0 引言

简支梁桥因其受力简单，施工方便等优势，成为中小跨径桥梁中最常见的结构形式。在实际运营过程中，简支梁桥伸缩缝极易发生损坏，伸缩缝破坏除影响行车舒适性外，还可引起较大的汽车冲击荷载，严重威胁桥梁本身的安全运营^[1-2]。为解决简支梁桥伸缩缝破损这一问题，一些学者提出了取消伸缩缝的无缝化改造方法^[3-4]，最典型的是简支梁桥桥面连续的做法，即在2跨简支梁之间取消伸缩缝并将桥面板或铺装位置连为一体^[5-6]。在多跨简支体系桥梁中，采用桥面连续构造能有效减少桥面伸缩缝的数量，目前这一做法已被广泛采用。《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)中也规定，对于多跨简支梁桥，桥面应尽量做到连续。这种主梁简支、桥面连续的构造形式，既具备简支梁明朗的力学特性，又能提高桥面平顺性、结构整体性和耐久性。但是，由于桥面连续处变形显著，受力情况复杂，桥面连续构造及铺装层在刚度与强度上都较弱，耐久性高度依赖铺装材料性能^[7]，加之施工质量难以保证，以及日益增长的交通需求等因素，导致已建成的桥面连续缝处出现了铺装层开裂、梁端混凝土破碎等常见病害，严重破坏了桥梁外观、行车舒适性及结构安全性。

针对桥面连续构造病害频发且屡修屡坏的现状，国内外许多学者采用理论分析、数值模拟、模型试验、现场实测等手段对桥面连续病害形成机理进行了研究，并提出了相应的设计建议。Thippeswamy等^[8]开展试验研究了无缝桥梁在不同荷载条件下的力学行为，并结合现场实测结果，提出了设计变更建议。Wing等^[9]对某无缝桥梁开展了长期监测，结果表明温度和交通荷载都是引起桥面连续部位裂缝的主要原因。Okeil等^[10]提出了一种无缝桥梁弯曲分析方法，并开展参数化分析研究了跨度、连接机构刚度、主梁刚度等因素对2跨无缝桥梁力学行为的影响。姚国文等^[11]以某特大桥为例，通过理论分析和数值模拟，梳理总结了桥面连续构造的病害特征并分析了病害机理，提出了相应的维修加固措施。Sousa等^[12]以葡萄牙某大桥为例，开展了实桥监测和数值模拟，分析了混凝土收缩徐变对桥面连续构造的影响，总结了合适的施工顺序。郭维强等^[13]通过数值模拟手段分析得出简支梁桥在地震荷载作用下易引起主梁在桥台处的落梁现象，将简支梁桥改造成整体桥或半整体桥，可有效防止该现象的产生。

一些学者从结构构造优化的角度提出了桥面连续构造病害的解决方案。如王岗等^[14]根据拱形结构拱脚受拉使拱顶产生正弯矩的受力特点，提出一种新型的拱形桥面连续装置，并通过对比试验及有限元计算对其有效性进行了验证。陈松等^[15]设计了型钢-混凝土组合梁桥面连续构造并开展静力试验和有限元分析评价其抗裂性能。随着工程材料科学的不断发展，一些高性能新材料也被应用在桥面连续中以解决桥面连续构造病害。王年近等^[16]通过开展四点弯曲试验对局部替换钢纤维细石混凝土和普通混凝土桥面连续板的抗弯性能进行对比研究，结果表明经过局部钢纤维细石混凝土增强后，桥面连续板的抗弯强度、刚度等性能有显著提升。Kendall等^[17]对比了采用传统混凝土和采用新型复合混凝土材料用于桥面连续构造的全寿命周期成本，使桥面连续构造的寿命有了显著的延长。潘志炎等^[18]对植入式与刚接板式桥面连续构造的最不利应力及裂缝宽度进行了计算，结果表明植入式桥面连续构造通过高弹性材料层的引入，有利于减轻桥面连续部位的开裂状况。Saber等^[19]将纤维增强塑料(FRP)网格布置在无缝桥梁桥面连续构造中并开展数值模拟和模型试验，结果表明FRP网格的存在可有效减小梁端转角。从目前的研究现状可以看出，一方面桥面连续构造相关的设计理论与方法存在不足，施工质量得不到保证；另一方面对桥面连续构造的改善措施中，存在构造形式复杂、材料昂贵且强度不足等问题，无法从根本上解决桥面连续构造的病害现状，寻求一种性能优越、构造简单、施工迅速、造价低廉的无缝化改造结构形式具有迫切且重要的现实意义。

由于桥面连续构造受力复杂，对结构层材料的强度、抗裂性和耐久性均提出了苛刻要求。超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，UHPC)作为一种新型水泥基复合材料，具有高抗拉和抗压强度、高弹性模量、高延性、高韧性、高耐久性等特点^[20-22]，是适用于桥面连续构造的理想材料。本研究从改善结构受力状态和提高结构承载能力两个方向对简支梁的无缝化改造进行探索，基于钢-混凝土组合结构的力学特性以及UHPC材料的性能优势，提出了新型钢-UHPC组合桥面连续构造，并结合具体工程实例设计了既有桥梁桥面连续的改造方案。运用理论计算和数值模拟对钢-UHPC组合桥面连续构造的维修效果进行分析与评价。通过新材料和新型组合结构的角度，解决桥面连续病害问题，为无缝桥梁设计和既有桥梁无缝化改造提供绿色高效的解决方案。

1 工程背景 1.1 桥梁概况

武汉市西三环线桥主桥为三跨中承式钢管混凝土系杆拱桥(图 1)。该工程建成于2000年，主孔净跨径为251 m，矢跨比为1/5，主拱肋由钢管混凝土弦杆和钢管腹杆组成的桁架构成。主孔桥面设柔性系杆、钢横梁、桥面行车道板及平衡主拱推力的预应力系杆。吊杆纵向间距为6 m，钢横梁全长为31.9 m，端部梁高为1.2 m，跨中梁高为2.1 m，钢材为16 Mn钢。桥面系中，行车道板为跨径6 m的钢筋混凝土T梁，梁高0.6 m，简支搁置于横梁上，横梁上安放橡胶支座，T梁横断面如图 1(c)所示。

1.2 原有桥面连续构造简介

桥面采用100 mmC40普通混凝土+40 mmSMA-13进行铺装，原桥面连续构造立面图如图 2所示。切缝的设置能起到释放应力的作用；连接钢筋在桥面连续区域采用无黏结形式，在传递梁体相对变形产生内力的同时避免桥面连续混凝土直接受力。

2 传统桥面连续构造及病害 2.1 传统桥面连续构造病害及成因

已有研究表明，引起简支体系桥面连续部位病害的主要外部作用为温度效应、车辆荷载作用、支座不均匀压缩以及车轮荷载的直接冲击作用^[23-24]。对于本研究背景桥梁而言，由于T梁简支搁置于横梁上，横梁自身既有整体的挠度变形，又有横向弯曲变形，因此T梁可视为弹性支撑的主梁简支、桥面连续体系。由于早期设计对中承式拱桥桥面板空间效应考虑不足, 以及交通荷载的连年增加，该桥梁桥面连续位置经现场勘查发现多处铺装层开裂及严重破损，且该桥桥面连续缝经过传统方法维修后，短时间内又出现破坏，传统桥面连续构造形式已无法解决该桥桥面病害问题。

2.2 原有桥面连续构造数值分析 2.2.1 有限元模型的建立

为了进一步分析原有桥面连续构造的病害机理，利用有限元软件建立了该桥的局部分析模型。取中跨跨中节段(包含吊索、横梁、T梁、桥面连续)进行建模，纵向上截取4跨区域，单跨跨径6 m，共计24 m；横向上取一半，跨中位置进行横向对称约束；吊索最长为30.61 m，吊索顶部固定约束；T梁与横梁之间参照简支梁进行约束，即T梁一端设置纵向、竖向约束，另一端仅设置竖向约束，两端均可进行相对转动。有限元模型仅计算桥面连续构造内部应力分布情况，不考虑桥面连续层与T梁间的滑移，桥面连续层与T梁之间采用绑定约束。除横梁采用壳单元模拟外，其余杆件均用实体单元模拟。节段有限元模型如图 3所示。

车辆荷载按《城市桥梁设计规范》(CJJ 11—2011)中规定的城-A级施加并考虑冲击与制动的影响，车辆荷载的平面布置及轴重如图 4所示。

为使中接缝处产生最大的正负弯矩，通过试算确定的车轮纵向布置如图 5所示，横向上车辆在中间车道上居中布置。其中工况1的布置使得中接缝处产生最大的正弯矩，工况2的布置使得接缝处产生最大的负弯矩。

除车辆荷载外，分析时还考虑了温度梯度对简支梁和桥面连续构造的影响，温度梯度按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)的相关规定加载，温度梯度计算图示见图 6。计算得到温度效应引起中连续缝顶、底面应力分别为-6.2 MPa和1.6 MPa。

2.2.2 位移分析

车辆荷载工况1和2作用下有限元模型竖向位移见图 7。在车辆荷载工况1的作用下，中横梁相对变形达到33 mm，在车辆荷载工况2的作用下中横梁相对变形达到25 mm。由计算结果可知，由于背景桥梁的横梁刚度偏弱，在车辆荷载的作用下产生了较大的挠曲变形，且相邻横梁间的变形差异较大，产生了空间扭曲效应，导致桥面连续处产生较大的转角变形，进而引发桥面连续病害。

原桥面连续方案的桥面中心线在车辆荷载工况1、2作用下的竖向挠度如图 8所示。由计算结果可知，桥面的竖向变形曲线可视为4段折线，在桥面连续处转角效应明显。

2.2.3 应力分析

桥面连续处纵向应力如图 9所示。工况1作用下中横梁相对两侧横梁下挠，中连续缝受正弯矩作用，最大拉应力为19.4 MPa，位于连续缝底面，考虑温度效应后达到了21.0 MPa；最大压应力为12.9 MPa，位于连续缝顶面，考虑温度效应后达到了19.1 MPa。工况2作用下中横梁相对上拱，中连续缝受负弯矩作用，最大拉应力为6.0 MPa，位于连续缝顶面；最大压应力为9.4 MPa，位于连续缝底面，考虑温度效应后连续缝全截面受压，底面最大压应力为7.8 MPa。原方案在车辆荷载工况1和温度效应作用下，连续缝底面拉应力超过了20 MPa，远超C40普通混凝土的抗拉强度设计值，最终导致了该处的病害频发，且连续缝处从底部发展的裂缝不易观测，对结构的养护维修造成不便。因此，仅采用普通混凝土材料无法有效解决桥面连续构造的病害问题。

3 钢-UHPC组合桥面连续构造及应用

由前述分析结果可知，车辆荷载作用下横梁较大的挠曲变形是导致桥面连续构造病害的直接原因，采用加强横梁，提高横梁刚度的改造方法可有效降低桥面连续处的转角变形，避免病害的产生, 但这类方法常需对横梁和主梁进行拆除更换或进行补强，维修措施费高，同时对桥上交通和桥下通航影响大，实施困难。有鉴于此，本研究提出了钢-UHPC组合桥面连续构造，该构造仅需对桥面连续处进行局部改造，并且可以分阶段进行，不中断桥面交通，以较小的代价实现提高桥面连续性能，减少病害的目的。

3.1 钢-UHPC组合桥面连续构造构造及特点

图 10为提出的钢-UHPC组合桥面连续构造，该构造主要由焊有剪力钉的钢板、双层钢筋网、竖向植筋以及UHPC层共4部分构成。钢板开孔，植筋穿过开孔将UHPC层与梁体连接，钢板下表面与梁体间通过速凝砂浆找平，以达到两者界面间可靠传力的目的。为了保证结构的整体性，底层钢筋与钢板焊接、植筋与钢筋网焊接。铺装结构上下层在接缝处错开，避免在接缝处形成薄弱截面。

通过剪力钉将配筋UHPC与钢板组合成整体共同工作，充分发挥了两者材料性能上的优势。钢-UHPC组合桥面连续构造具有以下4大特点。

(1) 优异的力学性能。底层钢板能有效降低UHPC层底面的弯拉应力，钢-UHPC组合结构有效提升了桥面连续处的刚度，更好地适应桥面复杂的空间受力状态，同时UHPC层具有超高的强度储备，满足桥面连续构造的正常使用需求。

(2) 优异的耐久性能。UHPC材料具有超高的耐久性以及良好的裂缝控制能力，钢板的存在避免了铺装层和主梁的摩擦，有效提高了接头的耐久性。

(3) 便利的施工性能。钢-UHPC组合桥面连续构造形式简单，没有复杂的钢筋连接构造，在保证较快维修施工速度的同时也便于施工现场的质量把控，从而保证施工质量。钢板在施工时可充当UHPC浇注时的模板，有效阻止了来往车辆扰动对UHPC凝固过程的破坏，局部加固时无需完全封闭交通即可开展施工。

(4) 低廉的全寿命周期成本。钢板与UHPC层形成组合结构，改善了上层铺装层的工作条件，使得其使用寿命得到提高。运营期内对连续缝的养护仅需更换面层，维护费用大大降低。尽管目前而言建设期投入稍大，但考虑全寿命周期成本，该新型桥面连续构造具有显著的经济性优势。

3.2 实桥维修方案

采用钢-UHPC组合桥面连续构造，对横梁处纵向两侧各1.5 m，共长3 m的区域原有混凝土铺装进行更换，同时两侧各保留0.5 m混凝土桥面，仅凿除沥青铺装层。新的铺装体系从上至下依次为40 mmSMA-13、防水层、80 mmUHPC、8 mm钢板、12 mm速凝砂浆。UHPC层表面与桥面铺装混凝土高度一致。桥面连续构造采用的UHPC需满足抗压强度标准值不小于120 MPa、抗折强度不小于22 MPa的技术要求。UHPC层内部的钢筋网采用HRB400钢筋，采用上下两层75 mm×75 mm网格布置，钢筋型号为ϕ10。钢桥面焊接所用ML15剪力钉直径为13 mm，纵、横向布置间距为260 mm×250 mm，该型号剪力钉在UHPC中的抗剪性能符合结构的抗剪承载能力要求^[25]。主梁腹板及梁端横隔板处桥面板植筋型号为ϕ16，其余植筋型号为ϕ12；植入梁体的深度分别为100 mm和50 mm，露出梁体的高度均为90 mm，植筋纵横向布置间距均为200 mm。钢板纵桥向长度为1.2 m，横桥向宽度视桥宽和维修范围而定(本次维修范围为单车道3.75 m)，钢板材质为Q345。UHPC层纵向长3 m，上层铺装层纵向长4 m。桥面连续处维修方案立面如图 11所示。

3.3 维修效果分析

仍采用图 4所示有限元模型，将原有混凝土铺装层更换为UHPC层并添加钢板，UHPC层与钢板、钢板与原主梁之间均采用固接约束，其余边界条件与原有模型保持一致，计算钢-UHPC组合桥面连续构造在相同荷载下的力学行为。在施工过程中为了使T梁与支座密贴，改善UHPC层的下缘受力，在UHPC浇注之前于2侧跨中各设置50 kN的压重，在UHPC层形成一定强度后撤除，其作用效果也计入成桥应力计算中，其余荷载与原模型保持一致。

3.3.1 位移分析

原桥面连续构造与新构造在车辆荷载工况1、2作用下，桥面中心线处中连续缝局部竖向挠度曲线的对比如图 12所示。经比较可知，在相同荷载工况下，采用钢-UHPC组合桥面连续构造后，由于自身弯曲刚度的提高，桥面连续处转角变得相对平缓。

3.3.2 应力分析

车辆荷载作用下，桥面连续构造UHPC层纵向应力如图 13所示。桥面连续维修改造前后各部件应力计算结果如表 1所示。

由计算结果可知，在车辆荷载工况1，2作用下，UHPC层顶面最大纵向拉应力为6.0 MPa，底面最大纵向拉应力为7.0 MPa，考虑温度效应后UHPC层顶、底面最大拉应力分别仅为4.1 MPa和7.6 MPa，均低于UHPC120材料的弯曲抗拉强度^[21]，UHPC层不会开裂，且在工况1和工况2作用下分别有65%和81%的强度储备。各工况下钢结构应力均远低于强度设计值，各部件工作性能良好。综上可知，钢-UHPC组合桥面连续构造截面设计合理，大幅降低了结构层应力，同时采用了UHPC等高强材料，大幅提升了桥面连续构造的承载能力，降低了病害风险，满足了桥面连续构造的正常使用。

3.3.3 UHPC-普通混凝土结合面抗剪承载力验算

UHPC与普通混凝土之间良好的黏结是保证结构形成整体、共同承载的关键。文献[26]的试验研究结果表明，普通混凝土凿毛并浇注UHPC后，组合界面的抗剪性能与现浇普通混凝土相同。为进一步确认本研究加固构造中UHPC-旧混凝土界面连接的可靠性，对界面抗剪能力进行验算，按照《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T J22—2008)中的相关规定，在受压区增设现浇混凝土加厚层的梁，原构件与现浇层之间结合面的抗剪承载力按下式计算：

(1)

式中，γ₀为结构重要性系数；V_d为加固后最大剪力组合设计值；f_cd为混凝土抗压强度设计值；b为新老混凝土的结合面宽度；h₀为加固后构件截面的有效高度；f_sv为结合面配置的箍筋或植筋抗拉强度设计值；A_sv为结合面上同一竖向截面配置的箍筋各肢或植筋总截面面积；S_v为箍筋或植筋的间距。

按照最不利受力状况原则进行一定的简化，按照单片T梁进行考虑，采用《城市桥梁设计荷载标准》(CJJ 11—2011)中车辆荷载进行加载，假定重轴作用于计算跨的支座附近，荷载在横向由单片T梁全部承受，单片T梁最大受力约为280 kN(图 14)。

结构重要性系数取1.1，C40混凝土的抗压强度设计值为18.4 MPa，UHPC层与旧混凝土结合面的宽度为1 570 mm。考虑一定厚度的保护层，加固后构件的有效高度取600 mm。计算得到γ₀V_d=308 kN，0.12f_cdbh₀=2 079.9 kN。由以上计算可知，UHPC层与旧混凝土界面之间的抗剪性能满足规范要求。

3.4 维修施工要点

(1) 维修工程主要针对于桥面连续构造，横梁处纵向两侧各1.5 m，共长3 m，横向宽3.75 m的区域内原有混凝土铺装进行更换。为避免形成薄弱界面，沥青铺装层和UHPC层与原有结构的接缝需错开。采取半封闭交通组织施工，最大限度地减少维修对交通的影响，主要施工过程为：凿除原桥面铺装；梁面糙化；植筋施工；环氧砂浆抹平；安装底层钢板；钢筋网布设；喷涂界面剂；浇注UHPC；养护；防水黏结层施工；SMA-13摊铺；开放交通。

(2) 为了方便施工，底层钢板分成3块制作安装。具体施工过程可根据实际情况调整。在焊接剪力钉前需对钢板进行喷砂除锈处理。清洗完成后，应对钢板锈蚀、污染状况进行检查。焊接完成后，再对钢板进行防腐涂装(60~80 μm环氧富锌漆)。

(3) UHPC摊铺时应根据摊铺厚度、坍落度大小，确定摊铺速度和振捣频率，指派专人进行摊铺厚度检查并及时反馈修正，控制好摊铺速度，应根据布料进度调整，并且保证连续作业。摊铺完成后，应及时用养生薄膜覆盖进行保湿养护。

3.5 维修效果

维修完成5 a后对维修位置进行实地勘察。勘察结果表明，该桥梁采用钢-UHPC组合桥面连续构造对连续缝进行维修并运营5 a后，维修部位未发现任何病害，维修效果良好，说明本研究提出的钢-UHPC组合桥面连续构造的各项性能满足使用要求。

4 结论

本研究提出了一种钢-UHPC组合桥面连续构造形式，结合钢管混凝土系杆拱桥铺装病害维修案例，对该桥桥面连续处的病害机理开展了分析，通过理论计算和有限元模拟，对比分析了钢-UHPC组合桥面连续构造与传统桥面连续构造的力学性能。通过在实际维修工程中的应用，进一步验证了该新型桥面连续构造的有效性与可行性。本研究主要结论如下。

(1) 数值模拟结果表明，对于弹性支撑的主梁简支、桥面连续的结构，横梁的挠曲变形是造成传统桥面连续构造产生过大转角的直接原因，且横梁的相对下挠，会造成连续缝处受较大弯矩作用。传统桥面连续构造在轮载及温度效应作用下，连续缝处顶、底面拉应力较大，且均超过普通混凝土材料抗拉强度限制，裂缝易从底面萌发，对结构受力及养护维修均不利。

(2) 理论计算和数值模拟结果表明，采用钢-UHPC组合桥面连续构造后，UHPC层与旧混凝土界面之间的抗剪强度满足规范要求，桥面连续处的抗弯刚度和韧性显著提升，更好地适应桥面复杂的空间受力状态。钢-UHPC组合构造受力合理，钢结构和UHPC层均处于较低的应力水平。同时该构造具有较高的强度储备，大幅提升了结构承载能力，降低了病害风险，满足桥面连续构造正常使用需求。

(3) 将本研究提出的钢-UHPC组合桥面连续构造应用在钢管混凝土系杆拱桥维修工程中，维修完成运营5 a后，维修部位未发现任何病害，效果良好。钢-UHPC组合桥面连续构造具有优异的力学性能和耐久性能。该构造高效绿色，施工便利，无需完全中断交通，全寿命周期成本低廉，在新建桥梁桥面连续构造设计实施和既有桥梁桥面连续构造病害维修中均有广阔的应用前景。