噴射高性能水泥復(fù)合混凝土加固石拱橋試驗研究

尚守平　狄國偉　劉君　王草原

摘要：通過1座未加固石拱橋模型與1座帶載噴射高性能水泥復(fù)合混凝土加固石拱橋模型的破壞實驗，研究了噴射高性能水泥復(fù)合混凝土加固石拱橋的加固效果及加固計算方法.試驗結(jié)果表明，在石拱橋模型達(dá)到破壞荷載70%時持載噴射60 mm厚高性能水泥復(fù)合混凝土加固，石拱橋模型承載力提高幅度為25%.噴射高性能水泥復(fù)合混凝土加固石拱橋能有效提高其承載力，改善其脆性破壞的性質(zhì)，是一種經(jīng)濟(jì)有效的石拱橋加固方法.文中所用的加固后石拱橋承載力計算方法的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，可供工程加固設(shè)計參考使用.

關(guān)鍵詞：高性能水泥復(fù)合混凝土；加固；石拱橋

中圖分類號：U448.32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： In order to investigate the reinforcement effect and calculation method of stone arch bridge strengthened with injecting high performance cement composite concrete， an unreinforced stone arch bridge model and an loadcarrying stone arch bridge model strengthened by injecting highperformance cement composite concrete were made for the destruction test. The experiment results show that the ultimate compressive bearing capacity of stone arch bridge model strengthened by injecting 60mm highperformance cement composite concrete can be improved by 25%， when the sustained load reaches 70% of the failure load. Strengthening stone arch bridge by injecting high performance cement composite concrete can effectively improve the failure load and properties of brittle failure， which is an economical and effective arch bridge strengthening method. The calculation results of strengthening arch bridge bearing capacity were in good agreement with experimental results， and the calculation method can be employed to design in strengthening engineering.

Key words： high performance cement composite concrete； strengthening； stone arch bridge

石拱橋造型優(yōu)美、造價低廉、取材方便、在我國技術(shù)嫻熟，曾經(jīng)在鋼產(chǎn)量低的建國初期得到廣泛的應(yīng)用.然而由于年久、交通量加重、自然災(zāi)害等原因，目前大部分石拱橋存在一定的開裂、破損等安全隱患.考慮到舊危橋數(shù)量多，覆蓋面廣，拆除重建不僅耗資巨大，新建期間社會付出的“綜合代價”更為高昂，因此對舊危橋進(jìn)行加固改造是最佳選擇＼[1＼].

石拱橋加固的方法很多，有增大截面法、錨噴法、粘貼加固法、套箍法等，增大截面法需在拱腹部支模澆筑振搗混凝土，施工困難，且加固界面粘結(jié)性能不佳，混凝土早期強度較低，工期長＼[2＼]；錨噴混凝土后期強度低，耐久性差＼[3＼]；粘貼加固法用有機(jī)膠粘結(jié)，耐久性不好＼[4＼]；套箍法需搭設(shè)滿堂支架，施工復(fù)雜，且主要適用于空腹式石拱橋.而高性能復(fù)合水泥混凝土加固砌體結(jié)構(gòu)是一種新型的加固方法，在砌體結(jié)構(gòu)加固中正在被廣泛應(yīng)用＼[5-7＼]，具有施工方便快捷，經(jīng)濟(jì)效益好，無機(jī)材料加固耐久性好等優(yōu)點.單面噴射高性能水泥復(fù)合混凝土進(jìn)行石拱橋加固，可以免除上部填土開挖，大大減少工程量，具有重要的社會和工程意義.

為了研究噴射高性能水泥復(fù)合混凝土加固石拱橋的加固效果，在湖南大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室中砌筑兩個相同模型石拱橋，一個不加固，另一個考慮到石拱橋通常具有較大的恒載不能卸除，進(jìn)行帶載加固，通過試驗結(jié)果的對比分析，研究噴射高性能水泥復(fù)合混凝土加固石拱橋?qū)κ皹蜷_裂模式、破壞形態(tài)、及極限承載力的影響.

1材性試驗

1.1砌體的材性試驗

按文獻(xiàn)＼[8＼]的規(guī)定，砌體的標(biāo)準(zhǔn)試件截面尺寸為200 mm×300 mm， 試件高度為630 mm.試件砌塊尺寸為200 mm×97 mm×70 mm，砌塊實測強度為82.6 MPa，用M15水泥砂漿砌筑，在湖南大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室5 000 kN壓力機(jī)上進(jìn)行砌體試件的材性實驗.標(biāo)準(zhǔn)試件破壞圖見圖1.

（a） 寬側(cè)面1（b） 寬側(cè)面2

1.2噴射混凝土的材性試驗

試驗中噴射高性能水泥復(fù)合混凝土為普通水泥混凝土摻加少量的由聚丙烯纖維、膨脹劑、粉煤灰及硅灰等超細(xì)摻和料組成的添加劑，實測噴射混凝土的強度達(dá)C50，噴射混凝土的彈性模量為3.45×104 MPa.

2石拱橋模型試驗

2.1墩臺澆筑

墩臺澆注時留水平及豎向預(yù)留孔，豎向預(yù)留孔穿錨桿錨固在實驗室地下室頂板上，水平預(yù)留孔穿拉結(jié)錨桿，用螺栓錨緊，保證墩臺固定.

2.2砌筑石拱橋模型

石拱橋模型的幾何尺寸為跨徑4.5 m，矢高1.34 m，拱軸線為拋物線形，試驗中確定了10個控制點的高度來保證拱橋模型拱軸線的位置，見圖3.

2.3加載裝置

石拱橋模型拱軸線是拋物線，對應(yīng)合理拱軸線的荷載應(yīng)為沿跨度方向的均布荷載，由于實際荷載復(fù)雜，不可能出現(xiàn)完全軸壓的情況，石拱橋模型截面上可能會出現(xiàn)彎矩作用，由于石拱橋抗拉強度很低，一旦截面出現(xiàn)拉應(yīng)力，則石拱橋模型截面就會開裂，這在石拱橋設(shè)計中是不允許的.故本試驗的加載原則是石拱橋模型截面不產(chǎn)生拉應(yīng)力.由于實驗室中反力架需安裝在錨孔位置，荷載采用千斤頂來施加，經(jīng)過試算，以石拱橋模型全截面不產(chǎn)生拉應(yīng)力為準(zhǔn)，采用兩個150T千斤頂，兩根分配梁進(jìn)行四點加載，加載示意圖見圖4.

2.4加載

試驗中兩個千斤頂由同一個油泵來控制，保證加載同步對稱.加載時，先施加預(yù)估破壞荷載的5%，進(jìn)行預(yù)加載.確定儀表工作正常后進(jìn)行正式加載.正式加載采用分級加載，每級荷載50 kN，加載速率為0.5 ～1.0 kN/s，加載完成后，恒壓2～3 min，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄及裂縫觀察，然后施加下一級荷載.加荷至預(yù)估破壞荷載的80%后，撤除百分表，按照原定加荷速率連續(xù)加荷，直至試件破壞.

2.5噴射加固

對于帶載加固石拱橋模型，需在持載后進(jìn)行噴射加固，噴射加固層厚度不宜過小，過小則加固效果不明顯，也不宜過大，過大會增加自重并增大施工難度.本實驗中選用加固層厚度為60 mm.為了加強加固層與原拱橋的連接，在拱橋模型拱腹下打剪切銷釘，在銷釘上綁扎鋼筋網(wǎng)，銷釘和鋼筋網(wǎng)都采用6的帶肋鋼筋.加固過程見圖5.

3試驗結(jié)果及分析

3.1未加固石拱橋模型破壞過程

加載前期，拱橋模型上基本不產(chǎn)生裂縫，當(dāng)加載到極限荷載的75%時，在跨中位置沿垂直拱軸線的

豎向灰縫開始出現(xiàn)裂縫.當(dāng)加載到極限荷載85%時，拱橋模型主要在3個位置出現(xiàn)裂縫：

1） 跨中位置裂縫主要集中在跨中兩個加載點之間，裂縫主要沿著垂直拱軸線的豎向及橫向灰縫，砌塊上基本無裂縫（圖6（a））；

2） 左右拱腳及附近加載點之間，在砌塊上出現(xiàn)沿著拱軸線方向的細(xì)微裂縫（圖6（b），（c））；

3） 千斤頂下方，主要在拱橋模型側(cè)面出現(xiàn)沿著拱軸線方向的貫通裂縫，裂縫長度跨過五皮砌塊（圖6（d））.

當(dāng)加載到極限荷載的95%時，在左拱腳及附近加載點之間拱橋模型側(cè)面迅速出現(xiàn)沿著拱軸線方向的貫通裂縫，之后很短時間內(nèi)石拱橋模型在此處垮塌破壞（圖6（e）），破壞呈明顯脆性，破壞后砌體散落（圖6（f））.

3.2未加固石拱橋模型承載力分析及結(jié)果對比

石拱橋模型跨度4.5 m，矢高1.34 m，采用有限元軟件進(jìn)行分析，采用beam188梁單元，劃分68個單元，兩端固支.建模過程中做以下簡化：分配梁通過墩臺傳向拱圈接觸面的力視為均布豎向荷載，均布荷載為集中力與接觸面沿拱圈跨度方向長度的比值.幾何模型及荷載施加方式見圖7.

試驗中，兩千斤頂同步對稱加載，拱橋模型應(yīng)力分布不變且按比例增加.從理論計算結(jié)果可知，拱橋模型應(yīng)在邊緣壓應(yīng)力最大處先破壞.即拱腳與附近加載點之間9單元或60單元位置，距拱腳0.43 m處，此處石拱橋下邊緣應(yīng)力達(dá)到砌體抗壓強度后拱橋模型破壞.實際拱橋模型破壞點位置正在左拱腳及附近加載點之間.破壞荷載為800 kN，計算結(jié)果為702 kN，理論計算結(jié)果與實際實驗結(jié)果基本吻合.

3.3帶載加固石拱橋模型破壞過程

當(dāng)?shù)谝浑A段受力水平為0.7時，千斤頂壓力應(yīng)為800×0.7=560 kN，試驗中先將拱橋加載至560 kN，在加載過程中基本不出現(xiàn)裂縫，只有少量的沿砌筑砂漿灰縫的裂縫（圖10（a））.加載第二階段是在噴射加固之后，持載15 d之后進(jìn)行的，加載直接在原來的持荷水平上進(jìn)行加載.

當(dāng)加載到加固后極限承載力的66%時，在右側(cè)拱腳與加載點之間拱橋模型砌塊側(cè)面上出現(xiàn)沿拱軸線方向的細(xì)微裂縫，不過之后此處裂縫基本不發(fā)展（圖10（b））.

當(dāng)加載到極限承載力的90%時，在跨中加固層側(cè)面及底面出現(xiàn)垂直拱軸線方向的豎向及橫向裂縫（圖10（c）），同時在左側(cè)拱腳與加載點之間拱橋模型砌塊上出現(xiàn)沿拱軸線方向的貫通裂縫（圖10（d）），之后此裂縫隨著荷載的增加而延伸，最終拱橋模型在此處破壞.

加固后拱橋模型的破壞形態(tài)與未加固拱橋模型基本相同，破壞時，有幾塊砌體飛出，然后余下拱橋模型向下垮塌（圖10（e））.加載過程中，加固層與拱橋模型粘結(jié)良好，無剝離現(xiàn)象（圖10（f））.

3.4帶載加固拱橋模型承載力分析及結(jié)果對比

加固結(jié)構(gòu)屬于二次受力結(jié)構(gòu)，拱橋模型加固前為第一受力階段，由拱橋模型單獨承受荷載，加固后新增加的荷載由拱橋模型和加固層形成的組合截面共同承受.在噴射加固之前，拱橋模型的各截面應(yīng)力分布同未加固拱橋模型是一致的.噴射加固后，拱橋模型下部新增加了一層噴射混凝土加固層，拱橋模型內(nèi)部的應(yīng)力分布會有所變化.為了得到不同加固層厚度對拱橋模型應(yīng)力分布的影響，用有限元分析軟件分別建立模型進(jìn)行分析，分析時根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變相同的原則進(jìn)行截面轉(zhuǎn)換，為保證截面上各處應(yīng)變相等，固定加固層的高度，換算加固層的寬度b'=bE2/E1.

從表2可以看出控制截面位置基本不變，控制截面偏心距有一定變化，結(jié)合不同的混凝土強度，得出加固后控制截面偏心距和加固層厚度及混凝土強度的關(guān)系見圖11.圖11中擬合的偏心距公式綜合考慮了混凝土強度的變化及加固層變化對加固后截面偏心距的影響.當(dāng)加固層厚度在0.15 m范圍內(nèi)時，混凝土強度的改變對偏心距影響不大，計算時不考慮混凝土強度變化對截面偏心距的影響.根據(jù)理論分析，加固后拱橋模型控制截面基本不變，實際破壞點位置在左拱腳及附近加載點之間，加固后拱橋模型截面破壞位置正在左拱腳及附近加載點之間，破壞時模型側(cè)面顯示出一條沿拱軸線方向的貫通裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐漸發(fā)展，直到最大應(yīng)力點位置砌體被壓碎，上部殘留砌體有幾塊飛出，拱橋模型整體向下跨塌.計算結(jié)果為994.9 kN，實際破壞荷載為1 000 kN，理論計算結(jié)果與實際實驗結(jié)果基本吻合.

3.5兩座拱橋模型試驗結(jié)果對比

未加固拱橋模型的極限承載力為800 kN，帶載加固拱橋模型的極限承載力為1 000 kN，加固后拱橋模型承載力提升幅度為25%，說明噴射高性能水泥復(fù)合混凝土能有效提高拱橋的承載力.

未加固拱橋模型在加載到極限承載力的95%時才在破壞位置出現(xiàn)一條沿著拱軸線方向的貫通裂縫，之后在很短時間內(nèi)破壞，基本沒有反應(yīng)時間，破壞呈明顯脆性.加固后拱橋模型受力有所改善，在加載到加固后極限承載力的90%時，拱橋模型破壞位置處的裂縫發(fā)展已經(jīng)明顯，之后裂縫隨著加載逐漸發(fā)展，有一定的破壞征兆，這說明噴射高性能水泥復(fù)合混凝土能有效改善拱橋模型的脆性破壞特性，增加結(jié)構(gòu)的延性.

從加固后拱橋模型的破壞情況來看，除了破壞位置處上部砌體結(jié)構(gòu)被壓碎之外，其他截面處，加固層與拱橋模型粘結(jié)良好，無剝離及滑移現(xiàn)象，且破壞后模型仍保持相當(dāng)?shù)恼w性，說明加固層能有效地加強結(jié)構(gòu)的整體性能.

4結(jié)論

1） 未加固拱橋模型的極限承載力為800 kN，帶載加固拱橋模型的極限承載力為1 000 kN，加固后拱橋模型承載力提升幅度為25%，說明噴射高性能水泥復(fù)合混凝土能有效提高拱橋的承載力.

2） 噴射高性能水泥復(fù)合混凝土與拱橋模型粘結(jié)良好，加固后能和原結(jié)構(gòu)較好地共同工作，能有效改善拱橋模型的脆性破壞特征，增加結(jié)構(gòu)延性，是一種有效的石拱橋加固方法.

3） 文中的拱橋承載力計算方法的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，可供工程加固設(shè)計參考使用.

參考文獻(xiàn)

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3.5兩座拱橋模型試驗結(jié)果對比

未加固拱橋模型的極限承載力為800 kN，帶載加固拱橋模型的極限承載力為1 000 kN，加固后拱橋模型承載力提升幅度為25%，說明噴射高性能水泥復(fù)合混凝土能有效提高拱橋的承載力.

未加固拱橋模型在加載到極限承載力的95%時才在破壞位置出現(xiàn)一條沿著拱軸線方向的貫通裂縫，之后在很短時間內(nèi)破壞，基本沒有反應(yīng)時間，破壞呈明顯脆性.加固后拱橋模型受力有所改善，在加載到加固后極限承載力的90%時，拱橋模型破壞位置處的裂縫發(fā)展已經(jīng)明顯，之后裂縫隨著加載逐漸發(fā)展，有一定的破壞征兆，這說明噴射高性能水泥復(fù)合混凝土能有效改善拱橋模型的脆性破壞特性，增加結(jié)構(gòu)的延性.

從加固后拱橋模型的破壞情況來看，除了破壞位置處上部砌體結(jié)構(gòu)被壓碎之外，其他截面處，加固層與拱橋模型粘結(jié)良好，無剝離及滑移現(xiàn)象，且破壞后模型仍保持相當(dāng)?shù)恼w性，說明加固層能有效地加強結(jié)構(gòu)的整體性能.

4結(jié)論

1） 未加固拱橋模型的極限承載力為800 kN，帶載加固拱橋模型的極限承載力為1 000 kN，加固后拱橋模型承載力提升幅度為25%，說明噴射高性能水泥復(fù)合混凝土能有效提高拱橋的承載力.

2） 噴射高性能水泥復(fù)合混凝土與拱橋模型粘結(jié)良好，加固后能和原結(jié)構(gòu)較好地共同工作，能有效改善拱橋模型的脆性破壞特征，增加結(jié)構(gòu)延性，是一種有效的石拱橋加固方法.

3） 文中的拱橋承載力計算方法的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，可供工程加固設(shè)計參考使用.

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3.5兩座拱橋模型試驗結(jié)果對比

未加固拱橋模型的極限承載力為800 kN，帶載加固拱橋模型的極限承載力為1 000 kN，加固后拱橋模型承載力提升幅度為25%，說明噴射高性能水泥復(fù)合混凝土能有效提高拱橋的承載力.

未加固拱橋模型在加載到極限承載力的95%時才在破壞位置出現(xiàn)一條沿著拱軸線方向的貫通裂縫，之后在很短時間內(nèi)破壞，基本沒有反應(yīng)時間，破壞呈明顯脆性.加固后拱橋模型受力有所改善，在加載到加固后極限承載力的90%時，拱橋模型破壞位置處的裂縫發(fā)展已經(jīng)明顯，之后裂縫隨著加載逐漸發(fā)展，有一定的破壞征兆，這說明噴射高性能水泥復(fù)合混凝土能有效改善拱橋模型的脆性破壞特性，增加結(jié)構(gòu)的延性.

從加固后拱橋模型的破壞情況來看，除了破壞位置處上部砌體結(jié)構(gòu)被壓碎之外，其他截面處，加固層與拱橋模型粘結(jié)良好，無剝離及滑移現(xiàn)象，且破壞后模型仍保持相當(dāng)?shù)恼w性，說明加固層能有效地加強結(jié)構(gòu)的整體性能.

4結(jié)論

1） 未加固拱橋模型的極限承載力為800 kN，帶載加固拱橋模型的極限承載力為1 000 kN，加固后拱橋模型承載力提升幅度為25%，說明噴射高性能水泥復(fù)合混凝土能有效提高拱橋的承載力.

2） 噴射高性能水泥復(fù)合混凝土與拱橋模型粘結(jié)良好，加固后能和原結(jié)構(gòu)較好地共同工作，能有效改善拱橋模型的脆性破壞特征，增加結(jié)構(gòu)延性，是一種有效的石拱橋加固方法.

3） 文中的拱橋承載力計算方法的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，可供工程加固設(shè)計參考使用.

參考文獻(xiàn)

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