本报告是第四个中国UHPC年度发展报告，摘要记录和介绍2022年中国在UHPC领域取得的部分研究成果、标准规范编制进展、产业发展、新的工程应用以及技术交流活动。
CCPA - UHPC超高性能水泥基材料与工程技术分会在2022年，疫情严重地影响了我们的工作和生活，但中国UHPC技术在进步、结构设计方法在完善、标准规范在建立、应用场景在扩展、用量在增长，UHPC行业发展生机勃勃。本报告是第四个中国UHPC年度发展报告，摘要记录和介绍2022年中国在UHPC领域取得的部分研究成果、标准规范编制进展、产业发展、新的工程应用以及技术交流活动。部分研究和工程项目材料名称用活性粉末混凝土 (RPC) 或高韧性混凝土 (STC)，在本报告中统一用UHPC名称。四、UHPC的工程应用 1、桥梁应用钢-UHPC组合梁 (复合桥面)据不完全统计，2022年施工完成超过29.2万平方米的钢-UHPC组合梁或复合桥面，折算体积用量超过中国UHPC总用量的四分之一。2022年底建成通车的十淅高速丹江口水库特大桥，为双塔双索面部分地锚式钢-UHPC轻型组合梁斜拉桥，全长1076m，其中跨760m主梁采用新型钢-UHPC轻型组合梁结构，由分离式双边箱断面钢梁 + 钢-UHPC组合桥面板组成；钢-UHPC组合桥面板由正交异性钢桥面板、剪力连接件、80mm等厚密配筋UHPC层，以及铺设在UHPC层顶面40mm厚SMA-13沥青磨耗层四部分组成；UHPC层与钢桥面板之间通过剪力键 (槽口型PBL键) 和圆柱头焊钉连接。在开展大量试验研究的基础上，该桥的设计优化在主梁结构合理性、钢和UHPC性能发挥、接缝减少与构造简化及抗裂性等多个方面取得进步，使钢-UHPC轻型组合梁重量仅为873.5kg/m2，与国内其他典型斜拉桥相比，主梁自重降低了20%以上；与常规沥青混凝土铺装钢桥面相比，钢面板应力降低25～74%，纵向加劲肋峰值应力降低30～50%，横隔板峰值应力降低10～16%。该桥的施工方法也非常高效，组合梁在钢梁总拼装厂内浇筑UHPC层、热养护后完成，组合梁制作、安装、梁节段间现浇UHPC横向湿接缝施工同步顺序进行，仅8个月就完成了全桥共44节组合梁的施工 (参见图7)。该桥对UHPC材料性能要求见表1，其钢-UHPC轻型组合梁直接工程造价为10,167元/m2，与传统钢-混组合梁 (造价10,722元/m2) 和钢箱梁 (造价10,100元/m2) 基本持平[14]，但组合梁重量减小实际上能够降低全桥造价；桥面板承受应力减小能使钢结构和沥青混凝土层维护维修费用大幅降低，具有良好的经济、社会和环境效益。该桥组合梁的UHPC部分由湖南中路华程施工。钢混结合段的UHPC由中交二航武汉港湾施工，使用了微膨胀UHPC。表1：丹江口水库特大桥组合梁UHPC材料的技术要求[14]图 7：丹江口水库特大桥钢-UHPC组合梁施工 (引自[14])以下简要介绍2022年完成的几个较大钢桥面现浇UHPC铺装工程： 东营市胜利黄河大桥1988年6月通车，因服役时间较长和交通量不断增大，主桥和引桥的病害、桥梁刚度退化较为严重，需要进行维修加固，实施的方案为：铺设55mm厚UHPC层，通过剪力钉及钢筋网与钢桥面板形成钢-UHPC组合结构，UHPC与钢梁共同受力，提高桥面横向刚度，大幅降低车轮荷载作用导致的局部应力集中，解决钢结构疲劳开裂和沥青铺装层频繁破损问题。该工程铺装UHPC面积约12,000m2 ，由山东高速工程检测公司施工。 宁波市西洪大桥及接线环形立交工程的钢-UHPC复合桥面总面积达35,000m2，UHPC铺装层厚50mm ，由浙江宏日泰耐克、江苏苏博特、浙江新中源建设公司等供应UHPC预混料和施工。 东莞市滨海湾大桥是目前国内最大跨径、桥面宽度最宽 (双向8车道) 的空间扭索面斜拉桥，钢-UHPC复合桥面采用160MPa等级UHPC铺装，厚度60mm，总面积25,300m2，由中铁桥研科技施工 (见图8)。 广州市南沙红莲大桥为主跨580m双塔双索面混合梁斜拉桥，UHPC铺装面积14,000m2，由湖南中路华程施工。 成都市天府农博园美丽乡村示范长廊项目桥梁全长707.08m，跨越金马河既有河堤和规划河堤采用50m简支钢箱梁，UHPC铺装面积约12,000m2 ，由中交二航武汉港湾和二航成都建设工程公司施工。 中山市西环联石湾特大桥为双层钢桁梁独塔斜拉桥，总长412m，宽38.8m，铺装70mm厚UHPC层，总面积25,338m2。该工程项目团队在摊铺装备研发阶段结合UHPC特性来改进摊铺装备，实现纵向宽幅摊铺并提高了施工效率和表面平整度，UHPC表面呈“镜面”效果 (见图9)，由保利长大四公司施工。等等。图8：东莞市滨海湾大桥UHPC铺装施工 (中铁桥研科技提供图片)图9：中山西环联石湾特大桥UHPC铺装施工 (保利长大四公司提供图片)钢梁-UHPC桥面板甘肃省公路交通建设集团和桥梁工程研究中心开展UHPC材料研发，通过试验、研究、验证，在桑园子黄河特大桥预制使用了UHPC华夫型桥面板，桥面板最小厚度仅8cm，自重比常规桥面板降低了30%以上，具有结构轻、强度高、耐久性好等特点[15]。桑园子黄河特大桥是国内8度以上地震区最大跨度分幅联塔斜拉桥，主跨328m，梁体为70m钢桁-UHPC轻型组合梁。UHPC梁桥2021年广东省公路学会发布标准《无腹筋预应力超高性能混凝土梁桥技术规范》(T/GDHS 003-2021)，2022年UHPC梁桥在广东省得到了更多应用 (见图10)。在乡村公路的改造升级中，15～30m跨径UHPC梁桥体现出较大优势，包括装配化率高、施工周期短、梁重量小方便运输和吊装 (这对于需要通过承载力低的桥梁、狭窄乡村公路运输尤为重要)，并且综合造价与传统混凝土梁桥基本持平。表2是鼎兴土木和中路新材设计优化的无腹筋UHPC梁桥与传统混凝土梁桥上部结构的经济性对比。对于20m和30m跨径，UHPC梁桥比传统混凝土上部结构的造价略高，但考虑UHPC梁桥上部结构重量减轻会使下部结构和基础的建设成本降低，总造价大致可持平。可见，合理的设计、把UHPC和钢材的力学性能发挥好利用好，中、小跨径UHPC梁桥的建设成本也具有竞争力，同时还有免维护维修和更长服役寿命的额外优点。图10：无腹筋预应力UHPC梁桥更新乡村公路桥梁 (中路新材提供图片)表2：传统混凝土和UHPC梁桥上部结构经济性对比 (鼎兴土木提供)保利长大二公司继2021年建成102m 跨径UHPC箱梁公路桥——广东英德北江四桥， 2022年又在中山西环上建成了105m跨径的UHPC箱梁桥 (见图11)。该UHPC简支梁桥位于横栏服务区B匝道，桥梁宽度为10.5m，由2片预制斜腹板UHPC箱梁组成；梁高4.1m，横向中心间距5.2m，底板宽度2.1m，顶板宽度4.95m。主梁纵向划分为 7.5m+5×18m+7.5m 七个节段，每两个节段间预留0.5m作为后浇带湿接缝。结构上使用“体外后张为主+体内先张为辅”相结合的方案，在跨中D梁段设置9根15-1先张法钢绞线，有效提高了结构的延性，充分利用UHPC的超高性能优化了箱梁的断面尺寸；横向采用2片斜腹板小箱梁断面，加大纵向节段长度，并将节段重量控制在150t左右，顺利实现了UHPC箱梁节段从英德预制工厂至中山的长距离陆上运输和施工架设；而UHPC 梁节段间的后浇湿接缝设计，则是胶接匹配方式进一步优化，降低节段拼装的精度控制难度，保证了节段拼接的质量。中山西环的105m跨径UHPC简支梁，是在英德102m跨径简支梁桥基础上进一步技术创新和发展完善，保利长大再次突破UHPC简支梁桥跨径的世界上记录，并形成设计、施工、验收的成套技术和成果。图11：中山西环105m跨径UHPC简支箱梁桥 (保利长大二公司提供图片)采用UHPC主梁建造公路桥，广东已经有了很好的实践和示范，期待能够以点带面进入可持续发展和应用。桥梁结构连接和负弯矩区抗裂宁波市象山湾疏港高速昆亭至塘溪段工程，在春晓高架6号桥左、右幅第九联作为高抗拉UHPC试验段，即采用高抗拉UHPC代替负弯矩预应力钢束，试验优化整孔预制箱梁非预应力简支转连续体系结构。桥梁上部结构为整孔预制箱梁，在连续墩顶段距梁顶0～0.3m高度范围、连续墩顶两侧1.15m范围内的箱梁顶板、翼缘距梁顶0～0.15m高度范围现浇高抗拉UHPC (见图12)，浇筑方量为66.8m3。高抗拉UHPC性能要求为：28d抗拉强度≥10MPa、抗压强度≥100MPa，膨胀率介于0.02%～0.04%，由中交路桥建设公司和中交二航武汉港湾施工。图12：代替负弯矩预应力钢束的高抗拉UHPC连接接缝 (中交二航武汉港湾提供照片)临沂市北京路沂河大桥新旧拼宽工程，是将1994年通车的长1,210.72m、宽23m旧桥拓宽，新建拼宽桥与老桥拼接形成一体化桥面。老桥改造后，拆除重建部分采用钢箱梁，保留部分均为 30 m简支混凝土小箱梁。与老桥重建部分钢箱梁对应，新建拼宽桥也采用相同钢箱梁；与混凝土小箱梁对应，新建拼宽桥则采用标准联60m+60.69m=120.69m整体现浇预应力混凝土连续箱梁。不等跨径、不同结构形式拼宽尚无成熟经验，新旧规范协调、大跨径连续梁拼宽、错位拼宽等都是桥梁拼宽中的难点，常规方案均采用分离拼宽或设置纵向伸缩缝的型式，但难以保证通行效率和行车舒适性。为解决原结构预应力小箱梁与新建拼宽整体现浇预应力大箱梁在活载作用下变形协调问题，该项目把UHPC用在新旧桥面铺装结合部位，通过新型构造设计和利用UHPC高抗拉强度、高韧性将新旧结构连成整体。为确保方案的可靠性，施工前进行了现场足尺模型破坏性加载试验 (见图13)，理论计算和足尺结构试验验证均达到设计要求。实际工程施工完成后的效果良好，经检测满足设计的性能要求。 UHPC铺装由山东高速工程检测公司施工。该桥梁拼宽方案系山东省首次应用，为桥梁新旧拼宽提供了新的技术路径。图13：不同梁型拼宽用UHPC铺装连接足尺试验和施工 (山东高速工程检测/青岛迪泰提供照片)北海市西村港跨海大桥主桥为双塔双索面斜拉桥，主桥跨径布置为38.9+70+238(主跨)+70+38.9=455.8m， 桥面宽38m，设2%双向横坡，主梁为钢混叠合梁。在辅助墩、边墩、跨中等混凝土桥面主要负弯矩受拉部位，混凝土桥面板接缝采用UHPC湿接缝连接，由中铁桥研科技施工。景观桥、人行桥上海 (园林) 集团更新建造的苏州市平海路、虎殿路沿线绿化和景观工程，包含建筑大师朱祥明设计的荷花池景观桥项目，是在种满荷花的水池上建造可供市民闲坐、观赏、拍照的水上栈道与平台，边缘为荷叶边造型的坐凳，既为荷花池应景，也具有实用性 (见图14)。荷花池景观桥采用装饰结构一体化UHPC构件建造，为全预制装配式，最大板块尺寸超过30m2，由上海义诚巨新预制生产。图14：预制装配式UHPC荷花池景观桥 (上海义诚巨新提供图片)位于杭州市临平区的方塘埠河桥为九乔绿道项目的子项目，上部结构采用跨径27.3m单孔现浇UHPC实心板拱 (见图15)，桥宽3～5m渐变，跨中板厚30cm，拱脚板厚40cm，拱轴线采用悬链线，拱轴系数3.735，净失高3.62m，净矢跨比1:7.48。浙江宏日泰耐克和杭州宏日绿建施工建造。图15：九乔绿道方塘埠河桥 (浙江宏日泰耐克提供图片)武汉友谊大道快速化改造工程，需拆除重建跨越友谊大道的武汉理工大学人行天桥。项目工期紧，且天桥上空横跨高架，现场施工及吊装条件受限。新桥选用UHPC建造方案，可降低结构自重、缩短工期，且桥梁结构免维护耐久性好。新桥为单箱三室箱型截面简支梁 (见图16)，宽7.2m，高1.0m，腹板壁厚仅10cm，四跨跨径分别为3×15.25m+12.0m。箱梁在现场预制，采用蒸汽养护。该工程由中铁武汉勘察设计研究院设计，中建三局基础设施建设投资公司施工，华新超可隆供应UHPC材料。图16：武汉理工大学人行天桥二桥 (华新超可隆提供图片) 2、建筑应用建筑幕墙与外立面用UHPC设计制作的建筑幕墙或外立面装饰构件，是最容易看到和感受到的UHPC应用，也是外观质量要求最高的UHPC构件。以下是完成或参与单位提供的2022年完成的部分项目介绍及图片。图17：羊山攀岩中心镂空UHPC幕墙 (上海义诚巨新提供图片)羊山攀岩中心是亚洲最高等级的攀岩场馆，主体为半开放设计，由南北两个功能单体通过轻盈剔透的“蚕茧”表皮组织一个建筑整体。“蚕茧”造型采用大型镂空装饰与结构一体化UHPC幕墙建造 (见图17)。为了实现功能和结构的统一，设计团队反复斟酌比较设计方案，最终选择UHPC作为建筑表皮材料。整个幕墙系统由支撑体系和大型UHPC镂空幕墙板构件组成，使用了合计1万平米、1600块形状各异的UHPC双曲面镂空面板；最大的单块板幅为5mx2m；屋顶盖板形状为2.7米的等边三角形，内嵌玻璃；幕墙板平均镂空率为53%，最大镂空率为60%，幕墙自承重无背负龙骨，是国内首创。轻质薄壁UHPC幕墙，让设计师突破材料的束缚，也展示了UHPC实现建筑装饰、功能和结构一体化的能力和潜力。UHPC幕墙板由上海义诚巨新预制生产，构件养护完毕后运输到现场进行安装。羊山攀岩中心荣获亚组委颁发的第19届杭州亚运会“建筑特色奖” 。坐落于昆明官渡区西亮塘湿地公园的昆明西亮塘天主堂，由清华大学王丽方教授团队与昆明市规划设计研究院联合设计，项目包括教堂和教府，是国内首个应用UHPC幕墙方案的宗教类建筑。室内内装、室外板工程、地下室坐堂、连廊屋顶及巨大的一体成型十字架均采用UHPC制作而成 (见图18)。表面纹理为磨石工艺，安装缝为明缝，对结构的制造安装精度要求极高，相邻四块板块交界处误差不超过1mm (平面平整度及垂直度)。一体成型的十字架重量达5吨，单块UHPC板展开面积最大达12m2。该工程由华新超可隆供应UHPC预混料，上海义诚巨新预制生产构件。图18：UHPC装饰的昆明西亮塘天主堂 (上海义诚巨新提供图片)新加坡某公寓外墙遮阳造型挂板 (见图19)，采用白色UHPC预混料和钢纤维制作，UHPC性能要求为：抗压强度≥130MPa，弹性抗拉强度>6MPa。遮阳造型挂板在国内预制生产，运至现场安装，由浙江宏日泰耐克和安徽倍立达住工完成。图19：UHPC遮阳造型挂板 (浙江宏日泰耐克提供图片)位于福州市乌龙江岸闽侯县上街镇葛岐村的福建省建筑科学研究院有限责任公司设计生产基地工程，由主楼 (15F) 及其裙楼 (1～4F) 组成，最大高度约为73m。由于常规GRC或金属幕墙均不能满足该项目对结构和服役寿命的要求，选用UHPC制造异型构件作为外包幕墙。构件造型复杂、长细比大、厚度有渐变有突变，给裂缝防控、预埋件布置、模具和成型制作等带来了挑战。经过建筑师、幕墙深化、UHPC材料及生产环节充分沟通，从生产安装全过程多工况受力分析优化设计方案，将浇筑成型改为喷射成型有效避免了开裂，通过改进喷射设备与工艺顺利完成了高难度UHPC异形构件制作生产。福建建泰建筑科技公司制作构件，江苏苏博特提供UHPC预混料和技术服务。图20：福建建科院生产基地大楼UHPC异形构件 (江苏苏博特提供图片)此外，还有一批设计使用UHPC幕墙的工程正在施工，将在明年的年度发展报告介绍。建筑构件桑植生活垃圾协同窑预处理项目是张家界市桑植县改善城区环境和集约用地的重点项目。垃圾预处理车间在生产过程中会产生大量的腐蚀性气体，对普通的混凝土屋面板材料有较强的腐蚀作用。因此，该项目采用了预应力UHPC双T板作为屋面 (见图21)，保证屋面抗腐蚀性能。该双T屋面结构还有结构自重小，优良的抗裂、耐火、抗震、抗冻性能等优点。UHPC双T屋面板由华新超可隆预制生产。图21：桑植生活垃圾预处理车间UHPC双T板 (图片引自[16])预制墙体构件连接 (湿接缝)上海市竹园污水处理厂四期工程AAO生物反应池缺氧池区域采用装配整体式结构，地下墙体高度11.4m。单个预制装配式区域长47.7m，宽51m，共8个区域，总面积1.92万m2，主要预制构件为直线段导流墙、预制梁、预制板及预制电缆沟。该工程如采用传统预制墙 + 预制梁 + 预制板的形式，则预制构件最大重量将达到31.2t，吊装安装施工不便，难以有效发挥预制装配技术集约、高效等优势。为解决这个问题，上海建工二建集团基于所研发的钢筋免套筒UHPC直锚短搭接技术，发展出新型双面叠合钢板桁架剪力墙结构体系 (SPDW) 。竹园污水处理厂四期工程成功引入SPDW体系，即采用双面叠合钢板桁架代替实心预制墙，倒T叠合板代替实心预制板，配合UHPC后浇连接 (见图22)。SPDW体系将预制构件重量均控制在8t左右，在结构性能得以保证的基础上实现预制装配式构件轻量化。相较传统实心预制构件，SPDW构件重量减轻了70%，降低了施工难度，充分发挥了预制装配式技术的优势。竹园污水处理厂四期工程ZYSQ1.5标 (UHPC湿接缝) 由上海建工建材科技集团施工。图22：地下生物反应池预制叠合剪力墙UHPC湿接缝连接 (上海建工建材科技集团提供图片) 3、结构维修加固T梁桥梁沙尾桥位于肇庆市高要区Y013 乡道上，桥长约 176m，跨径组合为11×16m，桥面全宽 7.5m，行车道宽 6.6m，设计荷载为公路Ⅱ级，采用钢筋混凝土 T 梁上部结构，共 44 片梁。2007 年建成通车，历经15年风雨后，该桥1#~11#跨T梁腹板存在多条竖向裂缝等病害，不能满足日益增长的各种车辆、特别是重型车辆的通行需求，采用外包UHPC方法对沙尾桥上部结构中的34片梁进行了加固 (见图23)，由广东能达公路养护股份和中路杜拉施工。图23：肇庆沙尾桥T梁采用UHPC外包薄层加固 (图片引自[17])对T梁进行加固以前常用的方法是粘钢法。鼎兴土木分析比较了UHPC增大截面法和粘钢法的优缺点，认为：两种加固方法均可满足受力要求，UHPC增大截面法加固的抗弯承载力增幅小于粘贴钢板法，因为粘贴钢板面积比增大截面法所增加的纵向钢筋面积要大，而UHPC增大截面加固法的抗剪承载力增幅略大于粘钢法。按照加固综合单价UHPC 12,000元/m3、钢筋6600元/t、粘贴钢板15,000元/t计算，UHPC增大截面法造价有一定优势。此外，UHPC增大截面法表观质量和视觉效果更好、结构刚度更大、外包位置原混凝土结构裂缝可永久封闭，且耐久性好，基本无需特殊养护，而粘钢加固法耐久性差，需要经常进行防腐涂装，裂缝无法永久封闭。综合考虑全寿命周期成本，采用UHPC增大截面法效果更好[18]。空心板梁桥梁衡山湘江大桥位于湖南省衡山县境内G240线，全长1,293.42m (主桥长720m、引桥长544m)，建成于1995年，运营时间达26年。本次加固主要有引桥上部结构整体化改造、桥面更换、下部结构病害处理。利用UHPC与普通混凝土优异的粘结性能，对引桥范围预制及现浇普通钢筋混凝土空心板梁进行整体化改造，即拆除原桥面铺装层及梁缝结构，铺设钢筋网，先在梁缝灌筑UHPC，再在桥面整体浇筑80mm厚UHPC层，使原板梁与UHPC形成整体结构 (见图24)，由衡阳路桥和浙江宏日泰耐克施工。该项目是国内首次大规模采用...