超高性能混凝土在拱桥中的应用及研究现状

陈茂兰 施汝军 李韬文 黄林 张森

超高性能混凝土UHPC作为新型水泥基复合材料，有较为明显的力学及耐久性优势，可以广泛运用于桥梁工程领域。文章分析了UHPC在拱桥中的应用与研究现状及其不足，阐述了UHPC的经济、社会及环境效益。

UHPC;拱桥;建造技术;应用

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0 引言

超高性能混凝土即UHPC，是近年来被工程界称之为最有创新性的水泥基工程材料[1]。UHPC材料由于具有较好的力学性能及耐久性，所以对于桥梁结构而言，能够实现增长跨径并尽量减小构件尺寸，有助于施工的有效开展并缩短工期，也能在最大程度上减少工程建设对环境产生的负面影响。同时，由于此种设计的优良特性，能在最大程度上减少后期所需要投入的维护成本，并在最大程度上将桥梁寿命延长。

现阶段，全球已经有400多座使用UHPC材料的桥梁建筑[2]，但是UHPC较少被运用在拱桥建设中。2020-08-05，全国首座UHPC箱拱天桥（八丘田车行天桥）成功合龙，开拓了UHPC在桥梁工程中运用的新篇章。在持续发展过程中，我国已经掌握了较为先进的UHPC试验室制备技术，通过八丘田车行天桥的成功案例证明UHPC材料可以运用到拱桥建筑之中，这也在很大程度上为UHPC拱桥的应用提供参考。

1990年之后，我国学者开始对UHPC进行研究，多名学者陆续发表有关UHPC的论文。在此之后，北京交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等十余所大学陆续开展有关UHPC材料性能与构件力学的分析并取得较多研究成果。2015年，我国出台UHPC材料的国家标准，在很大程度上推动了其工程领域理论研究及实践的发展。随着国内外学者研究的深入，UHPC也被更加广泛地运用到桥梁工程领域之中。截至目前，我国有30多座桥梁在建筑过程中已经使用了UHPC材料。国内学者对于UHPC拱桥的分析，主要包括福州大学陈宝春、湖南大学邵旭东等学者，他们从拱桥的构件、具体受力性能、大型拱桥试验设计等方面出发开展了一系列的研究，这在很大程度上有助于我国UHPC拱桥下一步的建造发展，为其建造应用奠定了有效的理论依据。

1 UHPC在拱桥中的应用

UHPC由于有较为优越的力学及耐久性能，所以面世之后就得以在高层建筑、大跨桥梁等工程项目中应用。但在UHPC拱桥具体建造过程，需要进行严格的造价控制，例如，取材本地化，利用当地石灰岩机制砂以降低UHPC造价等，对此需要进一步研究。

对于大跨径混凝土拱桥来说，UHPC强度高、延性和耐久性好，用在拱桥上，自重轻，可降低施工难度、增大跨径。通过吊装悬拼，同时进行过程控制、实时监测和计算调适，可确保UHPC拱桥建设的质量安全与耐久性。因此，研究适用于实际工程应用的UHPC拱桥施工方法，把“新材料”UHPC引进到拱桥建造技术与应用中，具有基础性、前瞻性、先导性，将填补该领域空白。同时，通过UHPC的骨料本土化研究，利用地材、降低造价，可促进UHPC推广应用。

现阶段，UHPC不仅在传统桥梁工程建筑中得以运用，而且在国防、海洋、工业、市政等各工程领域中也已经开始推行，极大地拓展了应用范围。通过借鉴这些领域的UHPC应用，将激发桥梁建造出现更具丰富想象力的新设计、革新的施工技术，使UHPC在桥梁工程建设中具有广阔的应用前景。

2 UHPC存在的不足

从客观角度而言UHPC有很多的优势，但是当前并没有在大型桥梁中充分运用，主要因为存在以下不足[3]：

（1）目前全世界已建成的UHPC桥梁约133座，应用的桥型有梁桥、拱桥和斜拉桥，其数量分别为127座（95.5%）、4座（3.0%）和2座（1.5%），梁桥占绝大多数，这是由于梁桥更易于找到应用机会。在以受弯为主的梁式结构中，UHPC梁结构自重可有效降低，其恒活载之比是PC梁桥的5/9，故桥梁跨越能力可获得大幅提高。但是，UHPC的超高抗壓强度在梁桥中难以充分发挥。从材料特性而言，将UHPC应用于以受压为主的拱桥，更为合理，发展潜力更大。

拱作为受压为主的结构，可以发挥UHPC的超高抗压强度优势[4]，我国和克罗地亚开展了一系列UHPC拱桥的试设计研究，结果表明UHPC拱圈自重可较RC拱圈减少约40%，并减少成本投入。福州大学开展了2根UHPC板拱的模型、数值和理论研究，结果表明，与RC拱相比，UHPC拱优势明显。在小跨径拱桥中，UHPC的自重轻、施工方便的优势性没有得到充分发挥。

（2）UHPC材料需高温蒸汽养护，影响到现浇结构在建筑工程中的使用[5]。国外因缺乏大型缆索吊装设备，大跨度拱桥以悬臂浇筑为主，制约了UHPC拱桥的发展，而在我国具有较多大吨位的缆索吊装设备，悬臂拼装工艺成熟，适合于UHPC拱桥的建设需求。但对于实际工程应用，还需要对UHPC拱桥的施工方法进行适应性研究。

（3）现阶段，UHPC材料配比及制备技术已有较为成熟的研究结果，但是由于自身的材料性能导致对于原材料质量以及配比有非常严格的要求，所以如果想要取得性能更加稳定的材料，则应该加强对原材料的质量控制。但是在桥梁建设过程中，原材料大部分从当地取用，这就导致材料之间会有较大程度的差异，所以为了获得更加有效的UHPC材料性能，应该在实验室确定材料配比之后予以使用，并非直接采用现有的配比材料。

（4）当前对于UHPC材料的特性很多学者开展了相关的分析，并且取得较为体系化的研究成果，然而对于其结构及受力性能并没有展开充分的研究。现有的构件受力实验主要是使用了缩尺模型制作的方式，并没有进行足尺构件的相关研究。而大多数情况下，缩尺模型实验不能在此有效预测UHPC材料在实际结构中的性能情况。

（5）对比常见的同类型材料，UHPC材料价格较贵，这也是其下一步发展过程中进行市场拓展的主要限制因素。为了在最大程度上将这一限制因素解决，应进一步对UHPC材料加强研究，并尽快明确与其有关的技术标准，这有助于UHPC的材料相关技术发展成熟，并且在最大程度上减少材料以及制作成本。同时这也意味着，应该客观全面地掌握UHPC材料的特性并且对其结构受力情况进行研究，使UHPC材料的优越性能在最大程度上得到凸显并在更大范围内获得认可。其实从后期维护资金的投入以及桥梁总的生命周期成本计算而言，UHPC材料建造桥梁的总成本更少。因此，桥梁建设单位应从经济成本以及社会总体效益的角度出发，转变当前的思想观念，逐渐在建筑中使用UHPC材料[6]。

（6）由于现阶段尚未构建完善的规范章程，导致设计这类结构时主要是使用目前常见的混凝土结构设计规范，但是这个规范的抗压强度并没有<100 MPa。同時也没有考虑到混凝土的拉应力，这和

UHPC材料本身具有的高抗压性以及必须重视的抗拉能力相距较远。所以，基于当前常用的混凝土规范构建UHPC结构时无法有效匹配，不能充分地体现出UHPC结构的真正优势性能。现阶段很多国家制定了具体的指南规范，我国也制订了活性粉末混凝土技术标准，福建等地也在制订UHPC桥梁设计地方标准，这些均可供研究时借鉴参考[7]。

3 UHPC的经济、社会及环境效益

3.1 经济效益

UHPC优良的力学性能和耐久性，可大幅减少混凝土和用钢量，减少维修养护，使得全寿命周期平均成本降低。因为UHPC本身的强度高并且结构可较大程度简化，能减少施工工艺流程，在最大程度上减少需要投入的人力成本，而且此材料可以在装配施工中使用，具有显著经济效益。

3.2 社会效益

UHPC拱桥预制安装施工周期短，能减少对社会通行的影响，降低通行安全风险。UHPC拱桥比传统拱桥造型更纤薄曲美，可营造良好的风景。UHPC拱桥持久耐用，保障交通长久安全运营，确保城乡繁荣发展、边疆国防安全等具有重大意义，产生可观的社会效益。

3.3 环境效益

UHPC自身具有较为优越的性能，如能够抗渗透、抗腐蚀等，所以大幅降低了构件对环境的污染;UHPC现场施工速度快，减少了对周围生态环境的影响，能产生良好的环境效益。

4 结语

通过将UHPC应用于依托工程，储备技术和经验，具备了一定推广应用的条件，为更大跨径节段预制安装混凝土拱桥发展奠定基础，也可为其他UHPC桥梁提供参考。UHPC拱桥建造技术与应用，具有基础性、前瞻性、先导性，将填补该领域空白，形成行业规范与标准，对建造类似UHPC桥梁，具有借鉴和参考价值，同时也将促进UHPC的推广应用。

[1]《中国公路学报》编辑部.中国桥梁工程学术研究综述[J].中国公路学报，2014，27（5）：1-96.

[2]邵旭东，邱明红，晏班夫，等.超高性能混凝土在国内外桥梁工程中的研究与应用进展[J].材料导报，2017，31（23）：33-43.

[3]徐海宾，邓宗才.超高性能混凝土在桥梁工程中的应用[J].世界桥梁，2012，40（3）：63-67.

[4]陈宝春，季 韬，黄卿维，等.超高性能混凝土研究综述[J].建筑科学与工程学报，2014（3）：1-24.

[5]王宗山，周建庭，马 虎，等.大跨UHPC箱形拱桥试设计研究[J].中外公路，2020，40（2）：87-90.

[6]章烽锋.超高性能混凝土（UHPC）在桥梁改建工程中的应用[J].广东公路交通，2019，45（5）：31-34.

[7]邵旭东，邱明红，晏班夫，等.超高性能混凝土在国内外桥梁工程中的研究与应用进展[J].材料导报，2017，31（23）：33-43.