超高性能混凝土（UHPC）作为一种具有超高的力学性能和超高的耐久性能的水泥基复合材料，自1993年研发成功后，便引起了桥梁界的极大兴趣和高度重视。在桥梁工程中，UHPC已被应用于主梁结构、拱桥主拱、华夫板桥面结构、桥梁接缝及旧桥加固等多方面。据不完全统计，到2016年底为止，世界各国已有超过400座桥梁采用UHPC作为主要或部分建筑材料，超过150座桥梁采用UHPC作为主体结构材料。
UHPC材料在全球桥梁工程中的应用
| 图1给出了世界各国采用UHPC作为主要或部分建筑材料的桥梁分布图（不完全统计），从图1可以看出，目前将UHPC材料作为主要或部分建筑材料的桥梁主要分布在亚洲（东亚、东南亚）、欧洲、北美洲和大洋洲，主要包括马来西亚、中国、日本、韩国、越南、缅甸、法国、德国、瑞士、荷兰、奥地利、捷克共和国、意大利、斯洛文尼亚、西班牙、加拿大、美国、澳大利亚、新西兰等国家。其中马来西亚、美国、加拿大、中国、日本等国家应用UHPC材料的桥梁均在20座以上。 |
图1 UHPC在国内外桥梁应用情况不完全统计图
在UHPC桥梁结构的应用和推广方面，马来西亚目前已经处于世界领先水平，仅马来西亚一国就已经建成93座（2016年底）UHPC桥梁，均为主梁结构采用UHPC材料。北美洲（加拿大和美国）主要将UHPC材料应用于桥梁接缝，约有188座采用UHPC材料的桥梁，其中约有10座为主体结构（主梁）采用UHPC材料，其余178座主要将UHPC应用于桥面板接缝等局部构造。而中国目前约有32座桥梁采用了UHPC材料，其中约有5座桥梁主体结构（主梁、拱圈）采用UHPC材料，其余27座主要用于钢-UHPC轻型组合桥面结构、现浇接缝、维修加固等方面。
各国代表性UHPC桥梁
下表列出了部分具有代表性的UHPC桥梁。下面就世界各国具有代表性的UHPC桥梁做简要介绍。
|
序号 |
桥名 |
国家 |
年份 |
跨径 |
桥型结构 |
UHPC应用 |
|
1 |
Sherbrooke Pedestrian Bridge |
加拿大 |
1997 |
60
|
空间桁架梁人行桥 |
3cm桥面板主桁钢管砼 |
|
2 |
Bourg-Les-Valence Bridges |
法国 |
2001 |
22.5 |
两跨预制预应力连续梁公路桥 |
π形主梁纵向接缝 |
|
3 |
Sunyudo (Peace) Footbridge |
韩国
|
2002
|
120
|
中承式拱桥人行桥 |
π形主梁 |
|
4 |
Sakata-Mirai Footbridge |
日本
|
2002 |
50.2
|
单跨体外预应力简支梁人行桥 |
箱形主梁 |
|
5 |
PS 34 Overpass Bridge |
法国 |
2005
|
47.4 |
单跨后张预应力简支梁公路桥 |
箱形主梁 |
|
6 |
Papatoetoe Footbridge |
新西兰 |
2005
|
29 |
预制预应力简支梁人行桥 |
π形主梁 |
|
7 |
Horikoshi Ramp Bridge |
日本
|
2005
|
16
|
组合梁公路桥 |
I形梁 |
|
8 |
Shepherd's Creek bridge |
澳大利亚 |
2005
|
15 |
预制预应力砼简支斜梁公路桥 |
π形主梁/桥面板 |
|
9
|
Torisaka River Bridge |
日本
|
2006 |
45 |
波纹钢腹板梁公路桥 |
移动导梁下弦杆 |
|
10 |
Mars Hill bridge |
美国 |
2006 |
33.5 |
预制预应力简支梁公路桥 |
工字形主梁 |
|
11 |
Penrose Footbridge |
新西兰 |
2006 |
20 |
预制后张预应力简支梁人行桥 |
π形主梁 |
|
12 |
滦柏干渠大桥 |
中国 |
2006 |
20 |
低高度后张预应力梁铁路桥 |
T形梁 |
|
13
|
Gaertnerplatz Bridge |
德国 |
2007 |
36
|
变截面空间桁架人行桥 |
桁架上弦杆桥面板 |
|
14 |
Cat Point Creek bridge |
美国 |
2008 |
24.8
|
预应力简支梁公路桥 |
工字形主梁 |
|
15 |
Wild bridge |
奥地利 |
2010 |
70 |
上承式拱桥 |
5cm厚箱型拱肋 |
|
16
|
Kampung Linsum Bridge |
马来西亚 |
2010
|
50
|
UHPC-RC组合梁桥 |
U形主梁 |
|
17 |
马房大桥 |
中国 |
2011 |
64 |
简支钢混组合梁 |
桥面板 |
|
18 |
Batu 6 Bridge |
马来西亚 |
2014 |
100 |
预应力箱梁桥 |
箱形主梁 |
|
19 |
Celakovice Footbridge |
捷克 |
2015
|
156
|
人行斜拉桥
|
梁板式主梁 |
|
20 |
长沙跨街人行桥 |
中国 |
2016 |
36.8 |
预应力连续箱梁桥 |
箱形主梁 |
加拿大
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，采用了法国的UHPC材料，如图2所示。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30℃条件反复冻融侵蚀，该桥在1999年获得Nova奖提名。
图2 加拿大Sherbrooke人行桥
法国
法国是第一个将UHPC成功商业化的国家，并于 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形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 箱形梁公路桥–PS34 跨线桥，UHPC箱形主梁顶板宽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。
日本
2002年，日本第一座UHPC人行桥Sakata-Mirai 桥建造完成，如图3所示，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。日本第一座公路UHPC桥梁为修建于2005年的Horikoshi Highway C-ramp Fukuoka 桥，跨径为16m。非常有意思的是，2006年日本将UHPC材料应用于顶推导梁的下弦杆，完成了一座全长554m长，11m宽的预应力混凝土波形钢腹板箱梁桥（Torisalogawa 桥）的顶推施工，如图4所示。
图3 日本Sakata-Mirai人行桥
图4 日本Torisalogawa 桥顶推导梁及顶推施工
韩国
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，如图5所示。该桥由6个预制后张预应力π型节段组成，截面高1.3m。值得关注的是，2007年韩国提出一个Super Bridge 200的计划，该计划以斜拉桥为主要应用对象，研究用UHPC修建寿命达200年的桥梁，示范性修建了世界上第一座UHPC人行斜拉桥（Super Bridge I）,如图6所示。2013年韩国又提出了Super Structure 2020的计划，推广UHPC在桥梁等领域的应用。目前，一座UHPC斜拉桥（Legoland Theme Park Bridge）正在修建，为独塔双跨斜拉桥，主跨100m，圆环形主塔高35m，主梁采用UHPC双主梁，桥面板厚15cm，主梁自重减少30%，预计2017年完工，将成为全世界第一座UHPC公路斜拉桥，如图7所示。
图5 韩国Sunyudo (Peace) 人行桥
图6 韩国Super Bridge I桥
图 7 韩国Legoland Theme Park 桥
德国
2005年，德国开展了一个超过20个研究机构参与，经费达1200万欧元的UHPC研究项目“Sustainable Building with UHPC”（基于UHPC的可持续建筑），为制定全面的UHPC技术标准提供研究成果。于2007年，德国Kassel修建了第一座多跨UHPC桥梁Gärtnerplatz桥。该桥为人行和自行车两用桥梁，共有6跨，桥长133.2m，最大跨径36m，跨越Fulda河，如图8。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通过环氧树脂胶连接。Gärtnerplatz桥为世界上首座UHPC-钢组合桥梁。
图8 德国Gärtnerplatz桥
美国
2006 年在爱荷华州建成了美国第一座UHPC公路桥—Mars Hill桥，2008 年又在弗吉尼亚州和爱荷华州各建成一座 UHPC 公路桥，如图9、图10和图11所示，三座桥的主梁分别为 I 形、T 形和π形，并且UHPC主梁均未设抗剪钢筋，只利用 UHPC 自身的高抗拉性能，大大简化了钢筋构造。2009 年，纽约州两座公路桥的预制传统混凝土桥面板采用现浇UHPC接缝连接，这种预制桥面板（梁）连接方法后来在越来越多桥梁上应用，目前在北美地区已有超过150座桥梁采用该连接方法。
图11 美国Jakway Park 桥
2011 年首次在爱荷华州的 Little Cedar Creek 桥上使用了华夫型双向带肋UHPC 桥面板，如图12所示，与相同承载力的普通混凝土桥面板相比，桥面板自重可减少30%。
图12 美国Little Cedar Creek桥
中国
2006年，中国在迁曹铁路工程中修建了第一座UHPC桥梁（滦柏干渠大桥），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1/14.8，跨中腹板厚度18cm。此外，蓟港铁路工程中，也采用了19孔超高性能混凝土铁路简支T梁，其中14孔32m，5孔24m。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，如图13所示。马房大桥为14跨单跨64m的简支钢箱梁，全长919.6m，桥面宽12.1m，桥面系采用正交异性钢面板。1984年建成通车后该桥历经多次维修仍存在铺装层破损严重和钢结构疲劳裂纹，2011底全桥进行了彻底的维修，时至今日采用50mm厚UHPC层加固维修后的第11跨仍运行良好。到目前为止，中国已有17座实桥采用了钢-UHPC轻型组合桥面，涵盖了梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各类桥型。
图13 广东肇庆马房大桥
2016年，在长沙建成了一座长70.8m（主跨36.8m），宽6.5m的UHPC跨街天桥，如图14所示。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，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。箱梁按部分预应力A类混凝土构件设计，配置全体内预应力束，预应力孔道采用强度等级120MPa的高性能灌浆料DSP（Densified with Small Particles）进行灌注。下部结构桥墩采用双向曲线花瓶墩，强度等级为R100，栏杆采用R150预制栏杆。
奥地利
2010 年奥地利建成世界上第一座 UHPC公路拱桥–Wild 桥（图15）。该桥总长154m，主拱跨径70 m，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（图16），节段长度约16 m，高、宽均为120 cm，壁厚仅5 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。
图15 奥地利Wild 桥
图16 奥地利Wild桥施工过程示意图
马来西亚
2010年，马来西亚修建了国内第一座UHPC-RC公路组合桥梁，该桥位于KampungLinsum峡谷，跨越Sungai Linggi河，如图17所示。大桥单跨跨径50m，其UHPC主梁为U形梁，U形梁断面尺寸为1.75m高、顶2.5m宽和底1.4m宽，腹板厚15cm。RC桥面板为4m宽，厚200mm，现浇施工。该桥的UHPC梁中未配置任何抗剪钢筋，设计使用寿命为120年。马来西亚在UHPC桥梁工程领域推广应用十分迅速，截止2016年底，马来西亚已修建完成93座UHPC桥梁（其中87座公路桥，6座人行桥），且有27座UHPC桥仍处于建设或设计当中。
图17 马来西亚Kampung Linsum桥
捷克
2015年，在欧洲捷克建成了跨径156m的人行斜拉桥，如图18，该桥位于Celakovice市的Labe河上，采用UHPC梁板式主梁，主梁截面尺寸设计如图 19所示，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18 捷克Celakovice人行斜拉桥
图19 捷克Celakovice人行斜拉桥主梁截面及施工
（单位:mm）
