较为严重的钢桥面疲劳开裂现象，因此，我国早期修建的各种钢桥桥面将陆续面临疲劳开裂病害问题.

钢桥面疲劳开裂主要集中在板件焊接及过焊孔处，其中钢面板-U 肋连接处疲劳开裂最为普遍，裂纹穿透钢面板及U 肋，导致桥面局部刚度和承载力持续下降，雨水沿裂纹渗入桥面内部，加速钢梁锈蚀，严重威胁桥梁的安全耐久运营.厦门海沧大桥和武汉军山长江大桥中此类裂纹分别占钢桥面全部裂纹的58%［115］和78%［116］，而江阴长江大桥则几乎全部为此类裂纹［117］.同时，根据相关桥梁的实桥检测报告［116］，钢面板中还暗含大量隐形疲劳裂纹，导致钢桥面疲劳病害问题雪上加霜.

针对上述难题，作者研究团队提出了用于开裂在役钢桥面的UHPC 加固新结构［图1（b）］［57］.用焊有短栓钉的钢板条强化UHPC 底面，以防止因旧钢桥面开裂而导致UHPC底面开裂失效.上述UHPC加固新结构具有以下优点：1）桥面局部刚度大幅度提高；
2）加固后有效抑制钢桥面原有裂纹的扩展趋势；
3）UHPC 层与主结构同寿命；
4）自重基本持平，能适应在役大跨径柔性钢桥.

图1 适用于两种不同应用场景的钢-UHPC轻型组合桥面结构构造示意Fig.1 Schematic drawings of steel-UHPC lightweight composite deck adaptable to two different conditions

1.2 理论和试验研究

依托宜昌长江公路大桥，开展了相关理论和试验研究.经过详细比选，兼顾自重安全及加固效果，最终采用55 mm UHPC+10 mm TPO（Thin Polymer Overlay，薄层聚合物罩面）方案，如图2所示.

图2 基于UHPC的加固方案及整体有限元计算分析Fig.2 UHPC-based strengthening schemes and global finite-element analysis

按照我国《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）［118］规定的疲劳荷载，进行了局部有限元计算分析，以对比纯钢梁和UHPC 加固方案两种状态下钢桥面8 个疲劳细节（图3）的应力降幅，计算中考虑了钢面板-纵肋连接处纵向疲劳裂纹长度分别为0 mm 和4 000 mm 两种情形.计算结果表明，大桥钢桥面疲劳应力由加固前的55.28～286.81 MPa，降至加固后的12.01～50.34 MPa，降幅达30.63%～95.25%.

图3 疲劳细节位置Fig.3 Fatigue-prone details

计算中还关注了UHPC 底面横桥向拉应力随钢面板中纵向疲劳裂纹长度的变化规律.结果表明（表1），一旦钢面板出现长纵向裂缝，UHPC 底面的横向拉应力将陡然增加.因此，如果不设钢板条，UHPC底面的横向抗拉强度将难以满足实桥受力要求.

表1 钢面板裂缝对UHPC底面拉应力的影响Tab.1 Influence of crack length on tensile stress at the bottom of the UHPC layer

为了验证UHPC 加固方案应用于实桥的安全性，分别开展了钢-UHPC 轻型组合桥面加固结构横桥向、纵桥向及大型足尺模型试验，以充分论证结构的静力和疲劳性能，共完成了32 个构件试验和1 个大型足尺模型试验，如图4所示.

图4 作者研究团队所开展的模型试验Fig.4 Photographs of experimental tests accomplished

横桥向抗弯试验结果表明（图5），在UHPC 底面增设横向钢板条能够有效限制裂缝的萌生和发展，显著提高了UHPC 的横桥向抗裂性能.同时，纵向构件抗弯试验表明，钢-UHPC 组合梁的破坏模式为U肋底部屈曲，而此时UHPC 层的最大裂缝宽度仅为0.04 mm，对应的名义开裂应力达到30.1 MPa，具有良好的抗裂性能.

图5 钢-UHPC组合桥面正弯矩抗裂性能试验Fig.5 Experimental tests of steel-UHPC lightweight composite deck under positive moments

为了控制加固方案的自重，宜昌长江公路大桥首次在钢桥面UHPC 层上使用TPO 超薄磨耗层.TPO是一种以改性环氧树脂为胶结剂，以坚硬耐磨玄武岩为集料的高性能超薄铺面结构，其总厚仅10 mm，有效减轻了铺装自重.研究中开展了UHPC-TPO 复合构件的界面黏结性能试验（图6），结果表明，两者间具有较高的抗剪强度和抗拉拔强度（表2），能够满足长期服役下的界面受力要求.

表2 界面性能试验结果及对比Tab.2 Interfacial test results and comparison

图6 TPO界面性能试验Fig.6 Specimens of interfacial tests for TPO

1.3 工程应用

继军山长江大桥2018年成功应用之后［119］，本加固结构于2021 年第二次应用于跨长江大桥——宜昌长江公路大桥.该桥是沪渝高速公路（G50）在湖北省宜昌市境内跨越长江的一座特大型桥梁，为双塔单跨悬索桥（图7），跨径960 m，于2001 年9 月建成通车，至今已运营20 年.加劲梁采用扁平流线形钢箱梁，桥面全宽30.0 m，中心梁高3 m.桥面为正交异性钢桥面板，顶板厚12 mm；
行车道区桥面板采用U形加劲肋，U 肋厚6 mm、中心间距590 mm；
钢箱梁横隔板间距4.02 m，无吊索横隔板厚10 mm，有吊索横隔板厚12 mm，每两道横隔板梁之间设有一道高450 mm、板厚16 mm 的横向加劲肋.钢桥面原沥青铺装为7 cm厚双层SMA.

图7 宜昌长江公路大桥Fig.7 Photograph of the Yichang Yangtze River Highway Bridge

宜昌长江公路大桥的钢桥面于2014 年发现疲劳开裂现象，根据第三方2016 年检测结果，大桥整体状况较好，但钢桥面疲劳裂纹发展迅速，导致钢箱梁评分最低，亟须进行裂缝病害处置.钢桥面疲劳裂纹主要集中在以下位置：横隔板（横肋）顶部过焊孔周边开裂、U 肋与钢面板纵向焊缝开裂、横隔板弧形开口处开裂、横隔板与钢面板横向焊缝开裂.

鉴于钢桥面大量裂纹难以完全修复，且修复后短期内复裂的风险大，经相关部门评审、批准，宜昌大桥采用该技术对钢桥面进行全面升级改造，以期根本性改变已开裂钢桥面板的受力状态，并同步延长桥面磨耗层的寿命.

实桥维修加固工程于2021 年8 月5 日开始，12月4 日结束并开放交通.分两次分别浇筑上、下游幅桥面，在开始浇筑UHPC 至蒸养结束的时段内封闭全桥交通（约7 d），其他工序时保持半幅桥面交通的正常通行.桥面施工的工艺如图8 所示.UHPC 从跨中往两端对称浇筑，实现了约20 h 单次浇筑10 250 m2的高效施工新纪录.TPO 施工前，先对UHPC 表面抛丸糙化处理，随后分两次摊铺胶结剂和集料，即首先在UHPC 层上刷涂第一层树脂，撒布第一层集料，然后重复进行第二层树脂和集料的铺筑.TPO 施工工艺控制严格，平整度良好，保证了TPO 首次用作UHPC上罩面层的成功.

图8 宜昌长江公路大桥加固工程施工工序Fig.8 Constructional procedures for bridge deck retrofit of the Yichang Yangtze River Highway Bridge

2.1 需求与对策

目前我国桥梁总数已超过100 万座，其中大部分为混凝土桥梁.设计等级偏低、交通量激增、重/超载、环境侵蚀等导致混凝土桥梁出现了严重开裂、钢筋锈蚀、性能劣化等突出病害.据统计，我国约40%的桥梁服役超过20 年，其中三、四类桥占比达30%，危桥超过10 万座.然而现有加固技术无法兼顾加固效率、施工便捷、经济性和耐久防护，胶粘钢板/FRP加固成本高、耐久性差，胶粘易老化、加固层易剥离［120］；
预应力加固技术工序复杂，存在锚固点应力集中，体外索易腐蚀和振动疲劳等突出问题［121］；
增大截面法使用的普通混凝土（Normal Concrete，NC）或聚合物砂浆强度有限，加固效率偏低.因此针对危旧桥梁改造的迫切需求，研发高效、耐久、防护的新型加固技术迫在眉睫.

UHPC 是一种兼具超高力学性能和超强耐久性的高性能水泥基材料，具有多元开裂特性和远超普通混凝土的拉伸韧性［122］，其抗渗性、抗冻融、耐磨和耐化学腐蚀等耐久性指标也远强于NC［123-124］.UHPC与NC相容性好，二者界面黏结稳定可靠、强度高.自密实UHPC 施工性与可模性好，超细组分可修补RC结构表层较宽的裂缝.因此将UHPC 应用于加固修复可实现结构增强和耐久防护的双重功效［76］.作者研究团队提出了一系列预应力/钢筋-UHPC 加固RC结构方案，系统研究了UHPC-NC 界面黏结性能与基于UHPC的新型加固技术.

2.2 理论和试验研究

2.2.1 UHPC抗弯加固RC板

本研究依托国内某座受损斜拉桥主梁钢筋混凝土（RC）桥面板的加固工程，通过对3 块足尺箱梁顶板局部模型进行配筋UHPC 加固试验，重点研究了加固板在正负弯矩作用下的受弯性能［125-126］.如图9（a）所示，顶板横向长度为3 200 mm，横向净跨3 000 mm，纵向长度2 000 mm，厚度280 mm，其中UHPC 加固层厚度为50 mm，内部布置纵横双向钢筋网，并通过在顶板植入总长150 mm 抗剪栓钉与损伤RC 板连接.为模拟损伤RC 板的实际开裂情况，对待加固试件进行预压损伤加载，使其产生与顶板横向45°夹角的斜裂缝.

图9 UHPC加固箱梁顶板受弯性能试验Fig.9 Experimental study on flexural behavior of top deck of box girder strengthened with UHPC

试验结果表明，在负弯矩作用下，UHPC 加固层有效抑制了箱梁顶板初始裂缝的进一步发展，UHPC加固板开裂荷载及极限荷载分别提升至未加固对照板的2 倍和2.5 倍；
在正弯矩作用下，与对照板相比，UHPC加固层对开裂荷载无明显提升作用，但有效抑制了试件后期挠度及裂缝的发展，加固板极限承载能力提升了30%.此外，本研究还通过理论分析，提出了考虑UHPC应变硬化效应的UHPC加固RC板开裂荷载、极限承载力计算公式，并通过此试验以及已有研究的试验结果验证了计算模型的准确性.

2.2.2 增韧UHPC抗弯加固RC梁

为提升UHPC 的受拉性能以提高其加固效率，通过钢纤维表面粗糙化处理、UHPC 高温蒸汽养护、钢纤维定向处理及增配钢丝网等手段对UHPC 进行增韧处理并将其用于RC 梁受拉区加固［81］.通过1 根RC对照梁及12根RC加固梁抗弯试验重点研究了不同RC 梁损伤程度（损伤裂缝宽度分别为0.2 mm、0.3 mm 和0.4 mm）及不同增韧手段（UHPC 层增设钢丝网、纤维定向处理和蒸汽热养护）对加固梁受弯性能影响.如图10所示，RC梁长2 300 mm，宽200 mm，高300 mm，经预压损伤处理后采取配筋UHPC 加固，加固厚度设为50 mm，其内部配置4 根ϕ10 纵向受拉钢筋.

图10 增韧UHPC加固RC梁受弯试验Fig.10 Experimental study on flexural behavior of RC beam strengthened by toughness-improved UHPC layer

试验结果表明UHPC 加固梁均表现为典型的弯曲破坏，破坏前UHPC 加固层与RC 梁的整体工作性良好、未出现界面剥离破坏；
与RC对照梁相比，经配筋UHPC 加固后试验梁开裂荷载及抗弯承载能力可分别提高39.4%～233.7%和71.4%～126.3%，同时加固梁开裂及抗弯性能随着RC 梁的损伤程度加重而减弱，而增设钢丝网、纤维定向处理和热养护等UHPC 增韧措施能进一步提高加固梁抗裂和抗弯性能，其中增设钢丝网对于提高加固梁的工作性能最为有效.本研究同时提出了UHPC 加固梁极限承载力理论模型，模型基于Berkeley 混凝土卸载模型及简化塑性理论，考虑了RC 梁损伤程度对加固梁极限承载力的影响，可用于准确预测不同损伤程度UHPC加固梁的极限承载力.

2.2.3 预应力UHPC抗弯加固RC梁

针对重度开裂或需提高荷载等级的危旧桥梁，提出了预应力-UHPC加固RC梁新方法［127］.通过1根RC 对比梁（CB）及3 根RC 加固梁的四点弯曲试验重点研究了配筋UHPC 加固（RU）以及预应力加固（PU）对试验梁抗弯性能的影响.如图11所示，RC 梁几何尺寸为2 800 mm×400 mm×200 mm，净跨2 600 mm，UHPC 加固层厚度均为50 mm，其中RU 层中配置3×ϕ12 普通钢筋，PU 层配置2×ϕ12 普通钢筋和单根ϕ12.7的预应力钢绞线.

图11 先张法预应力UHPC加固RC梁受弯性能试验Fig.11 Experimental study of RC beam strengthened by pretensioned prestressed UHPC layer

试验结果表明加固梁均为弯曲适筋破坏，其UHPC-RC 界面黏结牢靠，无剥离现象发生；
与CB 梁及RU 加固梁相比，PU 加固梁在抗裂、刚度及承载能力方面均具有显著提高作用，其中开裂荷载平均分别提高87.8%和27.9%，抗弯承载力平均分别提高85.2%和31.7%；
但PU 加固梁延性相较于CB 梁有一定程度降低.

基于试验现象及分析结果提出了考虑预应力作用以及UHPC 约束收缩效应的PU 加固梁UHPC 层开裂荷载、RC 损伤裂缝重新开展荷载以及极限抗弯承载能力计算公式，并通过试验结果验证了理论模型的准确性.

2.2.4 UHPC抗剪加固RC梁

针对大跨连续梁、连续刚构、箱梁、T梁等薄腹混凝土梁桥腹板斜向开裂问题，提出采用高强钢丝网-UHPC 薄层加固损伤RC 梁腹板，以提高其抗剪性能［91］.通过1 根RC 对比梁及1 根UHPC 加固梁的三点弯曲试验验证了高强钢丝网-UHPC 薄层抗剪加固的有效性.如图12 所示，试验所设计的RC 原梁为工字形截面梁，梁长3 000 mm，梁高600 mm，上、下翼缘板宽度均为400 mm，腹板宽度140 mm；
梁底受拉翼缘纵向布置8 根ϕ25 mm 的钢筋，受拉纵筋配筋率ρ为5.0%，梁顶受压翼缘纵向布置4 根ϕ25 mm 的钢筋以增强受压区；
箍筋采用ϕ8 mm双肢箍，箍筋间距200 mm，箍筋配筋率ρsv为0.359%.加固所用现浇UHPC的钢纤维体积掺量为3%，浇筑在腹板两侧，浇筑厚度为20 mm，采用ϕ3 高强钢丝网，网格尺寸为100 mm×100 mm.拟加固RC 原梁先进行三点弯曲静力加载，剪跨段长度为1 400 mm，梁有效高度为560 mm，剪跨比为2.5，加载至腹板斜裂缝宽度达到0.20 mm后卸载加固.

图12 UHPC加固工字梁抗剪性能试验Fig.12 Experimental study on shear behavior of I-shaped RC beams strengthened by UHPC

试验研究结果表明：采用钢丝网UHPC 薄层加固RC 梁腹板可有效提高梁的抗剪承载力、刚度和抗裂性能，其斜裂缝开裂荷载提高了100%，极限承载力提高了34%，在0.88 倍峰值荷载下，加固梁表观最大裂缝宽度仍可控制在0.20 mm以内.UHPC层与NC界面黏结良好，未发生剥离破坏.有受压翼缘梁的剪切破坏模式与典型矩形梁剪压破坏模式存在差异，上翼缘宽厚的剪压区在极限荷载下无明显压溃痕迹，腹板与下翼缘交界处存在水平裂缝.

2.2.5 UHPC-NC界面性能研究

UHPC加固既有混凝土结构，其界面的黏结性能是保证加固效果的关键.受材料性能差异与构件受力模式等因素影响，UHPC-NC 界面的受力状态十分复杂，为探究不同因素对UHPC-NC 界面黏接性能的影响，采用斜剪、劈拉和直拉等标准试验方法研究了UHPC-NC 界面的黏接强度和破坏模式［98］，如图13（a）所示，其中斜剪试验采用100 mm×100 mm×300 mm）的棱柱体试件，界面倾斜角度为30°，劈裂试验采用直径150 mm×高300 mm 的圆柱体试件，直拉试验的构件尺寸与斜剪试验相同，界面与拉伸方向垂直；
设计了一种双面抗剪推出试验［100-101］，如图13（b）所示.通过试验研究探讨了NC强度、界面处理方式、湿润度、UHPC 养护条件、UHPC 龄期、界面剂、膨胀剂以及界面复合受力状态等因素对UHPC-NC界面抗剪强度的影响.

图13 UHPC-NC界面黏结性能试验Fig.13 Experimental study on the bond properties of UHPC-NC interface

研究结果表明，无论采用上述何种测试方法，均表现出优异的界面黏结性能.UHPC-NC 界面黏接强度都明显高于NC-NC 界面，试件破坏通常表现为界面附近NC 破坏、少有纯界面破坏；
UHPC-NC 界面抗剪强度随着NC 表面粗糙度、NC 强度和湿润度、UHPC 养护龄期的增大显著增加；
UHPC-NC 界面黏结强度在早期发展迅速，在UHPC 养护龄期为28 d时几乎达到其峰值.90 ℃蒸汽养护会引起较大的收缩应力，导致界面收缩附加应力增大，在一定程度上降低界面黏接强度；
压-剪受力显著提升界面抗剪强度，拉-剪受力严重削弱界面抗剪强度；
界面增设剪力键可以显著提高界面抗剪强度.环氧基界面结合剂的使用提高了平滑界面的黏接性能，但削弱了粗糙界面的黏接强度.UHPC 中膨胀剂的加入导致UHPC-NC界面早期黏结强度发展缓慢.

基于试验结果，根据摩擦抗剪机理，在莫尔强度理论下提出了规范修正后的界面抗剪承载力计算公式［（式（1）］，公式考虑了UHPC 收缩、界面处理方式、植筋、界面受力状态等因素，对界面黏接强度系数c值和摩擦系数μ值进行了修正，其中fctd为混凝土抗拉强度设计值，σn为垂直于界面的法向应力.

2.3 工程应用

近年来，一些混凝土桥采用了桥面铺装UHPC加固技术.赤石大桥（图14）、上海市新卫高速江家浜桥、京沪高速红花埠互通、郯城互通等桥梁的混凝土桥面板采用了5～6 cm 厚的配筋UHPC 铺装层进行加固，桥面加固层养护完成后无裂缝出现，结构刚度和整体性全面增强，桥面平整度、强度均满足设计要求.沪嘉高速蕰藻浜大桥桥面采用5～20 cm 厚的UHPC加固层对该桥桥面板下部进行加固，降低了桥面板横向应力.

图14 赤石大桥混凝土箱梁桥面加固Fig.14 Reinforcement of top deck of box girder on the Chishi Bridege

一些盖梁改造、撞击或火损桥梁修复工程采用了UHPC 加固技术.甘肃省某5座旧桥盖梁采用了配筋UHPC加固.山东某高速公路的T梁被桥下货车横向撞损，采用了钢模外包内填UHPC 加固.广州新化快速路长洲大桥遭受火灾，其中一跨的3 条火损梁预应力T梁混凝土表面剥落深度最大达到3.5 cm，钢筋裸露，在清除损伤的混凝土后，采用UHPC 对受损部位进行加固补强处理.武汉三环线部分桥梁受重载交通持续作用出现病害，采用UHPC 对病害腹板与底板进行了维修加固，如图15所示.

图15 武汉市三环线桥梁维修加固Fig.15 Maintenance and reinforcement of bridge on the Wuhan Third Ring Road

3.1 需求与对策

传统钢-混凝土组合梁一般是由下部钢梁和上部混凝土板共同组成的，其中，下部钢梁受拉、上部混凝土板受压，以充分发挥两种材料的力学性能.由于其结构受力合理，使得组合后的性能要优于两种材料性能简单的叠加，从而具有良好的技术和经济效益、良好的耐久性以及施工便捷、行车舒适等优点，在主跨600 m以下范围内具有较强的竞争力.应用于更大跨径桥梁时，相比钢梁，组合梁自重偏大.成为制约钢-混凝土组合梁进一步发展的主要技术瓶颈.

为降低自重，减少运维成本，作者团队依托湖南益阳青龙洲大桥工程，提出了适用于大跨径组合结构桥梁的UHPC 矮肋桥面板，如图16所示，其构造特点为：在降低桥面板自重的同时，确保其有足够的刚度，并尽可能简化构造，方便施工，确保质量［128-129］.

图16 UHPC矮肋桥面板构造图Fig.16 Schematic drawing of the UHPC deck with shallow ribs

3.2 理论和试验研究

UHPC 矮肋桥面板首次应用于湖南益阳青龙洲大桥，该桥是一座主跨260 m 的自锚式组合梁悬索桥.对大桥进行了整体和局部有限元分析，如图17所示，以探明UHPC 矮肋桥面板的受力状态，并对矮肋板及其接缝进行了模型试验研究.

图17 青龙洲大桥有限元分析Fig.17 Finite-element analysis of the Qinglongzhou Bridge

制作了两个UHPC 矮肋板横向足尺条带试验模型（224 cm 长×68 cm 宽×22 cm 高，纵肋间距68 cm），并开展了横向抗弯试验，掌握了UHPC 矮肋板的横向开裂强度、抗弯承载力和破坏模式等性能.

如图18 所示，UHPC 矮肋板的横向抗弯破坏过程可以分为三个阶段：线弹性阶段、裂缝发展阶段以及屈服阶段.破坏模式为UHPC 顶板内的受弯钢筋屈服.当UHPC 顶板底面裂缝宽度为0.05 mm 时，横向抗弯构件的平均开裂强度为12.7 MPa，是实桥UHPC 矮肋板横向抗弯设计拉应力值（2.55 MPa）的4.98倍.因此，UHPC 矮肋板具有良好的受力性能，能够满足实桥抗裂性能设计要求.

图18 UHPC矮肋板横向抗弯试验Fig.18 Experimental test for the transverse bending behavior of UHPC deck with shallow ribs

同时，制作了一个横向湿接缝构件，开展了三点抗弯试验，如图19 所示.试验中接缝构件的计算跨径为290 cm，重点观测的横截面主要包含三类，如图19（c）所示.UHPC 接缝处的破坏过程如下，首先弯拉裂缝出现在Ⅰ类截面处，随后Ⅱ、Ⅲ类截面处也相继出现弯拉裂缝，但整个试验过程中，最大裂缝宽度始终出现在Ⅰ类截面处，最后在竖向荷载达到255 kN时，构件在Ⅰ类截面处折断破坏，破坏模式属于延性破坏.同时，当特征裂缝宽度达到0.05 mm时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类截面处的开裂强度分别为6.02 MPa、10.18 MPa和17.67 MPa，均高于实桥横向湿接缝抗弯设计拉应力值（5.88 MPa）.因此，试验结果表明，UHPC 湿接缝同样具有良好的抗裂性能.

图19 钢-UHPC组合矮肋板横向湿接缝抗弯试验Fig.19 Experimental test for the bending behavior of the transverse wet joint

3.3 工程应用

青龙洲大桥的UHPC 矮肋桥面板于2020 年施工，分为厂内预制施工和现场接缝施工.其中，厂内预制施工流程包括4个施工环节：1）UHPC材料生产；
2）预制桥面板浇筑；
3）高温蒸汽养护；
4）存放运输.

现场湿接缝施工如图20 所示，主要包括以下环节：1）吊装摆放预制桥面板；
2）湿接缝处安设补强钢筋；
3）浇筑湿接缝UHPC 材料并使用振捣整平梁将桥面板表面振捣整平；
4）湿接缝蒸汽养护；
5）全桥桥面板上表面抛丸糙化，铺设桥面铺装层及上部其他结构，完成桥面板结构全部施工.

图20 青龙洲大桥现场桥面板湿接缝施工Fig.20 In-site construction of wet joint for the Qinglongzhou Bridge

4.1 需求与对策

预应力混凝土（Prestressed Concrete，PC）箱梁桥具有结构简单、施工便捷、造价较低等优点，广泛应用于60～300 m 跨径范围的桥梁［130］.然而，大量工程实践表明，已建大跨PC 箱梁桥在运营过程中普遍存在主跨过度下挠、梁体开裂和悬臂浇筑施工周期长等问题［131-133］.1997 年建成的虎门大桥辅航道桥，2004 年其跨中下挠已达22 cm（原设计预留值仅为10 cm），同时也存在一些横向裂缝和斜裂缝.此外，由交通部公路科学研究院对我国公路系统主要PC箱梁桥（主跨大于60 m，约180 座）的一次裂缝统计结果表明［132］：梁体开裂主要包括主梁上出现斜裂缝、横向裂缝、纵向裂缝、混凝土劈裂、横隔板裂缝以及齿板裂缝等.从总趋势来看，PC 箱梁桥100%开裂，且开裂病害严重，具有普遍性［131］.

针对传统PC 箱梁桥的主要病害和不足，作者团队基于UHPC 高强的力学性能、优异的耐久性和良好的体积稳定性，提出了新型全装配式单向预应力UHPC 薄壁箱梁桥方案［134］，如图21 所示.与传统PC箱梁桥结构相比，该结构具有以下特点：1）上部结构自重降低50%左右；
2）设置密集横隔板（3～5 m 一道）对顶板、腹板和底板加劲，并方便体外预应力束的锚固和转向；
3）简化预应力体系，取消传统PC 箱梁桥的竖向和横向预应力，只采用纵向预应力；
4）鉴于UHPC 箱梁结构高温蒸养后无后期收缩，UHPC 箱梁结构宜采用预制拼装的施工工艺，以便保证施工质量并缩短施工周期；
5）UHPC 的低徐变特性使得UHPC 箱梁的长期徐变变形仅为PC 箱梁桥的15%［135］；
6）UHPC 材料的高抗拉强度可大幅提高结构的抗裂性能.

图21 装配式UHPC箱梁桥结构示意Fig.21 Structural diagram of fabricated UHPC box girder bridge

4.2 理论和试验研究

作者课题组提出了400 m 级单向预应力UHPC连续箱梁桥概念设计（其关键断面如图22 所示），并开展了一系列基础研究.

图22 关键截面尺寸（单位：cm）Fig.22 Key section size（unit：cm）

根据我国公路桥梁设计规范规定的荷载组合，对400 m 级单向预应力UHPC 连续箱梁桥方案进行了有限元计算［136-137］以及全寿命成本分析［138］.结果表明：在不设置横向和竖向预应力时，墩顶主梁的腹板最大拉应力为2 MPa，能够满足斜截面抗剪承载能力的要求；
同时，基于箱梁的畸变、剪力滞效应和桥面板的局部受力分析，确定了合理的横隔板间距为3～5 m.另外，对4 种桥梁体系进行对比（以100 年设计周期为基准），如图23所示，除主跨420 m 的拱桥外，其余三种结构体系全寿命经济性不如装配式UHPC箱梁桥.

图23 全寿命成本Fig.23 Life cycle cost

为了进一步揭示装配式UHPC 连续箱梁桥的力学特点和局部构件的受力性能，本课题组开展了装配式UHPC 箱梁桥双悬臂梁结构的3∶20大型缩尺模型试验［139-143］［图24（a）］，分别对UHPC 箱梁接缝、扭转畸变、桥面板受力等方面进行了探讨；
同时，还开展了双悬臂UHPC 梁徐变试验［图24（b）］［139］、UHPC桥面体系1∶2 缩尺模型试验［图24（c）］［144］、UHPC 肋块式转向块足尺模型试验［图24（d）］［145］和UHPC 箱梁腹板3∶20 缩尺模型试验［图24（e）］［140］，试验结果表明：a）密集横隔板能提高接缝抗剪能力，接缝角趾开裂应变达到455 με，抗裂安全度可达1.63.此外，当横隔板数量从三块增加到四块后，箱梁扭转畸变应力下降了38%，竖向位移降幅为42%.相较于传统桥面板的受力特点（单向板），UHPC箱梁桥面板为双面板受力，轮载双向分配趋于均匀，桥面板受力效率提高，5.5 倍设计车轮局部荷载作用下，桥面板仍处于线弹性受力阶段；
b）UHPC梁的徐变变形为传统混凝土梁的20%；
c）横隔板上弦板横向受力的抗裂性能和承载能力均满足工程要求；
d）UHPC肋块式转向块其破坏模式主要表现为横隔板压溃，其抗裂系数可取为3.7；
e）横隔板对腹板具有较好的加劲作用，设置横隔板可有效改善腹板的抗剪性能，箱梁腹板剪切抗裂应力为8.3 MPa，400 m UHPC 连续梁桥的腹板抗裂安全度为1.8.

图24 400 m级UHPC连续箱梁桥试验Fig.24 Test of 400 m grade UHPC continuous box girder bridge

基于上述基础研究成果，作者研究团队首次将所提出的装配式UHPC 薄壁箱梁结构应用于广东省英德市北江四桥大站镇岸跨堤引桥，其上部结构为单跨102 m 单向预应力UHPC 简支箱梁桥.为保证该结构整体和局部受力的安全性以及构造的合理性，对该桥进行了整体和局部有限元分析（图25），并进一步对UHPC 箱梁桥整体抗弯（剪）性能和局部构件（桥面板、转向块、接缝和齿键等）展开了相应试验研究.

图25 102 m UHPC箱梁桥整体与局部有限元模型Fig.25 Global and local finite element models of 102 m UHPC box girder bridge

为探究节段预制拼装UHPC 箱梁桥的整体抗弯性能，制作了1∶4 全桥缩尺模型（9 个箱梁节段、每个长1 m）进行四点抗弯试验［146］，如图26 所示.试验结果表明：单向预应力UHPC 箱梁具有较好的延性，依据试验结果换算得到的实桥结构抗弯承载力为依托工程设计值的1.13 倍［未加载至破坏，如图26（c）所示］.

图26 UHPC箱梁桥整体抗弯试验Fig.26 Integral bending test of UHPC box girder bridge

同时，根据实桥优化尺寸，开展了UHPC 箱梁桥面体系的1∶2缩尺模型试验［147］［图27（a）］，试验结果表明UHPC 箱梁桥面体系在6.3 倍设计车辆局部轮载作用下，仍处于线弹性受力范围内，承载能力极限状态下，名义拉应力试验值是设计值的3.09 倍.此外，根据有限元分析结果，选择应力最大的UHPC 转向块进行1∶2缩尺模型试验［148］［图27（b）］，验证了实桥所采用的UHPC 横隔板式转向块其安全储备系数为6.51.为了探明两片箱梁间的纵向湿接缝以及预制节段间横向干（胶）接缝的力学性能并优化其构造，分别开展了6块UHPC 湿接缝板的横桥向抗弯性能试验［图27（c）］和9个UHPC键齿胶接缝的纵桥向抗剪性能试验［图27（d）］，试验结果表明：采用下部加厚方式的湿接缝其承载力最好，开裂位置不在湿接缝处，可以满足局部构造强度高于母材的设计要求；
相对而言，实桥采用的菱形湿接缝（未加厚处理）其力学性能最差，其极限承载力只有整体板的44.2%，但仍能满足实桥设计要求，抗裂系数达到1.57.平胶接缝承载力比平干接缝高6.8倍；
键齿胶接缝的抗剪承载力在构造形式方面只与接缝面面积及键齿根部面积有关，建议尽量采用大键齿来简化施工工艺.相较于未配筋大键齿而言，配筋UHPC 键齿胶接缝其开裂荷载和承载力分别提高了11%和19.5%.

图27 102 m UHPC简支箱梁桥试验Fig.27 Test of 102 m UHPC simply supported box girder bridge

4.3 工程应用

广东省英德市北江四桥大站镇岸跨堤引桥采用装配式单向预应力UHPC 箱梁结构，建成之后将成为世界上最大跨径、国内首座大跨公路UHPC 简支箱梁桥（单跨跨径102 m）.该桥上部结构桥宽37 m，梁高4 m，横向分为分离两幅桥，每幅桥由两个单箱组成，两个单箱之间采用UHPC 现浇湿接缝形成整体，如图28（a）所示.UHPC 箱梁具体尺寸如图29 所示，单个箱梁顶宽8.825 m，底宽6 m，顶板外侧悬臂长1.5 m，内侧悬臂长1.625 m.箱梁高4 m，跨中截面顶板厚20 cm，底板厚16 cm，腹板厚20 cm.每个单箱沿纵向分为25个预制节段（两个端部节段及23个标准节段），端部节段长5 m，其余节段长4 m.节段间采用键齿胶接缝连接如图28（b）所示，结构胶应保证在不小于0.3 MPa压应力条件下固化，且涂抹厚度不宜超过3 mm.该桥纵向按照全预应力构件设计，混凝土强度等级为R120.

图28 UHPC箱梁纵横向接缝构造示意图（单位：cm）Fig.28 Longitudianl and transversal joints of the UHPC box girder（unit：cm）

图29 UHPC箱梁标准断面尺寸图（半幅）（单位：cm）Fig.29 Sectional dimension drawing of UHPC box girder（unit：cm）

该桥采用长线法节段预制拼装工艺并于2020年开始施工，其主要施工流程如图30 所示.目前该桥已经完成上部结构UHPC 薄壁箱梁的全部预制拼装，以及UHPC 箱梁间纵向湿接缝的浇筑，目前正在施工桥面附属设施，预计2022年12月通车.

图30 102 m UHPC简支箱梁桥施工过程Fig.30 Construction process of 102 m UHPC simply supported box girder bridge

5.1 需求与对策

在我国，混凝土预制梁桥（T 形、空心板）具有结构简单、受力明确、架设方便等优点，广泛应用于中小跨径公路桥梁.然而，传统混凝土预制梁桥整体性差、耐久性低、自重相对较大等问题日益突出.此外，部分混凝土预制梁桥还存在预应力反拱不均的问题，施工质量难以保证，影响桥梁正常使用.

针对上述传统混凝土预制梁桥的问题，作者研究团队提出一种新型装配式UHPC“π”形梁桥［149］，如图31所示.

图31 装配式UHPC“π”形梁桥Fig.31 Fabricated UHPC“π”shaped beam bridge

从轻型化、少接缝、施工快和耐久性好的工程角度出发，装配式UHPC“π”形梁的高跨比可降低至1/20，主梁腹板厚度仅为0.1 m，整体重量为同等跨径“T”形梁的47%；
此外，“π”形梁是由两个“T”形梁和其支撑的桥面板整体预制而成，而“π”形梁之间的纵向接缝（受力薄弱环节），可采用局部加高的“T”形接缝，达到局部构造强度高于母材的设计要求，使得装配式UHPC“π”形梁桥整体刚度大大提高；
最重要的是，基于UHPC 的高韧性和高抗拉强度，中等跨径的装配式UHPC“π”形梁桥可取消预应力束，预应力反拱不均的问题将不复存在，从而简化施工并保证质量.此外，朱波［150］参考国内外30 m 级装配式UHPC“π”形梁桥工程实例，对比发现UHPC“π”形梁桥其自重仅为传统混凝土T 梁桥的70%，且其全生命周期成本远低于混凝土T 梁桥.宋林等［151］在进行装配式UHPC“π”形梁桥设计计算时，通过对比现有国内UHPC 标准［110］与法国UHPRFC 标准［109］，建议根据法国UHPFRC规范计算其收缩徐变.

5.2 理论和试验研究

为探究30 m 级装配式UHPC“π”形梁的力学性能，团队成员设计两根1∶2 缩尺T 梁模型（“π”形梁的一半），并分别开展其抗弯、抗剪力学试验，如图32所示.

图32 现场试验图Fig.32 Field test drawing

试验结果验证了UHPC“π”形梁的初裂应力及承载能力均能满足工程要求，依据法国规范计算，其相应荷载下的裂缝宽度大于试验实测值，证实了装配式UHPC“π”形梁桥的可行性［149］.

同时，为研究UHPC“π”形梁桥纵桥向现浇接缝的力学性能，设计并制作了湿接缝足尺模型进行四点抗弯试验，如图33 所示.接缝模型纵横肋相交位置最先开裂，按弹性理论计算得到其开裂应力为12.2 MPa，大于桥面板计算最大横向拉应力10.78 MPa，设计接缝强度满足桥梁的受力要求，同时也满足局部构造强度高于母材的设计要求.

图33 UHPC“π”形梁纵向湿接缝抗弯试验Fig.33 Bending test of longitudinal wet joint of UHPC“π”shaped beam

6.1 需求与对策

尽管UHPC 结构在受力性能和耐久性上表现优异，但现阶段其综合造价对于一般中小跨径桥梁不具有竞争性的优势.为了降低工程造价，将普通混凝土（Normal Concrete，NC）代替部分UHPC 所形成的UHPC-NC 组合结构逐渐得到广泛应用.组合梁的上部由预制或者现浇的NC 制成，兼作桥面板，承担纵向压应力；
组合梁下部的UHPC 承担拉力，利用UHPC 优异的裂缝控制能力［152］，提高桥梁的耐久性［153］.通常，NC 和UHPC 由剪力键连接，与钢-混凝土组合梁不同的是，UHPC-NC 组合梁两种材料均为水泥基材料，热膨胀系数相近，能保证两者在不同环境下协同受力.因而，两种材料各尽所能、协同工作，既保证了受力的技术优势，又保证了经济效益［154］.

对于中小跨径UHPC 梁桥，为了避免预应力反拱不均，保证施工质量，UHPC-NC 组合梁桥可以设计成非预应力结构，以充分发挥UHPC 优异的受拉应变硬化特性.对于非预应力UHPC 主梁，为满足其抗裂要求，通常需要密集配筋，但UHPC 梁截面尺寸通常较小，密集布置的钢筋会使得UHPC 中钢纤维局部分布不均，从而导致UHPC 保护层及钢筋间隙间的钢纤维含量偏低或钢纤维不连续，进而引起钢纤维“桥接作用”局部失效.基于此，作者团队提出了一种钢板-UHPC-NC 新型组合梁桥，如图34 所示.该桥型其主梁利用在UHPC 梁底设置加强钢板代替梁内部分受拉钢筋，可有效抑制UHPC 梁体的裂缝发展，提高其抗裂性能.该桥型因其具备高抗裂能力，可不设预应力钢束，故该桥型不仅能保证受力而且还能简化工艺，保证质量.

图34 钢板-UHPC-NC新型组合梁桥构造示意图Fig.34 Schematic diagram of the novel steel plate-UHPC-NC composite girder bridge

6.2 理论和试验研究

为了研究该新型钢板-UHPC-NC 组合梁的抗弯性能，根据依托工程（三洲坝桥）的实际尺寸设计了一片比例为1∶2 的工字梁模型.需要说明的是，由于试验场地的限制，在跨径上按1∶4 缩尺.缩尺试验模型构造图如图35 所示，其中试验梁长7 500 mm，跨中腹板厚60 mm，支点处腹板加厚至100 mm，加厚段长2 000 mm，腹板变化段长500 mm；
NC 顶板厚80 mm，宽580 mm；
底板UHPC 厚100 mm，其中钢板厚10 mm.采用四点抗弯加载，其中纯弯段长1.5 m，剪弯段长2.9 m，加载装置如图36所示.

图35 试验模型示意图（单位：mm）Fig.35 Schematic drawing of the test model（unit：mm）

图36 试验加载图（单位：mm）Fig.36 Set up of the test model（unit：mm）

试验梁的荷载-跨中位移曲线如图37 所示.由图可见，在试验荷载作用下，组合梁的加载过程可以分为三个阶段：1）线弹性阶段：加载初期荷载较小，钢板与UHPC 均未达到屈服应变或开裂应变，梁体处于线弹性受力阶段.2）裂缝发展阶段：当试验荷载达到97 kN 时，受拉区UHPC 内部开始出现了微裂缝，试验梁进入裂缝发展阶段.加载至403 kN 时，底板裂缝宽度达到0.05 mm（该宽度满足耐久性要求），此时对应的名义应力为21.88 MPa.3）试验荷载达到845 kN时，试验梁发出响声，承载能力迅速下降，同时试验梁主裂缝急剧扩大，位移不断增加，结束加载.

图37 荷载-跨中位移曲线Fig.37 Load-mid span deflection curve

UHPC和NC之间结合面在试验中未发生滑移破坏，表明采用箍筋抗剪连接件连接和凿毛处理两种方式能保证两者的有效连接.同时，钢板与UHPC 主梁之间未发生较大滑移，未发展成剪切破坏面，说明采用栓钉抗剪连接件，满足结合面抗剪能力要求.

6.3 工程应用

广东省清远市三洲坝桥，如图38 所示，上部结构采用5 跨30 m 的简支梁桥，桥宽7.5 m，按双向两车道设计，设计时速为20 km/h，设计荷载标准为公路-Ⅱ级，桥梁安全等级为二级.该桥上部结构采用钢板-UHPC-NC 组合结构，采用预制钢板-UHPC 主梁，现浇C50 桥面板的施工方法.其中，预制钢板-UHPC 组合梁梁高144 cm，钢板厚2 cm，底板UHPC厚20 cm，宽80 cm，跨中腹板厚12 cm，支点附近腹板加厚至20 cm，C50 桥面板厚16 cm，如图39 所示.端部现浇横隔板、预制UHPC 主梁和现浇NC 桥面板连接构造如图40 所示.该桥的应用，对于中小跨径桥梁，尤其是城市桥梁及农村公路改造，起到了良好的示范作用.

图38 三洲坝桥Fig.38 Bridge of San Zhou Ba

图39 钢板-UHPC-NC组合梁断面图（单位：mm）Fig.39 Cross-sectional drawing of the steel plate-UHPC-NC girder（unit：mm）

图40 端部横隔板及NC桥面板连接构造示意图Fig.40 Schematic drawing of the end diaphragm and NC deck

7.1 需求与对策

装配式桥梁是我国土木领域的重大战略发展方向.目前，桥梁上部结构和桥墩的预制装配技术已趋于成熟并大量应用，但桥梁的下部结构施工仍以现场浇筑为主，该部分施工工期占现场施工的50～60%以上，现浇盖梁施工过程中对周围环境和居民的影响较大，并且需要阻断交通，造成一定的经济损失.如果下部结构也采用装配式施工，则可以极大地缩短工期，实现桥梁的快速化施工.但是，盖梁导致下部结构难以实现全装配式施工，其主因是常规混凝土（NC）预制盖梁质量过大，可达200～400 t，对于大规模盖梁（30 m 以上），其自重甚至能达到500 t 以上，运输和吊装困难很大.此外，常规混凝土盖梁的耐久性较差，其在服役期间易出现开裂、混凝土剥落和材料强度退化等问题.

实现盖梁的轻型化并提升其耐久性，是装配式桥梁一个亟待解决的问题，而这却是混凝土结构无法摆脱的弊病.要实现盖梁的轻型化并满足装配式施工，高性能材料的应用是一个解决思路，UHPC 可以很好地解决这一技术难题，并使其具有更好的受力性能和耐久性.对于中小型盖梁，湖南大学UHPC桥梁研究团队［155-156］提出了全预制轻型UHPC薄壁盖梁方案，可以实现盖梁的一次吊装到位.而对于大型盖梁（长度30 m 以上），全预制UHPC 盖梁方案也会有较大的自重，由此研究团队进一步提出了UHPC外壳+NC 内芯组合盖梁，仅需吊装7 cm 厚的UHPC外壳，将UHPC 外壳作为模板吊装就位，然后浇筑内芯混凝土，最后实现结构的整体受力.

7.2 理论和试验研究

7.2.1 全预制轻型UHPC薄壁盖梁

全预制轻型UHPC 薄壁盖梁方案的设计理念是：根据长沙市湘府路改造工程的盖梁原结构形式，采用变截面薄壁箱梁结构，六边形截面.采用UHPC材料，充分利用其超高强度、优异的耐久性，维持传统混凝土盖梁结构外形，将实心结构改为薄壁结构（壁厚控制在20～30 cm），较大的挖空率可以减少自重40%以上，可实现一次性吊装到位；
并布置少量的预应力筋，实现一次张拉完成，极大地减少现场施工工序，从而实现全预制拼装的工艺要求.具体的结构布置结合模型设计尺寸进行说明.

为探究这种新型结构形式的安全性和可行性，设计并完成了两片相似比1∶2 的大比例模型加载试验，对结构的正截面抗裂、抗弯承载力、斜截面抗裂和抗剪承载力展开了研究和分析，并通过有限元分析进行了验证.试验盖梁的基本构造如图41 所示，为方便模型制作，将截面缩简为四边形，作为安全储备.模型全长12.1 m；
梁高从悬臂端部的0.515 m线性变化至根部的1.05 m；
顶、底板标准段厚0.125 m；
腹板标准段厚度为0.1 m.试验盖梁为部分预应力UHPC 构件，共配置19 根1×19S 型缓黏结预应力钢绞线，采用后张法施工，张拉控制应力为1 209 MPa.纵向抗弯主筋采用直径32 mm 的HRB500 钢筋；
箍筋采用直径8mm 的HRB400 钢筋，箍筋间距为50～100 mm.

图41 全预制轻型UHPC薄壁盖梁构造图（单位：mm）Fig.41 Overview of the prefabricated lightweight thin-walled UHPC bent cap（unit：mm）

模型试验的目的是研究盖梁的抗弯和抗剪性能，对抗弯而言，纯弯段跨中截面为最不利截面；
对抗剪而言，悬臂承受的剪力从端部到根部逐渐变大，悬臂根部为抗剪最不利截面.综合考虑试验条件和试验目的，制定加载方案如图42所示.

图42 盖梁加载示意图（单位：mm）Fig.42 Loading setup of the bent caps（unit：mm）

抗弯和抗剪试验的主要结果如图43、图44 所示.抗弯试验临界开裂荷载为1 150 kN 时，产生宽度为0.05 mm的裂缝，此时对应原结构承受1.23倍频遇组合作用；
极限荷载为2 450 kN 时，对应原结构承受1.7 倍基本组合作用.抗剪试验的临界开裂荷载为1 430 kN，对应原结构承受1.2 倍频遇组合作用；
极限荷载为3 200 kN 时，对应原结构承受1.7 倍基本组合作用.试验结果证明其具有十分优异的超载能力、抗裂、抗剪和抗弯性能、变形能力，结构设计具有很高的安全度，完全可以应用于实际的工程设计.

图43 UHPC盖梁抗弯模型试验Fig.43 Bending test of the UHPC bent cap

图44 UHPC盖梁抗剪模型试验Fig.44 Shear test of the UHPC bent cap

针对UHPC 盖梁的抗弯和抗剪性能，文献［155］给出了盖梁的正截面开裂弯矩和抗弯极限承载力计算方法，建议计算开裂弯矩时偏安全地将塑性影响系数分别取为1.0 和2.0；
建议计算抗弯承载力时，受拉区均匀应力分布换算系数k取0.6.文献［156］提出了UHPC 盖梁的斜截面开裂剪力和斜裂缝宽度计算公式，并对UHPC盖梁的抗剪承载力进行了评估.

根据试验结果和理论分析，在进行预应力UHPC盖梁设计时，建议适当增加预应力筋用量、减少普通钢筋和箍筋用量，提高结构抗裂性能，并能提高结构抗弯和抗剪承载能力，同时还能有效增加UHPC 流动空间，有利于增加其密实度.通过试验总结UHPC盖梁的施工建议如下：盖梁模型在浇筑时，封闭内模承受较大的浮力，必须采取防上浮措施；
如果结构配筋较多，浇筑UHPC时须适当振捣，确保其密实性.

7.2.2 UHPC外壳+NC内芯混凝土组合盖梁

全预制UHPC 盖梁方案主要适用于中小型盖梁结构，以及运输和吊装设备条件较好的情况.对于大规模盖梁（长度30 m 以上），搭设支架施工费用高，施工风险较大.采用预制盖梁方案则存在着超限运输、安装设备要求高、盖梁分段后现场连接困难等问题，这对城市桥梁工业化技术和绿色建造技术的推广带来了较大的制约.

针对上述超大规模盖梁工业化生产、运输和吊装的问题，团队提出了一种预应力UHPC 外壳-NC内芯组合盖梁，如图45 所示，包括预制UHPC 外壳（仅70 mm 厚）、纵向和竖向加劲钢板、内设型钢框架及内芯NC 混凝土（不再布置普通钢筋）.其中，加劲钢板的作用是抗剪并减小UHPC 收缩、钢框架的作用是抗扭和抗剪.施工时，外壳（UHPC、钢板、框架）在工厂整体预制，张拉初期预应力后运输至现场安装，墩顶就位后浇筑内芯NC 混凝土、强度达到后张拉后期预应力，形成整体.安装过程无须搭设临时支架，且外壳吊装质量轻（<120 t），预制装配化程度高.

图45 UHPC外壳+NC内芯混凝土组合盖梁Fig.45 UHPC shell+NC composite bent cap

该盖梁UHPC 外壳不仅起到结构的作用，也兼具模板的作用，考虑到吊装重量，UHPC外壳较薄，无法布置普通钢筋，其抗剪性能在一定程度上需要加劲钢板提供.目前，研究团队针对这一结构形式的力学性能，正在开展相关的理论分析和试验研究.

8.1 需求与对策

随着我国交通系统的日益完善，RC 桥梁在服役期间易遭受来自车辆、船舶、滚石等其他物体的侧向撞击［4］.由于撞击荷载具有局部化、高强度、瞬态化的特点，以及混凝土自身的脆性，桥梁结构在撞击荷载下往往表现出局部破坏和整体破坏［157］，各类撞击已成为桥梁失效的一项重要原因［158-159］.

提高桥梁结构抗撞性能的途径一般有两种，其一是利用高性能材料来提高桥梁结构的自身抗力，例如采用UHPC对桥墩进行局部的增强增韧［160］或直接采用UHPC 桥墩［161］，但这种“硬抗”的方法不利于同时保护桥梁结构和撞击物（尤其车辆、船舶等载人撞击物）；
另一种则是借助外部防撞结构来降低桥梁结构的碰撞响应［162-178］.例如，针对传统钢套箱，Wang等［168］、Jiang 等［169］、Fan 等［164］开展了试验和数值研究，结果表明钢套箱可显著降低撞击力峰值并增大撞击力持时，但在高能量船撞下，钢套箱易发生局部塌陷，进而导致桥梁结构的动力响应不减反增，针对该缺陷，Fan 等［164］提出在钢套箱外围增设RC 面板的构造措施.Wang 等［170］提出了一种“钢丝绳圈+钢架”的防撞装置，其兼具耗能与导向功能，但当船舶初始动能较高或船首刚度较大时，船舶会卡在装置内而无法实现拨转船头的预期功效［171］.由于防船撞装置的服役环境恶劣，面临严峻的腐蚀退化和耐久性问题，诸多学者提出了不同形式的高性能复合防撞套箱，其中纤维增强复合材料较为常用［162，172-174］.在桥梁结构的防车撞和滚石撞击方面，防撞装置的构造设计与防船撞装置的类似，其设计目标都是使防撞装置具备稳定、较强的消能能力.Pan 等［175-176］提出了一种“U 形钢板+玻纤增强复合蜂窝管”防撞装置，通过水平车撞试验检验了该装置的防撞效果，并强调防撞装置的尺寸应适应耗能需求.Yan等［177］设计了5种“钢板+泡沫”的耗能芯层结构，用于桥梁的防泥石流冲击.综上所述，精心设计的防撞结构可吸收大量的碰撞动能，充当可牺牲的“保险丝”，具备同时保护桥梁结构与撞击物的潜力，而设计不当的防撞结构往往不能充分发挥其防撞作用，甚至不利于桥梁结构的保护［164］.发展性能优越的构造形式和简易实用的设计方法是防撞结构研究中亟须解决的问题.

针对上述问题，作者团队针对车撞、船撞和滚石撞击，提出了多种基于UHPC 的防撞结构，并开展了大量的试验研究与分析［165-167，178］.

8.2 理论和试验研究

图46 为基于UHPC 的防车撞保护结构［165］，其组成包括UHPC 顶、底板和竖向波纹管，依靠波纹管的塑性变形实现耗能.针对该防撞结构，开展了6 组落锤冲击试验，研究了波纹管厚度、波纹管数量、UHPC板类型、冲击能量等参数的影响.试验结果表明UHPC面板具有良好的抗撞性，可稳定地发挥其传递冲击荷载的作用；
冲击力对波纹管数量比厚度更为敏感，而增加波纹管厚度比增加其数量更有利于提高防撞结构的耗能能力；
UHPC面板中植筋可减小整体结构的位移响应.此外，提出了一种多目标优化设计流程，为该防撞结构的实际应用提供指导.

图46 基于UHPC的防车撞结构［165］Fig.46 UHPC-based protective structure for vehicle collision

图47 为基于UHPC 的防船撞保护结构［166］，UHPC 板内配有钢筋和剪力钉，在UHPC 面板之间设有波折板耗能层.针对该形式的UHPC 防撞结构，开展了系列落锤冲击试验，研究了面板材料（UHPC 和普通RC）、波折板厚度、植筋间距和落锤几何形状的影响.主要结论包括：相较于普通RC 面板，UHPC 面板具有更佳的耐撞性和耐久性，如图48 所示，仅在撞击点处发生轻微损伤，而普通RC 面板则产生明显的断裂裂缝；
UHPC板内植筋对结构的冲击响应和损伤影响轻微.

图47 基于UHPC的防船撞结构［166］（单位：mm）Fig.47 UHPC-based protective structure for vessel collision（unit：mm）

图48 两种面板的损伤情况［166］Fig.48 Damage of two kinds of panels

为进一步探索更为合理、有效的UHPC 防撞结构的构造形式，设计了5 种不同钢核心构型的UHPC-钢-泡沫三明治防撞结构，分别为传统框架型、异位框架型、波折板型、水平圆管型和竖管型，如图49 所示［167］.针对这5 种防撞结构，开展了14 组准静态压溃试验，着重探讨了防撞结构的变形模式以及填充聚氨酯泡沫的影响.主要结论如下：不同构型的防撞结构的力学性能显著不同，异位框架型和水平圆管型的力-位移曲线不具有初始峰值力；
竖管型防撞结构的抗压溃性能过高而难以应用于实际工程；
填充聚氨酯泡沫可显著提升防撞结构的吸能量和比吸能，并对结构变形起一定的限制作用.此外，采用优劣解距离法对这5 种三明治防撞结构进行了压溃性能评估，发现水平圆管型和异位框架型的总体性能最优，图50 展示了这两种防撞结构的压溃变形过程.

图49 5种UHPC-钢-泡沫三明治防撞结构［167］Fig.49 Five kinds of UHPC-steel-foam sandwich protective structures

图50 两种推荐防撞结构的压溃过程［167］Fig.50 Crush process of two suggested protective structures

在准静力压溃试验的基础上，又对这5 种UHPC-钢-泡沫三明治防撞结构开展了19 组落锤试验［178］，如图51所示，主要结论包括：填充聚氨酯泡沫可提高防撞结构的抗冲击性能；
UHPC面板有助于夹芯层充分发挥其耗能能力，不加UHPC 面板会导致防撞结构发生局部凹陷；
提高夹芯层厚度可提高其抗压溃能力；
传统框架型和波折板型防撞结构在落锤冲击下呈倾斜的变形模式，而异位框架型和水平圆管型呈均匀下沉变形模式；
竖管型由于过大的初始刚度而不适用于实际的结构防护.图51 展示了冲击荷载下非竖管型防撞结构的变形模式.

图51 冲击荷载下非竖管型防撞结构的变形模式［178］Fig.51 Deformation mode of protective structures except for vertical tube type

8.3 工程应用

填充泡沫的水平圆管型钢-UHPC 组合防撞结构已首次应用于长沙会展中心桥，用于抵抗中、小碰撞动能的船舶撞击，如图52所示.

图52 长沙会展中心桥Fig.52 Exhibition Center Bridge in Changsha

2021—2022 年，作者团队编制了多部UHPC 桥梁相关技术标准，本节对规范的主要情况进行简要介绍.

编制了中国公路学会团体标准——《高韧性混凝土组合桥面结构技术指南》，丰富了钢-薄层UHPC 轻型组合桥面结构的设计理论；
同时，编制了中国土木工程学会团体标准——《超高性能混凝土梁式桥技术规程》，为UHPC 梁式桥的设计应用提供了参考.

同时，由湖南大学主编的两部交通部行业标准均取得实质性进展，其中，《钢-高韧性混凝土组合桥面设计与施工规范》已完成送审稿评审，《公路桥涵超高性能混凝土应用技术规范》（以下简称“应用规范”）则已进入报批稿阶段.下面对应用规范的特点和内容做进一步介绍.

应用规范以行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）为基础，结合国内外的UHPC 工程经验、规范标准和技术成果，同时吸纳编制单位的研究成果编制而成.在编制过程中，编写组吸收了国内外几乎所有公开发表的试验数据，以《公路工程结构可靠性设计统一标准》（JTG 2120—2020）为依据，对其中的抗弯、抗剪、抗冲切、局部承压等公式均进行了可靠度校准，确保规范的可靠性与安全性.该规范主要内容包括：原材料与配合比、超高性能混凝土性能、结构设计、施工、质量检验与评定等.

材料进步是桥梁结构科技进步的重要源动力.UHPC具有优异的力学性能和耐久性，与普通混凝土或预应力混凝土结构相比，UHPC具有高抗裂和抗拉强度，提升了结构的耐久性，而与钢结构相比，UHPC结构无须焊接，疲劳开裂风险进一步降低，为桥梁结构的高性能化发展提供了广阔空间.本文具体的结论与展望如下.

1）基于UHPC 超高的力学性能和超长耐久性，作者团队研发了多种高性能结构：研发的重度疲劳开裂钢桥面UHPC 加固新结构通过设置横向钢板条提高UHPC 加固层正弯矩下的抗裂强度，满足实桥超10 MPa 的高拉应力，加固后钢桥面疲劳应力降低达30%～95%，将显著延长钢桥面的疲劳寿命，为我国早期修建的大跨径钢桥桥面疲劳加固提供了可行方法.

2）提出的系列增韧/预应力配筋UHPC 加固技术充分利用了UHPC 材料的拉伸韧性和其与NC 结合面优异的黏结性能，加固后损伤混凝土梁开裂荷载及承载能力较原结构分别提高了233%和126%，可实现危旧梁桥结构增强和耐久防护的双重功效.

3）研发的UHPC 矮肋桥面板，其自重相比普通钢-混凝土组合梁的桥面板降低约50%，且新型桥面结构具有更优的抗裂性能和耐久性.

4）研发的全预制拼装UHPC 盖梁，其自重较普通混凝土盖梁降低约40%以上，且UHPC 盖梁具有更优的抗裂性能、承载能力和耐久性；
研发的单向预应力UHPC 箱梁体系，解决了传统PC 梁桥其梁体开裂和主跨过度下挠的两大顽疾，大幅提升了混凝土箱梁桥的经济跨径（约400 m），为大跨桥梁提供了新的思路.

5）研发的新型装配式UHPC“π”形梁桥，从轻型化、少接缝、施工快和耐久性好的工程角度出发，解决了传统预制梁桥预应力反拱不均、施工质量难以保证的问题，是中小跨径桥梁较具竞争力的方案；
研发的无预应力钢板-UHPC-NC 组合梁桥，拥有良好的承载能力和抗裂能力，且具有良好的经济性和施工便利性，可以作为新建中小跨径桥梁的推广方案，尤其适合于农村公路快速改造.

6）研发的钢-UHPC 组合高性能防撞结构，充分利用UHPC 高耐撞性、超高耐久性能和钢材高延性、耗能经济性，将高耐撞面板与优化耗能拓扑结构有机组合，具有耐久性和经济性优异的特点，可实现寿命提升2～5 倍，全寿命成本降30～87%，减少碳排放30%～80%.上述新结构具有自重轻、强度高、耐久性优、构造简单、施工方便等突出优点，有望从根源上提高结构的性能和品质.

目前，国内外学者都在积极进行各类UHPC 高性能桥梁结构的研发和应用.随着今后工程应用的不断增多以及技术标准体系的完善，UHPC的材料成本将进一步降低、施工工艺也将更加成熟，将在桥梁工程领域发挥更大的优势，不断促进我国桥梁朝向高性能化的方向发展.

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