超高性能混凝土(UHPC)在钢桥面铺装的应用与分析

李志全

（中交公路规划设计院有限公司， 北京 100088）

0 引言

近年来，我国已建成的多座采用柔性铺装方案（SMA、浇筑式沥青以及环氧铺装）的大跨径正交异性钢桥面桥梁，除少数桥梁桥面铺装的运营状况良好以外，大部分桥梁的桥面铺装层都陆续出现钢结构疲劳开裂和铺装层开裂、拥包、脱层等病害，严重影响桥梁的通行能力及结构安全[1-4]。

随着新材料、新工艺的不断发展，混凝土强度等级也不断提高，超高性能混凝土(UHPC)以其超高的力学性能、超高耐久性、优良的耐磨和抗爆性能以及抗冲击性能等特点，在越来越多的桥梁工程中得到应用[5-7]。通过对某在建UHPC组合桥面钢箱梁结构的力学分析，进一步论述 UHPC在钢桥面铺装中应用的优越性，研究结果可为其他工程应用提供参考。

1 工程概况

以一座在建跨长江大堤桥梁为工程背景，桥跨布置为 70+97+70=237m，上部结构采用超高强度混凝土组合桥面板钢箱梁结构。桥梁全宽为33.5m（含中央分隔带），钢箱梁为单箱单室截面，梁高3.6m。钢箱梁单幅梁宽16.73m，箱体宽度7.5m。各梁段顶板厚度均为14mm，顶板采用U肋加劲，厚度均为8mm。底板在顺桥向不同区段采用了20mm、25mm、30mm三种不同的板厚，为便于施工，底板下缘保持平齐。桥面铺装层采用6.0cm厚超高性能混凝土（UHPC）+防水层+4.0cm沥青混凝土铺装。箱梁标准横断面布置如图1所示：

图1 标准横断面布置图（单位：mm）

2 模型有限元分析

基于ANSYS软件平台建立典型梁段（墩顶梁段）有限元模型，钢箱部分单元类型采用SHELL63模拟，桥面超高性能混凝土部分单元类型采用SOLID45模拟。总体坐标系方向定义为：纵桥向为X轴，竖向为Y轴，横桥向为Z轴。边界条件为梁段两端采用固定约束，约束所有节点的位移和转动。分析模型考虑的荷载主要有恒载、活载以及温度荷载。

图2 ANSYS 几何模型

为便于分析比较 UHPC对钢箱梁各部位受力状况的作用效果，分别对采用普通柔性铺装方案（不考虑其对钢箱梁刚度的影响，仅以二期荷载方式作用于钢箱梁）以及采用UHPC铺装方案的钢箱梁顶板、底板、腹板、顶板加劲肋等主要构件进行ANSYS有限元分析。

考虑不同荷载工况组合，钢箱梁主要受力构件在采用普通柔性铺装方案及采用UHPC铺装方案作用下，Von Mises应力对比如表2所示。

表2 钢箱梁主要构件受力分析

通过表2可以看出，相对传统柔性铺装方案，采用UHPC铺装可以明显改善钢箱梁顶板及顶板加劲肋的受力情况，Von Mises应力减幅超过30%，对其他部位应力改善效果并不明显。

3 结论

随着新材料、新工艺的快速发展，混凝土强度越来越高，继高强、高性能混凝土之后，超高性能混凝土(UHPC)应运而生。UHPC以其优异的力学性能、超高耐久性、优良的耐磨和抗爆性能以及抗冲击性能等特点，在桥梁工程中得到越来越多的应用。

本文通过对某在建UHPC组合桥面钢箱梁结构的ANSYS有限元分析，比较采用传统柔性铺装方案及采用 UHPC铺装方案钢箱梁各主要受力构件的应力状况，进一步论证了 UHPC在钢桥面铺装中应用的优越性。分析结果表明，UHPC较传统柔性铺装方案，对改善正交异性钢桥面顶板及顶板加劲肋受力情况效果明显，Von Mises应力减幅超过30%，研究结果可为其他工程应用提供参考。