超高性能混凝土在国内外桥梁工程中的应用

蒋欣 汤大洋 胡所亭 张周煜 石龙

1.武汉工程大学土木工程与建筑学院，武汉 430074；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；4.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）是一种抗压强度大于120 MPa的新型水泥基复合材料。UHPC的早期研究可追溯到20世纪80年代初，丹麦学者Bache［1］提出了混凝土的细料致密法（Densified with Small Particles，DSP）。该方法通过硅灰和高效减水剂的组合效果来减少材料内部缺陷，降低孔隙率，提高整体密实度，制备的混凝土抗压强度可以达到150 MPa。1987年丹麦奥尔堡水泥与混凝土实验室［2］在DSP混凝土里掺入钢纤维，并配有受拉钢筋，制备出同时具有超高抗压强度和抗拉强度的密实增强复合材料（Compact Reinforced Composite，CRC）。1994年法国学者Larrard等［3］在DSP理论的基础上以石英砂为骨料，配制出了抗压强度为164.9 MPa的密实混凝土，并首次提出了超高性能混凝土的概念。UHPC基于最大堆积密度理论设计，由水泥、石英砂、硅灰、纤维及高效减水剂等组成的纤维增强水泥基复合材料组成，与一般混凝土相比其内部缺陷更少。由于其内部微裂缝较少，孔隙相互不连通，显著降低了材料渗透率，从而提高结构耐久性。研究表明，UHPC材料的耐久性可达200年以上［4］。此外，UHPC中致密分布的纤维将大大减缓微裂缝的发展，从而增强材料的抗拉能力，使其表现出超高的韧性和延性。UHPC和其他等级混凝土的力学性能和耐久性能对比见表1。可见，UHPC的抗压强度和抗折强度等力学性能都高于普通混凝土，耐久性能指标也远远优于普通混凝土和高性能混凝土。

表1 不同等级混凝土力学性能和耐久性能指标对比

自UHPC概念被提出后，由于超高的力学性能和优异的耐久性能，逐渐成为土木行业中的热点，各国相关规范与标准在不断制定与完善中。尤其是近6年来，大量规范主要从UHPC的材料性能与结构设计两个方面提出了相关要求和建议。UHPC相关规范的不断涌现与完善，以及这种新材料在实际工程结构中的持续应用，快速地促进了UHPC在土木工程领域的发展及研究。2018年中国工程院战略咨询中心发布了有关土木水利与建筑工程的前沿报告［5］，超高性能混凝土位列工程研究的第二位，被广泛应用于大跨度桥梁、建筑、水利和海洋等工程。同年中国设立了第一个有关UHPC的国家级重大项目［6］。

目前常规桥梁结构存在自重大、铺装层易磨损且修复工作量大、预制构件间连接薄弱等问题，发展性能优异的UHPC材料和结构是解决现有工程难题的可行方法。与普通混凝土相比，UHPC具有超强的抗压强度、较低的水灰比、致密的微观结构、极少甚至没有粗骨料、掺杂纤维等特点。当其应用于桥梁结构中时可减小构件尺寸，降低桥梁自重，节约施工时间，降低环境影响。同时，UHPC具有极低的孔隙率，能更有效地防止有害元素侵入结构内部，提高桥梁结构的耐久性，减少后期维护成本。从桥梁的全寿命周期看，UHPC比普通混凝土在经济性和使用功能方面更具优势［7］。

1 国内外UHPC桥梁的发展历程

加拿大是最早将UHPC材料应用于桥梁结构的国家。1997年在加拿大魁北克省兴建了Sherbrooke预应力UHPC梁桥，桥跨径为60 m，由6个预制空间桁架UHPC构件拼装组成，采用后张法施工［8］。这是世界上第一座UHPC桥梁，由此拉开了UHPC应用于桥梁结构的序幕。

法国是最早实现UHPC商业化的国家。2001年法国同时进行了Bourg-lès-Valence OA4和OA6两座预应力UHPC公路桥的建造，是世界上最早的UHPC公路桥梁。2011年法国建成了一座横跨A51高速公路的单跨47 m预应力UHPC箱梁桥——La Chabotte桥，为修建UHPC大跨径预应力桥梁提供了参考。此后，法国建造了多座UHPC大桥，如跨径67.5 m的Passerelledes Anges人行桥和跨径27 m的Pinel公路桥等［4］，为UHPC桥梁的发展做出重大贡献。

韩国着重于UHPC新型结构体系的研究，在充分发挥材料特性的基础上降低工程造价，以建立经济、环保、耐久的UHPC桥梁。为此，韩国先后开展了三项有关UHPC的研究计划：①Bridge200研究将UHPC应用于桥梁的上部结构，提高桥梁的耐久性；②Super Bridge200计划改进了UHPC所用材料的配比，通过减少钢纤维掺量降低了UHPC成本，并在2009年修建了世界上第一座UHPC人行斜拉桥——Super Bridge I；③Super Structure2020旨在推广UHPC在桥梁、风力机塔、浮筒等民用建筑结构中的应用，于2017年建成了世界上第一座UHPC公路斜拉桥Chuncheon桥。

2001年美国联邦公路局（Federal Highway Administration，FHWA）启动了多项UHPC研究项目，项目的重点之一是UHPC预制构件。FHWA与爱荷华州运输部、爱荷华州立大学和拉法基北美分公司对UHPC进行了5年合作研究后［9］，于2006年在爱荷华州瓦佩洛县修建了美国第一座UHPC桥梁——Mars Hill桥。2008年在爱荷华州布坎南县使用UHPC预制π梁完成了Jakway公园大桥的建造。FHWA UHPC项目的第二个重点是UHPC用于构件的连接［10］。2009年美国首次将UHPC作为连接件材料应用于纽约州的State Route 23和State Route 31两座公路桥上。美国UHPC在桥梁工程上的应用多为预制构件及接缝浇筑。至今为止，北美地区约有350座桥梁使用了UHPC材料［11］。

马来西亚是UHPC桥梁应用最多的国家。2010年马来西亚在Kampung Linsum峡谷建造了该国第一座UHPC桥梁，此后马来西亚的UHPC桥梁的应用呈快速增长趋势，见表2。

表2 马来西亚历年UHPC桥梁数量

其中UHPC主梁结构主要有4类［4］：全UHPC T梁、UHPC-RC（Reinforced Concrete）组合梁、全UHPC箱梁和全UHPC下承式槽梁。2010年建造的Kampung Linsum桥采用了UHPC-RC组合梁，组合梁下缘受拉区为UHPC材料，上缘受压区采用宽度为4.5 m、厚度为200 mm的RC桥面板，充分发挥了UHPC的材料特性，节省了工程造价。随后2012年在马来西亚霹雳州完成了跨径为90 m的Sungai Nerok桥的施工，该桥采用全UHPC T梁。2014年建成的Sungai Bertam JK1桥是一座单跨30 m的UHPC槽形简支梁桥，采用预制UHPC槽形梁现场吊装装配完成。2015年国内单跨最大的UHPC公路桥Batu6桥建成通车。Batu6桥单跨100 m，分为40个节段，采用预制UHPC节段箱梁拼装而成。截至2020年底，马来西亚已完成了187座UHPC桥梁的建造［12］，成为了目前世界上建成UHPC桥梁最多的国家。

我国对UHPC的研究始于20世纪90年代初。1993年黄政宇等［13］介绍了国外钢纤维混凝土的发展，并进行了200 MPa超高强钢纤维混凝土的相关试验研究。1999年覃维祖等［14］正式引入了UHPC的概念。由此，拉开了我国UHPC研究的序幕。UHPC材料在我国土木工程中的早期应用可以追溯到2003年北京石景山斜拉桥工程中［15］。该桥在隔离带采用2 000 mm×1 200 mm×60 mm的UHPC空心板以减轻桥梁自重。2005年在迁曹铁路滦柏干渠大桥［16］工程中，首次使用UHPC制作了跨径为20 m的预应力简支T梁，梁高1.35 m，跨中腹板厚度为18 cm，这是国内第一座UHPC桥梁。2011年在肇庆马房大桥工程中首次将UHPC用于桥面加固工程中。2015年由清华大学牵头编写了我国第一本UHPC规范GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》［17］，同年广东省交通运输厅发布了第一本UHPC应用在桥梁上的技术规程GDJTG/T A01—2015《超高性能轻型组合桥面结构技术规程》［18］。2020年由中国铁道科学研究院主持编撰的《公路桥涵超高性能混凝土应用技术规程》也已立项。与此同时，UHPC应用于桥梁上的工程实例越来越多，2015年陈宝春团队［19］在福州大学校园内修建了跨径10 m的UHPC人行拱桥，这是国内第一座UHPC拱桥。2016年建成通车的长沙北辰虹桥是国内首座预制节段拼装预应力UHPC箱梁桥，大桥全长74 m，主跨跨径为36.8 m。2019年南京长江五桥使用全新的设计理念和施工工艺，首次采用了粗骨料活性粉末混凝土来制作桥面板［20］，是世界上首座使用含粗骨料UHPC桥面板的斜拉桥。到目前为止，我国约有120座桥梁使用了UHPC材料［21］。

此外，瑞士、德国、奥地利、捷克、日本等国也都有UHPC桥梁的工程实例，瑞士使用UHPC对Chillon高架桥的桥面板进行重新铺装，德国修建了世界上首座UHPC-钢组合梁桥Gärtnerplatz桥，奥地利建成了主拱跨径70 m的UHPC公路拱桥，捷克在2014年修建了跨径（43+156+43）m的UHPC人行斜拉桥，日本建成了主跨跨径49.2 m的UHPC预应力人行桥，见表3。可见，随着UHPC技术的不断成熟，UHPC在桥梁中的应用越发广泛，各类UHPC结构和桥型也不断改进和完善。截至2020年底，全世界应用UHPC的桥梁已经超过1 000座［21］。

表3 国内外具有代表意义的UHPC桥梁

总的来说，近20年来UHPC获得了广泛关注，在世界范围内桥梁工程中的应用也日益增多。法国着重于不同类型UHPC桥梁的开发；美国侧重于桥梁预制UHPC构件与现浇接缝；韩国研究的重点是开发低造价的UHPC材料；马来西亚侧重于UHPC主梁结构的研发；UHPC在我国桥梁工程中的应用最为广泛，涉及预制UHPC构件、桥梁接缝、桥面结构、主梁等多个方面。

2 UHPC在桥梁结构中的应用

自1997年UHPC首次被应用在桥梁领域后，世界各国相继开展了对UHPC的深入研究。在桥梁结构中，UHPC主要应用于主梁结构、桥面结构、桥梁接缝。

2.1 主梁结构

主梁材料为普通混凝土的桥梁随着跨径的增大，由材料缺陷引起的结构问题越来越显著：大跨径的预应力梁式桥存在着下挠过大的问题；对于拱桥，自重是制约跨径继续增大的重要因素；对于斜拉桥、悬索桥，在拉索、吊杆的作用下主梁的开裂问题难以规避。在主梁中采用具有高强、抗拉、耐久等优异特性的UHPC材料是解决上述难题的有效途径。选择UHPC代替传统混凝土作为桥梁主梁结构，可以降低桥梁自重，改善混凝土开裂，增加耐久性。

主梁结构使用UHPC的桥梁大致可分为2种类型：

1）全UHPC梁。2002年韩国和法国为纪念两国建交100周年，在首尔仙游岛公园内修建了一座人行拱桥［22］。其主拱跨径为120 m，由6个预制UHPCπ型拱肋节段和1个合龙节段预制拼装而成。这是世界上第一个也是单跨最大的UHPC拱桥。主拱结构采用UHPC材料，使得其主拱厚度从普通混凝土的12 cm减小到3 cm，大幅度减少混凝土的使用量，减轻了桥梁的自重，降低了工程成本。2008年10月美国弗吉尼亚州运输部为研制比传统钢筋混凝土更薄、更轻的桥梁，采用UHPC工字梁和现浇普通混凝土桥面，完成了Cat Point Creek桥的建造。2013年中国学者邵旭东等［23］针对预应力混凝土连续箱梁下挠过大的问题［24］，提出了单向预应力UHPC薄壁连续箱梁结构，并对UHPC连续箱梁桥进行了概念设计。研究表明，这种新型UHPC连续箱梁结构自重仅为传统预应力混凝土箱梁桥的1/2，能有效减小桥梁的挠度，延缓裂缝的开展。目前该结构已应用于中国广东省英德市北江四桥上。2015年韩国土木工程与建筑技术研究所（Korea Instituteof Civil Engineering and Building Technology，KICT）和韩国DAELIM公司在K-UHPC设计指南［25］的指导下完成了世界上第一座UHPC公路斜拉桥Chuncheon桥的设计工作，并于2017年建成通车。该桥跨径为100 m，使用了高度为1.8 m的UHPC主梁，自重比常规混凝土梁降低了33%，从而减少了斜拉索和基础的数量，以达到降低造价的目的［26］。

2）UHPC-RC组合梁。为节约成本，充分利用UHPC材料的优异性能，提出了UHPC与RC的组合结构［27］，在主梁下缘受拉区使用UHPC材料，上缘受压区采用RC材料，相对于全UHPC梁或RC梁，UHPC-RC组合梁充分利用UHPC的抗拉强度及普通混凝土的抗压强度，比RC梁节省了混凝土用量［28］。2017年马来西亚建成了当时世界上最长的多跨UHPC公路桥——KT-KB桥。该桥全长420 m、宽度为13.6 m，由40个UHPC主梁节段预制拼装而成，其主梁下缘为预制U型UHPC结构，上缘使用现浇C40混凝土桥面板，大幅度降低了桥梁自重，节省了上部结构造价。2019年中国学者刘兆锋等［29］以主跨260 m钢-普通混凝土混合主梁的斜拉桥设计方案为基础，提出将钢主梁替换成UHPC主梁，形成UHPC-RC混合主梁斜拉桥方案，并对比了2种方案的结构静动力性能、稳定性能和经济性能，分析了其应用于实际工程中的可行性。截至目前，全世界至少有200座桥梁在主体结构（主梁、拱圈等）中使用了UHPC材料［11］。

2.2 桥面结构

UHPC在桥梁结构中常被用于桥面铺装层和桥面板。

2.2.1 UHPC用于桥面铺装层

桥面铺装层属于桥梁结构的直接磨损部分，不仅受到车辆的摩擦作用，还受雨水侵蚀和热膨胀等环境的影响。随着社会经济的快速发展，交通量不断增加导致桥面铺装层的使用寿命显著缩短。针对这一问题，瑞士洛桑联邦理工大学Oesterlee等［30］提出了一种新型RC-UHPC组合桥面结构，基本思路是使用UHPC作为加铺层来修复破损的钢筋混凝土桥面，用高强度、低渗透的UHPC层保护受车辆荷载损伤的RC结构，大幅度延长结构的使用寿命。该结构可以在不更换整个桥面的前提下进行桥面修复，大幅度降低桥面维修成本。2004年该桥面结构首次应用于瑞士的一座跨径10 m的RC梁桥的修复工程中，在其受荷载损伤的桥面板上铺设一层厚度3 cm的UHPC保护层［31］。2010年湖南大学邵旭东团队［32］首次提出了UHPC铺装层和正交异性钢桥面板组成的钢-UHPC轻型组合桥面板结构。该结构先在正交异性钢桥面板上焊接剪力钉，再浇筑45 mm的UHPC薄层，从而将钢桥面转变成新型正交异性钢板-薄层UHPC组合桥面。该组合结构能提高桥面刚度，降低表面沥青混凝土的开裂风险，从而解决铺装层易损坏和钢桥面结构易疲劳开裂的难题［33］。2011年该结构已被应用于广东肇庆马房大桥的桥面铺装层修复工程中。截至2021年，我国已有45座桥梁应用了该桥面结构［11］。2021年中国铁道科学研究院左照坤等［34］通过有限元进行力学性能分析，验证了UHPC铺装体系对铁路钢桥面具有良好的适用性。相较于传统的混凝土桥面铺装，UHPC用于桥面铺装修复或直接用作桥面铺装层具有更好的耐久性能。

2.2.2 UHPC用于桥面板

鉴于UHPC良好的抗渗透与抗腐蚀性能，其亦被直接用于桥面板，可较大程度地减小顶板厚度，减少材料消耗，减轻梁体自重。2007年7月工程师Fehling等在德国卡塞尔建成了世界上首座UHPC-钢组合梁桥——Gärtnerplatz桥，该桥是在旧桥的基础上重建的［35-36］。由于旧桥的基础承载能力有限，新的上部结构自重存在严格的限制。为此，选用UHPC作为桥面板材料，与钢桁架形成UHPC-钢组合结构，以减轻上部结构自重，并满足结构承载力要求。针对美国北部冻融环境下桥面板劣化的问题，FHWA在法国“井”字形UHPC桥面板的基础上提出了“华夫饼”式桥面板，并于2013年发布了华夫饼式UHPC桥面板技术报告［37］。2011年在美国爱荷华州建成的Little Cedar Creek Waffle Deck桥［38］首次引入了UHPC华夫板结构，并在连接部位采用现浇UHPC，它是美国首座全UHPC桥面板的桥梁。为解决大跨径钢-混凝土组合梁自重大、桥面板易开裂的问题，湖南大学邵旭东团队［39］提出了一种钢-UHPC轻型组合梁桥结构，将UHPC华夫板与钢主梁通过栓钉连接，共同受力，确保在减少自重的同时保持桥面的刚度。目前该结构已应用在湖南省益阳青龙洲大桥上。该桥为自锚式悬索桥，其桥面板为钢板与UHPC华夫板的组合结构，桥梁全长1 636 m、宽度36.5 m，已于2021年6月25日正式通车。

2.3 桥梁接缝

装配式桥梁具有施工周期短、质量可靠、建造成本低等特点，但预制构件间连接往往是其薄弱点［40］。UHPC因其良好的力学性能为此提供了一种有效的解决方案。2006年加拿大安大略省的Rainy Lake桥首次将UHPC用于全预制UHPC桥面板间的连接，以及钢梁与桥面板的连接。2012年在对沥青路面的目视检查中未发现任何裂缝，UHPC接缝表现良好［38］。2010年FHWA发布了关于桥面板UHPC接缝在周期性荷载与静载作用下的力学性能分析报告［41］，研究表明采用UHPC处理接缝可显著减少钢筋的锚固长度，简化连接部位构造并提高装配式结构抗裂能力。2013年，FHWA在报告中列出了北美地区有近50座桥梁在接缝部位采用UHPC材料［42］。2014年FHWA以纽约州4座公路桥为例为UHPC连接的设计和施工提供指导［43］。2016年，上海S3高架桥在纵向接缝中采用了UHPC材料，免去了钢筋焊接，提高了施工效率。针对大量公路桥梁扩建而产生的新老桥梁接缝的连接问题，同济大学刘超等［44］以上海市济阳路高架新老桥梁拼接项目为背景，对UHPC接缝的局部受力性能进行了分析。研究表明UHPC接缝具有良好的抗变形能力，满足新老桥梁接缝的受力要求。周立兵等［45］以主跨820 m的钢混斜拉桥为背景，提出一种在钢格室中填充UHPC材料的方案，以提升结合段的传力性能和抗疲劳性能，目前该结构已应用于武穴长江大桥上。2019年Qi等［46］对UHPC接缝形式进行了优化，提出了一种利用钢丝网增强现浇UHPC接缝的新方法。因其形状类似燕尾，这种接缝被称为UHPC燕尾型接缝，目前已应用于南京长江五桥的桥面板间的连接。2020年陈艳良等［47］为研究装配式桥梁纵向接缝的合理形式，以广东惠清高速麻埔停车区跨线桥为背景，提出了一种局部加高的UHPC接缝形式，并开展抗弯试验与传统UHPC平头接缝进行对比。研究表明，局部加高接缝的开裂荷载接近平头接缝的2倍。在《2019年度中国超高性能混凝土（UHPC）技术与应用发展报告》［48］中，明确指出UHPC用于预制构件间的连接时，可显著提高装配式结构的抗裂、抗震、抗疲劳等性能。

3 结语

UHPC作为一种新型纤维增强水泥基复合材料，具有超高的力学性能和优异的耐久性能。随着国内外学者对UHPC的材料特性与结构性能的大量研究，各国相关规范与标准不断完善，UHPC在桥梁工程中的应用也不断增多。与传统的混凝土桥梁相比，UHPC桥梁自重较轻、结构致密、耐久性好和维护费用低，UHPC被广泛应用于桥梁主梁、桥面结构及接缝等部位，具有良好的应用前景与推广价值。

另一方面，UHPC的应用仍存在诸多挑战：①高昂的造价是限制UHPC推广的主要因素。据市场调查，UHPC的原材料成本普遍在5 000元/m3以上，考虑到施工与养护，成品UHPC造价甚至高达15 000元/m3，远高于普通混凝土；②UHPC材料自身的水胶比较低、胶凝材料用量大，将导致其早期收缩较大，开裂风险较高，强度120 MPa的UHPC现场往往采用普通养护，而150 MPa以上的UHPC则常须采用高温蒸养等措施；③施工时相比普通混凝土更为复杂，在搅拌时常采用干拌与湿拌相结合的方式，且须采用分层撒布钢纤维并配振动筛作业以减轻纤维结团与分散不均；④对UHPC的研究未臻成熟，用于指导设计与施工的相关规范与标准尚不完善。