湖北楚天联发路桥养护有限公司

UHPC（超高性能混凝土）可有效减轻结构自重，提高结构的跨越能力，适合装配化施工，有望解决现有常规桥梁结构存在的诸多技术难题，具有广阔的应用前景。从全球范围来看，UHPC应用于桥梁工程已有二十余年历史。近年来，由于该材料具备优异的力学性能和耐久性能，渐渐成为国内桥梁工程领域施工的热门选择。那么，UHPC材料应该如何用于桥梁的建造呢？让我们来瞧瞧它们之间的“故事”吧！

作为城市步行空间的组成部分,人行天桥不但在城市中发挥着缓解交通压力、疏散人流、为行人提供安全舒适的出行环境等重要作用,而且已经成为城市中一道亮丽的风景线。未来，人行天桥的建设应遵循以下两个宗旨：

• 从技术出发，尽量减轻桥体本身重量，节约用材并保证其耐久性；

• 强化人行天桥的景观效应，使其在满足使用功能的基础上得到艺术的升华。

UHPC十分契合人行天桥的未来发展趋势，采用超可隆和Ductal系列产品建设的人行天桥具有以下特点：

• 材料强度高、结构自重轻40%；

• 结构耐久性好，维护费用低；

• 颜色和纹理多样，可做造型设计。

韩国和平人行桥

2002年建成的韩国和平人行桥（Peace Foot Bridge）是一座主跨为120m的UHPC拱桥。该桥采用Ductal解决方案建造，由6个预制后张预应力π型节段组成，截面高1.3m。

此外，韩国还分别在2007年和2013年提出Super Bridge 200计划和Super Structure 2020计划，推广UHPC在桥梁等领域额应用。

装配式桥梁是未来桥梁发展的趋势之一，装配式桥梁可以解决传统现浇严重影响交通、质量控制难、劳动力成本高等问题，符合绿色、低碳、环保、集约的发展理念。

而制约装配式发展的主要难点在于：

• 钢筋混凝土预制构件尺寸和自重大，难以吊装和运输；

• 预制构件的节点和接缝连接质量难以保证，容易出现病害。

UHPC优异的力学性能则可以解决以上问题：

• UHPC可大大减轻预制构件尺寸和自重，且保证预制构件承载力等力学性能；

• 节点连接可大大简化，便于施工，且节点更加牢固，地震作用下不会成为整个桥梁的薄弱点。

  
  

法国首座UHPC公路桥

2001年，法国建成了第一座UHPC公路桥，该桥由高0.9m的预制先张预应力双T型梁拼装而成，分为20.5m和22m两跨。对比普通混凝土设计方案，采用的UHPC方案能极大减少普通钢筋和预应力钢筋的数量，可以将桥梁的总体自重减小到1/3左右。

美国小雪松溪公路桥

美国爱荷华州奥坦瓦的小雪松溪（Little Cedar Creek bridge）公路桥于2016年建成，桥长18.2m、宽10m。其中桥面板采用厚度为200mm的Ductal华夫板。虽然桥面跨距较长，但因为桥面板采用厚度为200mm的Ductal华夫板，相比普通混凝土桥面板自重减少约30%，维护费用低，施工速度快，可以适应冻融、腐蚀性强等恶劣环境。

桥面铺装层破坏一直是困扰设计师的难点，传统沥青混凝土铺装方案在荷载长期作用下，很难达到设计使用寿命，尤其是钢桥面铺装层，使用寿命仅为5～8年。

采用UHPC和沥青组合的方式，可以很好的解决这个难题。只需在主梁上铺设一定厚度的UHPC，即可完成铺装，无需铺设防水层。施工简单快捷，可以快速恢复通行，且铺装层使用寿命长。（请看以下两个案例）

四川万源跨河大桥

在多年重载交通的负荷下，跨径69.7米的四川万源跨河大桥的桥面出现了严重破损。2019年，该桥采用超可隆桥面铺装解决方案，通过6厘米的超可隆桥面铺装层，在不增加桥面重量荷载的情况下，完成了桥面的修复，并显著提升桥梁使用寿命，施工时间仅为20天。

修复后的万源跨河大桥

四川渠县公路桥

因桥面坑洞破损多、运载能力下降，四川渠县公路桥的桥面需要进行修复，当时还面临着施工窗口期短的情况。该桥采用了凿除原有普通混凝土铺装层，铺装6厘米超可隆的维修方案，在20天内完成桥面铺装施工。

路桥修复后通行重载车辆该方案的优势在于：强度高，可降低桥梁自重，快速恢复通车，3天后可通行80吨重载矿车，韧性好，能够承载矿车大量通行

桥面板湿接缝的处理也是桥梁工程中的难点。常规普通混凝土湿接缝设计方案存在很多问题：

1、湿接缝钢筋分布密集，导致混凝土极难浇筑密实，施工难度大。

2、湿接缝宽度过大，现场工程量大。

3、湿接缝处受力情况复杂，易于破坏，属于桥梁结构中的薄弱点。

采用UHPC浇筑湿接缝可以很好地解决上述问题：

（1）极大减少湿接缝处钢筋的数量，UHPC流动性良好，无粗骨料，可以保证现场浇筑的施工质量。

（2）湿接缝宽度可以减少到1/3以上，大大降低现场施工的作业量。

（3）UHPC自身优异的力学性能，可以保证湿接缝从原本的薄弱点变成现在的强点。

武汉长丰桥

武汉长丰桥是武汉城区汉江上的第五座公路桥，全桥长1146米，其中主桥跨径252米，边拱跨径60米，桥宽27米，设双向六车道，主桥采用带半拱边跨的中承式钢管砼系杆拱桥。采用超可隆方案维修伸缩缝

2017年，武汉长丰桥伸缩缝在服役多年后出现了箱梁破损、混凝土松动、钢筋外露的问题。经过方案论证，长丰桥桥面引桥与主桥连接段采用超可隆6厘米方案进行了伸缩缝维修，效果良好。

长丰桥铺装超可隆铺装层前裂纹明显（铺装一年半后）刨开检查，未见裂纹

改革开放后，桥梁建设一直在不断进步发展。部分早期修建的桥梁，车辆通行能力已无法满足现状的交通流量，因此桥面拓宽同样也是现在桥梁维修中的重点之一。

早期的桥梁设计秉承着在满足设计要求的情况下尽量节约材料的传统观念，因此桥梁墩柱的承载力富余量较小。因此，常规的桥面拓宽除了对桥面进行扩宽以外，还需对墩柱进行加固，造价十分昂贵，有些甚至超过了重新修建的价格。

采用UHPC进行桥面拓宽，桥面板自重较普通混凝土大大减小，可以保证在不对桥梁墩柱进行加固的情况下进行扩宽，因此造价可以极大的降低，是目前最具经济性的巧妙拓宽解决方案。

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete）， 简称UHPC，系指抗压强度在150MPa以上，具有超高韧性、超长耐久性的水泥基复合材料的统称。其中，最具代表性的超高性能混凝土材料为活性粉末混凝土RPC（Reactive Powder Concrete），最早由法国学者于1993年提出。其主要由硅灰、水泥、细骨料及钢纤维等材料组成，依照最大密实度原理构建，从而使材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝） 减至最少。UHPC材料组分内不包含粗骨料，颗粒粒径一般小于1mm。研究表明，UHPC材料耐久性可达200年以上， 由于UHPC中分散的钢纤维可大大减缓材料内部微裂缝的扩展，从而使材料表现出超高的韧性和延性性能。

目前，澳大利亚、法国、日本、美国、中国、瑞士等国家已相继颁布了UHPC材料或结构的相关规程。

UHPC被认为是20世纪最具创新性的水泥基工程材料之一，由于其优异的性能，在桥梁领域的应用可能导致现有技术的重大突破，本文例举了几个可行的应用前景。

由于优异的力学性能和耐久性，UHPC在高层建筑、大跨桥梁、海洋工程、水利工程、核电工程和特种结构等领域获得应用。在桥梁结构中，UHPC已被广泛应用于主梁结构、拱桥主拱、华夫板桥面结构、桥梁接缝及旧桥加固等多方面。目前，世界各国已有超过200座采用UHPC作为主要或部分建筑材料的桥梁，下面仅举几例。

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（图1）。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30oC条件反复冻融侵蚀，该桥在1999年获得Nova奖提名。

 加拿大Sherbrooke人行桥

法国于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型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 箱型梁公路桥——PS34跨线桥，UHPC箱型主梁顶板宽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。

2002年，日本第一座UHPC人行桥Sakata-Mirai 桥建造完成。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Sakata-Mirai人行桥

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。该桥由6个预制后张预应力π型节段组成，截面高1.3m。该桥是世界上目前已建成的跨径最大的UHPC桥梁。

韩国Sunyudo (Peace) 人行桥

2007 年， 德国Kassel修建了第一座多跨UH P C桥梁G rtnerplatz桥。该桥为人行和自行车两用桥梁，共有6跨， 总跨径132m，跨越Fulda河（图4）。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连接。Gärtnerplatz桥为世界上首座UHPC-钢组合桥梁。

德国G rtnerplatz桥

2010年，奥地利建成世界上第一座UHPC公路拱桥—— WILD桥（图5）。该桥总长154m，主拱跨径70m，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，节段长度约16 m，高、宽均为120 cm，壁厚仅6 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。

奥地利Wild桥

UHPC从丹麦1979年申请第一个专利至今年正好是40年。在它发明25年后才有UHPC的专题技术交流，即德国Kassel大学在2004年举办的第一届UHPC国际研讨会（每四年一届，英语交流）。在UHPC发展的前25年，可能受专利约束，UHPC研究仅限于少数企业、大学和研究机构，大多数工程技术人员对UHPC缺乏了解和认知，技术与应用发展缓慢。

2004年后的15年间，国际上包括中国的UHPC技术发展速度明显加快，大量企业、大学和研究机构的科研人员加入UHPC研究与应用开发的行列，UHPC交流的平台也不断增加，如法国土木工程协会从2009年开始举办国际研讨会（英语和法语交流），也是四年一届；美国2016年举办UHPC互动国际研讨会（英语交流），今年刚举办了第二届；中国的RILEM系列UHPC国际研讨会（英语交流），2016年和2018年，已经举办了两届，2020年将在南京举办第三届。

中国UHPC的研究探索始于上世纪末，如今是水泥基材料研究、应用、创新、发展最具活力的领域，近几年工程应用呈快速增长趋势，UHPC业已成为可工业化生产和商业化供应的工程材料，产品类型和应用领域在不断扩展，UHPC结构设计方法、施工技术以及标准规范正处于发展、建立和完善过程。

UHPC突破了水泥基材料性能和应用领域的很多极限，无论是结构材料组分的复合，水泥基材料本身的性能、与纤维增强材料的复合、还是与其他结构材料的“组合”，应该说都打开了许多发展空间，为我们创新者提供许多想象空间。目前UHPC在各种工程上的应用还只是开始，一旦UHPC的性能和优势被认识，将很快形成UHPC的开发和应用高潮。

UHPC材料“又刚又韧”，具备更好的裂缝控制能力，与钢筋一起受拉，有更好的协同性。

UHPC材料可应用于桥梁结构维修加固、结构连接、新型桥梁结构等。具体在以下方面取得成功应用：

1  危旧混凝土梁桥的UHPFRC组合加固技术

我国公路桥梁数量超过80万座，其中危旧桥有8万座左右，需要维修加固或更换。大批上世纪七、八十年代修建的混凝土桥梁设计荷载等级、材料质量等级较低，需要改造或加固升级，以适应现代交通荷载要求。针对桥梁维修加固、改造升级的需求，王春生团队对钢-混凝土组合加固技术进行了较为系统的试验、理论与应用研究，开展了从模型梁、足尺梁到实桥的系列跨尺度试验研究，形成完整的组合加固技术体系，并成功实施了多座混凝土桥梁的组合加固工程，取得良好技术和经济效果。

在现有加固技术基础上，学习借鉴瑞士加固技术，使用UHPFRC（超高性能纤维增强水泥基复合材料）材料进一步改进提升组合加固的技术、经济效果。经过系统性试验研究，包括足尺混凝土板、T梁加固的承载力试验，不同组合加固方法对比，数值与理论分析，以及工程实践，表明UHPFRC组合加固技术在混凝土结构裂缝控制、全截面（原结构与加固结构）共同工作与承载、减小加固结构自重（减幅达50%）等方面具有显著优势，采用预应力技术还能再提升加固效果。该技术体系的应用，可参考长安大学正在编制的陕西省地方标准SDBXM39—2019《超高性能纤维混凝土组合加固桥梁设计与施工技术规程》。

2 建造了我国第一个UHPC-混凝土复合结构的海洋漂浮平台

建造了我国第一个UHPC-混凝土复合结构的海洋漂浮平台。利用UHPC材料的抗腐蚀性与抗冲击性能，良好的解决了漂浮平台的服役寿命与安全性。正在开展的研究项目包括用UHPC建造国防工程的防护掩体及工事，深远海建筑材料耐久性暴露试验等。

3  UHPC桥梁、钢-UHPC复合桥面结构

钢-UHPC复合桥面结构很好地解决了困扰钢桥的两大难题—桥面铺装寿命短和钢结构易疲劳损伤。钢-UHPC复合桥面2011年首次在广东肇庆马房大桥应用，截至2018年11月已在中国用于60余座钢桥，桥面面积超过百万平方米。

长沙北辰三角洲跨街天桥（可通行消防车辆）—中国首座节段预制拼装预应力UHPC连续箱梁桥，结构轻盈、美观，36.8m主跨一跨过街，梁跨高比约1/28，该桥2016年1月8日建成并开放交通；设计将UHPC（RPC）用于混合梁斜拉桥钢-混结合段，并分别在云南六库怒江二桥 （2014）、湖北石首长江大桥（2018）和湖北嘉鱼长江大桥（2018）上成功应用；设计和实施用UHPC加固预应力混凝土箱梁桥主梁（混凝土强度不足的新建桥梁）等等。

4  UHPC装饰与结构一体化应用

与法国拉法基豪瑞公司合作将UHPC材料成功应用于建筑装饰工程的案例：余杭文化艺术中心、上海音乐学院歌剧院和深圳悦彩城展示中心。

UHPC拌合物具有很好的工作性，成型硬化后具有优异的力学性能、耐久性和韧性。这些特性是UHPC材料的内在美，并因此在建筑装饰领域可以实现更大、更薄以及更大镂空率的UHPC构件，扩大建筑师的设计自由度和想象空间，提升建筑之美。如今，在UHPC建筑装饰工程应用中，最受困扰的是没有关于UHPC安装节点结构和技术要求的规范，每个工程需要独立进行论证，工程实施过程为此耗费大量时间和精力，希望能够尽快补上这个UHPC应用的“短板”。

还需要努力的方向包括：使业主、建筑师，结构工程师认识和理解UHPC性能，建立UHPC结构计算方法和配套规程，充分认识UHPC对建筑全生命周期能耗和成本的影响并建立起科学分析方法，发展、创新或完善模具制造与成型工艺技术，研究养护方法对装饰与结构一体化构件的影响以及避免钢纤维点蚀对表观效果的影响，等等。

5  UHPC抗冲磨性能研究及工程应用

我国是个多砂河流的国家，年最大输砂量超过1000万吨的河流有60余条。含砂高速水流对水工结构过流面混凝土的冲刷磨损和空蚀破坏，是水利水电工程常见的病害。现有抗冲磨材料的性能不够理想，使用寿命短，需要经常维修。此外，为建设大型高水头甚至超高水头水工结构，也需要开发易施工、长寿命的高抗冲磨材料。

采用水下钢球法研究了不同掺量钢纤维、不同种类骨料对UHPC抗冲磨性能的影响，并将自然养护条件下的UHPC与C50抗冲磨钢纤维混凝土、C60高性能混凝土进行对比研究。结果表明：UHPC抗冲磨性能远优于普通混凝土，其抗冲磨强度是C50抗冲磨钢纤维混凝的10倍以上、是C60高性能混凝土的20倍以上。并且，UHPC与普通混凝土界面粘接强度非常高，抗冲磨UHPC层可与水工结构实现牢固粘接、形成一体化结构。

采用全寿命周期成本进行评估，UHPC作为水利水电工程抗冲磨材料具有一定的经济优势。并且，随着材料技术的发展，UHPC的制备成本会进一步降低，性能进一步提升，有望发展成为最优异的水工抗冲磨材料之一。

采用传统的人工检测方法对斜拉索PE护套检测效率低、难度大、危险系数高等特点，因此，有必要运用智能化检测设备辅助斜拉索PE护套检测。斜拉索检测机器人的运用很大程度解决这些难题。

1 斜拉索检测机器人的组成

检索机器人由4个主动轮组成，主动轮的上、下用弹簧连接，提供机器结构对拉索的夹紧力，通过调整主动轮上行走滚轮间距可方便安装于不同直径的拉索。由于行走滚轮组合成“V”字形，可防止车体偏离拉索。整个机构自重15kg，电池和CCD摄像机及附加装置共重3.5kg。机器人爬升力由主动轮与拉索表面摩擦力提供，采用铝合金+橡胶复合制成，可增加与拉索表面摩擦系数。

2　工作原理

斜拉索检测机器人进行斜拉索无损检测的工作原理如图1所示。为了检测斜拉索PE护套的破损情况，设计视觉检测系统，其硬件检测系统由4台摄像机、主控制器和数据存储器组成。当机器人在拉索上爬升时，控制器以循环的方式将4台摄像机图像分时传输给数据存储器，以实现对斜拉索PE护套检测全方位图像的存储，同时通过视频合成器将4路视频合成为一路监控视频，并通过无线传输子系统传输到地面监控系统的PC机上。

3　检测方法

3.1仪器安装

3.1.1首先检查检索机器人是否能够正常工作。安装前检查电机电池、摄像头电池的电量是否充足，主动轮是否磨损等；

3.1.2根据拉索直径、PE类型选择合适的螺栓孔对齐安装，安装完毕检测机器人能轻松沿拉索上下爬行，松开弹簧撑杆后机器人上下爬行时所有主动轮和从动轮与拉索接触良好；

3.1.3安装完毕后，连接好电机电源线，检查遥控器能否准确的控制机器人的上下；然后连接好摄像头与四合一卡的连线及摄像头的电源线，检查4个摄像头位置和焦距是否合适，在视频接收的电脑里的4个视频头像是否适中、清晰。

3.2仪器操作要点

3.2.1检索机器人安装、检查完毕后，视频接收的电脑软件开始自动采集视频；

3.2.2在机器人爬升过程中，时刻注意采集的视频，发现机器人卡住，停止机器人爬升；

3.2.3机器人爬升到拉索塔端附近时，及时停止爬升，以免机器人撞上塔身；

3.2.4在机器人下降到接近梁端时及时停止下降，结束外观视频采集。

3.3后期数据处理

后期数据处理主要利用播放器进行分析处理，找出有病害的图片，将存在病害的视频片段转化为图片文件。并根据照片判断病害类型、病害程度、病害等级等，最后形成报告。

4　工程实例

以某斜拉索PE护套检测为例，阐述斜拉索智能检测机器人在工程中进行斜拉索无损检测的应用。

4.1工程概况

某斜拉桥位为双塔双索面斜拉桥。主桥为（140+322+140）m的三跨一联双塔双索面预应力混凝土边主梁斜拉桥，主塔与主梁连接处固接。该桥每个主塔布有19对空间索，斜拉索采用低松驰镀锌高强钢丝，斜拉索采用内外两层聚乙烯护套做为防护。采用斜拉索检测机器人对全桥152根拉索进行斜拉索PE护套检测。

4.2检测结果

该桥152根斜拉索PE护套检测结果表现：主要病害为外表污垢、轻微磨损、老化微裂缝、护套开裂、环状开裂等5类病害。各类斜拉索病害的数量统计如图4所示。根据斜拉索病害统计，各类典型病害共计529处，总面积为156699cm2。其中外表污垢面积为81405cm2，占总面积的51.9%；其它病害按百分比由大至小依次为老化微裂缝32.1%、轻微磨损14.7%、护套开裂0.7%、环状开裂0.5%。

其中主要典型病害如表2所示：

本文介绍了斜拉索检测机器人的组成、工作原理和斜拉索无损检测方法，并通过某斜拉索PE护套检测案例，表明斜拉索检测机器人能准确、全面、高效地检测斜拉索PE护套病害。斜拉索是斜拉桥的生命线，是斜拉桥最重要的受力构件之一，其作用是将主梁的恒载和梁上的活载传给桥塔，并由桥塔传到地基。因此在斜拉桥的运营中，有必要做好斜拉索无损检测系统的检查。