UHPC华夫板在桥面铺装更换中的应用研究

李强兴 杨小森 刘宏 吴彦平

（1 甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030；2 甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，甘肃 兰州 730203）

0 引言

桥面铺装层是桥梁隔离桥面有害物质侵蚀主梁的第一道屏障，桥面铺装破损后，主梁直接遭腐蚀，常见主梁病害为主梁钢筋锈蚀、混凝土胀裂。桥面铺装破损后影响桥面平整度，加速了桥梁横向连接及其他构造物的破坏。旧桥改造维修对交通影响较大，因此，对现有预制拼装桥梁进行桥面铺装改造，可以从减小后浇接缝数量、增加接缝承载能力和改善桥面铺装结构形式考虑，加快桥梁建设速度，降低工程总造价，最大程度地减少对既有交通的不利影响[1][2]。超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是一种新型纤维增强水泥基复合材料，与传统混凝土相比，UHPC具有强度高、耐久性好等一系列优点[3]，可以解决传统钢筋混凝土桥面铺装开裂破损、工艺复杂、质量难以保证及耐久性差等问题。本文以桥宽为12m多主梁桥用UHPC华夫板更换桥面铺装为背景，对施工过程中板间纵横向接缝主要工艺进行总结，并对设计过程中结构相关设计参数进行对比研究。

1 华夫板及桥梁构造

活载作用（如图1）[4]。桥梁上部结构为多主梁工字梁或预应力混凝土I型梁，主梁横桥向中心间距为2.5m，华夫板外悬臂1m；横桥向桥面布置两块华夫板，纵桥向根据桥梁主跨长度进行布置，纵缝、横缝及剪力槽通过现浇UHPC高强性能混凝土进行连接（如图2）。

图1 UHPC华夫板纵横梁肋示意图

2 华夫板设计参数研究

UHPC华夫板是由顶板与纵向和横向梁肋构成的整体板，横梁可等效为T梁将活载分配到邻近主梁，纵肋起着将活载分配给邻近板的作用，纵肋和横肋内设置钢筋以抵抗

华夫板在受到移动荷载作用时，首先由顶板将荷载分布于纵向和横向梁肋，通过横肋将荷载作用传递到相邻主梁，通过纵肋梁荷载传递到相邻华夫板上。因此，本节采用ansys建立有限元模型对顶板厚度、梁肋的梁高、钢筋直径及纵向和横向梁肋数量对结构力性能的影响进行对比研究分析，华夫板的设计提供相应理论借鉴。UHPC用solid45单元模拟，弹性模量取44.5GPa，泊松比为0.2，容重取2.6，钢筋用link8单元模拟，弹性模量取200GPa，泊松比取0.3，屈服强度为400MPa。荷载取公路-Ⅰ级车辆荷载中轴重为140kN的单轮，通过面荷载进行加载。主梁与华夫板之间采用面约束进行模拟。

图2 UHPC华夫板平面布置示意图

图3 UHPC华夫板平面布置示意图

2.1 顶板厚度和梁肋高度

桥面铺装更换中，铺装厚度在原桥设计中已确定，在更换维修过程中华夫板总厚度受到限制，通过查阅相关资料，原桥面铺装与沥青面层总厚度范围多数为20～25cm，这里取华夫板总厚度为20cm。华夫板顶板厚度与梁肋间剪力、顶板处加强钢筋保护层厚度和后期磨耗有关。通过计算，华夫板顶板取58mm可以满足活载剪力要求，此处取最小值60mm，以10mm增量建立4个模型，钢筋均采用C20钢筋，纵横梁肋数量取5条。

图4 顶板厚度变化引起力学性能变化

通过对比可以看出，随着顶板厚度的增加，最大应力、最小应力及最大挠度基本呈直线减小，三种力学指标减小幅度基本平行。

2.2 钢筋直径

钢筋直径从C16以2mm增量变化到C22，华夫板顶板厚度取60mm，纵横肋高度取140mm，纵横肋数量为5条，建立四个模型。

图5 钢筋直径变化引起力学性能变化

通过对比可以看出，随着钢筋直径的增加，最大应力、最小应力及最大挠度基本呈直线减小。

2.3 横肋数量

图1所示的一块华夫板横肋数量为5条，本节通过变化华夫板横肋数量来研究横肋数量变化对华夫板受力性能的影响，华夫板横肋数量由2条增加到5条，华夫板顶板厚度取60mm，纵横肋高度取140mm，钢筋均采用C20钢筋，建立四个模型。

图6 横肋数量变化引起力学性能变化

图7 横肋数量变化引起力学性能变化幅度

通过对比可以看出，当横肋增加到4肋时，最大应力和最大挠度变化幅度较大，特别是横肋数量从3条增加到4条时变化较明显。

2.4 纵肋数量

图1所示的一块华夫板纵肋数量为5条，本节通过变化华夫板纵肋数量来研究纵肋数量变化对华夫板受力性能的影响，华夫板纵肋数量由2条增加到5条，华夫板顶板厚度取60mm，纵横肋高度取14mm，钢筋均采用C20钢筋，建立四个模型。

图8 纵肋数量变化引起力学性能变化

从图中可以看出，纵肋增加对最大应力、最小应力及最大挠度的影响副度较平缓。

2.5 相同指标变化对比

从上面所示数据可以看出华夫板在荷载作用下压应力较小，且UHPC抗压强度较高，所以本节指标对比中不考虑压应力，只对比最大拉应力及挠度变化；顶板及钢筋直径变化对华夫板最大拉应力及挠度变化影响幅度不大，所以重点研究横肋和纵肋变化对华夫板最大拉应力及挠度的影响。

图9 纵横肋数量变化引起最大应力变化

图10 纵横肋数量变化引起最大挠度变化

可看出，横肋数量增加对最大应力及挠度影响较大，当横肋数量增加两条时，华夫板最大拉应力明显下降，横肋继续增加时，华夫板最大拉应力趋于稳定；纵肋数量变化对最大应力变化影响较平缓且趋于平行。

3 华夫板施工要点

板与板之间以及板与梁之间的连接质量影响着桥面更换以后结构的整体质量，因此，预制板制造精度要求较现浇混凝土板大幅上升。UHPC华夫板间采用湿接缝，通过现浇UHPC和连接处钢筋以达到刚性联结的目的。

3.1 板与板之间接缝

为提高桥面板抗拉和抗剪能力，防止桥面接缝在后期运营中开裂，接缝处可设计搭接钢筋并沿接缝长度方向布置通长钢筋，华夫板在预制时应预留钢筋销接头，保证板与湿接缝符合等强度原则，以保持桥面板钢筋连续性和桥面板间的连接刚度。常见的构造形式有搭接直钢筋连接（如图11）、搭接环箍钢筋（如图12）和其他形式等。为保证钢筋所需搭接长度，采用直筋搭接的接缝宽度通常要大于环箍搭接接缝宽度；UHPC本身具有较好的现场施工性能，保证接缝的施工质量，克服了传统接缝在后期运营中相对薄弱而破坏的缺点。

图11 搭接直钢筋连接

图12 搭接环箍钢筋连接

3.2 板与梁之间连接

图13 中主梁与板间连接

图14 边主梁与板间连接

板与梁之间的连接主要有两种类型，一种是中主梁与华夫板之间的连接（如图13），桥梁同一横断面上，两块华夫板在中主梁上进行对接，此对接接缝不仅是板与板之间的接缝，也是板与梁之间的连接。两板对接处钢筋形式与板与板之间类似，这里不再赘述；，板与梁之间连接是通过从主梁中预埋或植入的剪力筋与桥面板连接。另一种是边主梁与华夫板之间的连接（如图14），由于栓钉剪力连接安装方便，力学性能较好，其设计理论和施工方法较为成熟，华夫板与边梁和次边梁之间的连接一般采用栓钉连接，常见的栓钉连接有均布栓钉和集束栓钉，国外和国内学者大量研究表明，群钉式栓钉能够满足桥面板与主梁抗剪要求。考虑到安装的时效及结构形式简单化，华夫板设计时宜采用集束栓钉，在华夫板预制时设置剪力槽方便后期安装剪力钉。

4 结论与展望

1）顶板厚度和钢筋直径变化对UHPC华夫板受力性能影响幅度较平缓，特别是当桥面厚度一定时，增加顶板厚度会大幅增加结构自重和成本，因此，在设计过程中顶板厚度能满足桥面板抗剪即可。

2）横肋数量对UHPC华夫板受力性能影响较大，对于常见主梁间距为2.5m左右的多主梁桥，当横肋数量由3条增加到4条时（横肋间距约773cm），华夫板最大应力减小幅度达到30%，继续增加横肋数量时，最大应力变化不大；横肋数量由2条增加到3条时（横肋间距1140cm），华夫板最大挠度减小幅度达到42%，继续增加横肋数量时，最大挠度变化不大；而纵肋数量增加时，华夫板最大应力及挠度变化较平缓且变化幅度趋于平行。

展望未来，现在较多基建期建设的桥梁正处于养护和大修的阶段，重大交通压力和多元化的移动荷载对结构的强度、刚度和耐久性提出了更高的要求，而工厂化、高性能化和模数化将成为解决以上问题的重要途径。