高性能钢-UHPC组合结构力学性能试验与理论研究

杨振伟　雷蕾　吕秀媛　叶新宇　戴苏妍

摘 要：钢-超高性能混凝土（UHPC）组合结构是一种新型结构体系，近年来被越来越多地应用在实际工程之中，对其性能的研究有着更加深远的意义。文章基于高性能组合桥梁的结构新体系，分析传统钢混结构存在的问题，简述高性能材料近年来在工程上的应用及超高性能混凝土在工程应用方面的优势，简要分析装配式组合结构桥梁剪力连接方式和预制桥面板接缝构造，进行装配式组合结构桥梁体系的力学性能试验和理论研究。

关键词：钢-UHPC;装配式;力学性能

随着我国桥梁建设规模的扩大以及道路建设的升级，桥梁呈现出桥型更加多样、跨径不断增大、结构更加轻盈、更加注重美观和综合效益的发展趋势。普通混凝土自重过大、大跨径组合结构桥梁的负弯矩区容易产生开裂、钢与混凝土连接滑移和铺装层易损坏等诸多问题，均制约了钢混组合结构在桥梁工程中的使用和发展。普通混凝土桥面板易发生开裂，将可能导致主梁的结构刚度下降和非线性现象增强、界面组合作用减弱、内部钢筋及下部钢梁锈蚀等病害，严重影响桥体结构的耐久性等。合理应用工程新材料解决土木工程难题、突破工程技术瓶颈，已成为众多土木工程学者的共识，其中，材料和结构形式方面的理论及应用创新是桥梁钢混组合结构的主要创新途径。

1    高性能组合桥梁的结构新体系

1.1  高性能材料的应用

近十年来，高性能钢材（HPS）发展飞速，尤其是在钢材的强度、可焊性、耐候性及断裂韧性等方面，取得了长足的进步，能够很好地满足桥梁对动载、耐蚀和耐震等方面的性能需求。

在大跨度桥梁钢桥面的应用方面，高性能钢材主要应用于大跨重载铁路桥梁;钢-超高性能混凝土材料则可增强正交异性钢桥面的稳定性及耐久性。

UHPC材料和高性能钢材等高性能结构材料的发展，为组合结构桥梁体系创新和综合性能全面提升注入了新的活力。在量大面广的中小跨径城市桥梁中，为适应结构轻型化和高耐久性等方面的需求，高性能钢-混凝土组合梁桥以及钢-UHPC轻型组合梁桥因选用了高性能结构材料，具有广阔的发展和应用前景。

1.2  超高性能混凝土在工程应用方面的优势

与传统混凝土相比，UHPC在工程应用方面具有诸多优势。

（1）具有超高的力学性能。其强度远远高于传统混凝土，可以适用于更多环境，即使在超载或地震以及各种恶劣的情况下也会表现出优越的稳定性，最大限度地降低财产的损失，较好地优化了工程材料性能。

（2）具有超高的耐久性。其质地致密度极高，氯离子和硫酸盐的渗透率几乎为零，有利于缩短建筑的更替时间，延长工程材料使用寿命，进而节约建筑维修维护的相关费用。腐蚀程度低且慢的超高性能混凝土在恶劣环境下为混凝土材料的使用提供了工程应用上的基本保证。

（3）重量较低。相同体积下其重量仅是传统混凝土重量的一半。自重的减少有利于建造更加细长的建筑，在降低了混凝土厚度的同时，有利于增强其弹性变化量及结构底部稳定性。

1.3  基于装配式的钢-混凝土组合梁桥结构的应用

随着桥梁工业化建造技术的发展，装配式组合梁桥体系应运而生，核心是将工厂化制造的钢梁和预制桥面板在现场进行快速拼装，极大地提高了桥梁建设速度，但普通的装配式桥梁由于材料缺乏耐久性，仅作为应急桥梁，不能长期使用，且后期不能转化。

在使用高性能材料替代传统桥梁材料后，装配式钢-混凝土组合梁桥体系具有高耐久性、可更换性等技术优势。近年来，以装配式组合钢箱梁为主的桥梁结构体系，在我国一些长且大的公路桥梁中得到了应用，比如：上海长江大桥105 m主跨连续组合钢箱梁桥、港珠澳跨海大桥85 m主跨连续组合钢箱桥。

2    基于装配式的高性能钢-UHPC组合结构

2.1  装配式钢-UHPC组合结构桥梁力学性能实验方法

针对装配式钢-UHPC组合结构桥梁的结构特点，通过试验和理论分析对该桥梁体系的抗裂性能、组合性能等的研究，采用4组装配式钢-UHPC组合结构梁，在相同的环境下进行结构静力加载试验，得到实验数据后，研究剪力连接度的规律、装配式钢-UHPC组合结构桥梁的破坏模式，论证装配式钢-UHPC组合结构桥梁的受力性能。同时，结合两组推出试验，分析该连接结构的水平传力机理。此外，设计并进行一个新型装配式组合梁的抗弯试验，探讨其破坏形式以及荷载-挠度曲线，通过有限元分析软件ABAQUS，结合抗弯试验结果，对组合结构桥梁各部件进行分析，通过与试验结果的比较进行建模分析，并验证模型的准确性，对组合梁的破坏机理做进一步分析。

2.2  装配式组合结构与预应力技術相结合

基于装配式的高性能钢-UHPC组合梁在工程中采用了耐大气腐蚀钢、钢-混凝土界面连接胶及波形钢腹板等新型材料，可构成双钢箱闭合截面，该组合结构与预应力技术相结合，发挥出了更大的结构优势。

（1）让结构更加轻盈，降低桥梁自身重量，让桥梁稳定性更好，承载能力更大。

（2）使构件抗腐蚀性能更好，延长工件使用寿命。

（3）提高结构刚度，充分发挥钢结构强度高、韧性好等优点，弱化风力作用，进而减小空气磨损带来的不利影响。

（4）在兼顾美观和经济、提高桥梁结构的跨越能力的同时，发挥出结构优势，建造双层桥面。

（5）在一定程度上降低建筑成本、实现了复杂桥梁结构的自动化生产。

3    结语

应用装配式钢-UHPC组合结构桥梁建造技术，不但可以大幅度提高施工的质量，还可以延长建筑的使用寿命，减少施工的时间，减少开支，同时，也可以减少施工过程中产生的污染，保护环境。装配式组合结构桥梁能良好地适应桥梁工业化建造技术，具有广阔的发展和应用前景。

作者简介：杨振伟（1999— ），男，河南周口人，本科生;研究方向：土木工程。