UHPC在混凝土梁的加固應(yīng)用研究進展

林上順，陳柯丹，吳琛，徐曉銘

(1.福建工程學院 福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點實驗室，福建 福州 350118；2.福州鑫隆達土木工程檢測有限公司，福建 福州 350003)

鋼筋混凝土梁已經(jīng)在橋梁工程中得到廣泛的應(yīng)用，但近年來的橋梁檢測資料表明，大量在役鋼筋混凝土梁存在不同程度的損傷，梁體病害主要出現(xiàn)在混凝土開裂、承載力下降和撓曲變形等[1-3]，需要進行加固與改造。目前鋼筋混凝土梁常用的加固與改造方法主要有增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維帶加固法和預應(yīng)力加固法等，其中增大截面加固法多采用普通混凝土，加固后結(jié)構(gòu)自重增加較大，對橋梁下部結(jié)構(gòu)的受力有一定影響；粘貼鋼板加固法雖然能在一定程度上改善鋼筋混凝土梁的受力性能，但由于鋼板長期暴露在外，需要定期進行防腐涂裝，養(yǎng)護費用較高；粘貼纖維帶加固法主要用于混凝土表面裂縫封閉，對結(jié)構(gòu)剛度提升的作用有限；預應(yīng)力加固法采用體外預應(yīng)力，其施工工藝較復雜，而且同樣存在養(yǎng)護費用較高的問題。

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是一種新型水泥基復合材料，其組成包括：水泥、級配良好的細砂、礦物摻合料、高效減水劑、微細鋼纖維等。近年來，UHPC因其具有較高的抗壓、抗拉強度和良好的耐久性能，在新橋建造、舊橋加固中得到廣泛的應(yīng)用，拓展了增大截面加固領(lǐng)域。采用UHPC對損傷鋼筋混凝土梁進行增大截面加固，其加固層的厚度可以顯著減小，對結(jié)構(gòu)的自重增加有限，而且加固后的養(yǎng)護費用較小，具有廣闊的應(yīng)用前景。為此，本文擬對國內(nèi)外在UHPC應(yīng)用于混凝土梁的加固相關(guān)研究進行系統(tǒng)分析。

1 鋼筋混凝土梁的常見病害及加固方法

目前，在役的鋼筋混凝土梁存在的病害有：梁體出現(xiàn)蜂窩、麻面、剝落、空洞、混凝土碳化、鋼筋銹蝕等，包括[4]：梁體混凝土開裂，具體位置常在底部馬蹄處、馬蹄與腹板交接處、翼緣板、腹板等；鋼筋裸露銹蝕等。具體如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土梁常見病害Fig.1 Common diseases of concrete beams

針對上述病害，混凝土橋梁的加固與改造方法主要有增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維帶加固法、預應(yīng)力加固法等[5]。各加固方法的適用條件及特性如表1所示。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)加固方法的適用條件及特性

傳統(tǒng)的增大截面加固法采用同等強度混凝土增大梁截面以提高橋梁剛度和承載能力。但由于加固后橋梁結(jié)構(gòu)的自重增大，會出現(xiàn)橋墩和基礎(chǔ)承載力不足等問題[6-7]。因此，需要探討一種新型加固方法，使加固后的鋼筋混凝土梁不僅強度、剛度、耐腐蝕能力得到提高，且能滿足基礎(chǔ)承載力的要求。采用UHPC對損傷鋼筋混凝土梁進行增大截面加固，一方面UHPC與混凝土具有相近的力學性能，能夠有效黏結(jié)，加固效果較好；另一方面，UHPC強度高，加固層厚度不大，對結(jié)構(gòu)自重的影響不明顯。另外，粘貼鋼板、粘貼纖維和外張預應(yīng)力加固的工程造價較高，采用UHPC增大截面加固構(gòu)件能夠有效控制工程修復和加固的成本[8]。

2 UHPC加固鋼筋混凝土梁的施工工藝

2.1 UHPC材料制備及力學性能

目前，UHPC大多采用高溫和蒸壓等養(yǎng)護措施使其具備良好的力學性能，這不僅增加了工程應(yīng)用難度同時也提高了加固成本。因此，研發(fā)一款適用于工程實際的免蒸養(yǎng)UHPC產(chǎn)品，并對其加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(reinforce concrete construction，RC)方法進行研究，具有重大意義。

國內(nèi)外學者通過選用不同的原材料和配合比設(shè)計，對免蒸養(yǎng)情況下的UHPC進行一系列研究[9-12]。結(jié)果表明，鋼纖維在UHPC基體中的增強、增韌作用顯著，UHPC的抗壓強度隨鋼纖維體積摻量的增加明顯提高，但鋼纖維體積摻量大于3.5%時，容易降低拌合物的和易性，強度反而降低。Tam、史才軍等[13-14]的研究表明，水膠比對UHPC的力學性能影響最大，在相同材料組分條件下，水膠比增大會提高UHPC新拌合物的流動性，降低收縮性能和強度。

針對原材料中的粗骨料和膠凝材料，許多學者也開展了相關(guān)研究。Lin等[15]選用不同粒徑的骨料進行試驗，結(jié)果表明：在摻入粗骨料粒徑達到8 mm時，UHPC的各項力學性能最佳，抗壓強度達到185 MPa。戎志丹等[16]通過加入高強度骨料、大摻量超細工業(yè)礦渣，選用多種規(guī)格鋼纖維復摻等方式配置UHPC，結(jié)果表明，摻入玄武巖骨料及混摻鋼纖維的UHPC力學性能最好，其90 d抗壓和抗折強度分別達到180和20 MPa。劉斯鳳等[17]采用天然黃砂作為細骨料，摻入超細輔助性膠凝材料，制備出了28 d抗壓強度超過200 MPa的UHPC。Wille等[18]選用粒徑極細的低熱水泥和超細硅灰，通過調(diào)整硅灰摻量、水膠比和砂膠比，制備出抗壓強度超過200 MPa的UHPC。

2.2 UHPC與既有RC結(jié)構(gòu)加固工藝

UHPC加固既有RC的關(guān)鍵在于既有結(jié)構(gòu)的界面黏結(jié)上。Tayeh等[19-21]對加固混凝土表面分別采用直接澆筑，以及鋼絲刷刷毛、噴砂、鉆孔、切槽等5種處理方式，結(jié)果表明，直接澆筑、鋼絲刷刷毛以及噴砂處理3種界面處理方法均能夠保證較好的黏結(jié)強度，其中噴砂處理獲得的界面黏結(jié)強度最高。王冰[22]開展了UHPC與既有RC的界面黏結(jié)性能試驗研究，結(jié)果表明，原混凝土強度對界面黏結(jié)強度影響不大；原混凝土表面越粗糙，加固界面的黏性強度越大，最佳粗糙度在4～5 mm；隨著UHPC齡期增大，界面黏結(jié)強度增大，但逐漸減緩。

2.3 工程實例

利用UHPC對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固是在結(jié)構(gòu)外包UHPC，通過增大構(gòu)件的截面積起到提高承載力的作用，其施工工藝和加固技術(shù)與普通增大截面加固方法類似。該方法施工簡便、適用范圍廣，利用UHPC對原構(gòu)件加固能夠有效避免加固后結(jié)構(gòu)承載力過大、結(jié)構(gòu)凈空受到局限等影響。

滬嘉高速(S5)公路是我國第一條高速公路，于1988年10月通車[23]。橋梁主梁結(jié)構(gòu)為預應(yīng)力槽型梁，上鋪預制鋼筋混凝土橋面板，由于槽型梁和橋面板均為預制而成，未形成固結(jié)，且厚度較小，承載能力較低。針對橋面出現(xiàn)混凝土強度降低、裂縫病害嚴重等問題，對該橋甲式橋面板下增設(shè)5～20 cm厚的UHPC，與原梁形成組合截面，同時滿足施工可行和承載力提高的要求。

3 UHPC加固梁試驗研究

3.1 加固梁受彎性能試驗

大量研究表明，利用UHPC加固可大幅提高鋼筋混凝土梁的受力性能。Katrin等[24]對現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)的修復潛力進行評估，利用UHPC對12根足尺鋼筋混凝土梁進行加固，受彎承載力可提高30%以上。Lampropoulos等[25]利用UHPC對鋼筋混凝土梁受拉側(cè)加固，對加固梁進行受彎性能試驗研究，再結(jié)合有限元數(shù)值模擬分析驗證試驗結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用UHPC在構(gòu)件受拉區(qū)加固能夠有效改善加固構(gòu)件的力學性能，試件加固后的開裂荷載、極限承載力和截面剛度均得到大幅提高，其中UHPC三向加固形式對加固梁的受彎性能提高效果最為明顯，承載力最大增幅接近40%。Prem等[26]制作了跨度為1 500 mm的縮尺梁模型，通過預壓高達80%的破壞荷載引入初始損傷，再利用UHPC對損傷梁鋪裝層進行加固。試驗結(jié)果表明，加固梁的極限承載力較未加固梁提升了30%。

3.2 加固工藝對加固效果的影響

針對加固工藝對UHPC加固梁受彎性能的影響，許多學者也開展了系列的研究。Al-Osta等[27]為研究加固工藝對UHPC加固鋼筋混凝土梁受彎性能的影響展開試驗。一部分試件采用現(xiàn)澆加固方式，另一部分試件通過結(jié)構(gòu)膠將UHPC預制板與原試件進行連接。結(jié)果表明，兩種加固方式下試件均未發(fā)生界面脫離，UHPC加固梁的承載能力和截面剛度均得到明顯提高。王偉[28]設(shè)計不同粗糙度新舊混凝土黏結(jié)面，對3根UHPC加固鋼筋混凝土梁進行靜力加載試驗，通過加載0.2～0.8倍極限承載力的疲勞荷載，觀察加固梁的破壞過程，結(jié)果表明，經(jīng)刻槽處理的加固梁具有更高的疲勞壽命。

成煜[29]針對不同加固方式、加固層厚度、初始混凝土強度和配筋率對UHPC加固鋼筋混凝土梁受彎性能的影響，共開展了20根加固梁試驗研究。研究表明：利用UHPC-碳纖維網(wǎng)格復合對混凝土梁受拉區(qū)加固時，加固效果最為顯著，且加固層厚度是影響加固梁承載力和剛度的主要因素。孔小芳[30]把加固層厚度作為研究變量，利用UHPC對鋼筋混凝土梁進行局部加固。對比未加固鋼筋混凝土梁可知，加固梁具有更高的抗彎能力，承載力隨著加固厚度的增加而增大，UHPC加固梁可以有效延遲裂縫的開展，降低試件破壞時的彎曲變形。

4 加固構(gòu)件計算方法

20世紀70年代，我國首次引進前蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu)加固設(shè)計理論，考慮在平截面假定的基礎(chǔ)上，參考疊合構(gòu)件提出了增大截面后加固構(gòu)件的設(shè)計計算方法。隨后我國科研人員系統(tǒng)總結(jié)了增大截面法的加固補強案例，針對加固梁的加固位置又提出了不同的計算方法[31]：加固部位在梁的受壓區(qū)時，考慮截面“應(yīng)力超前現(xiàn)象”，仍然沿用疊合梁的計算方法來計算加固梁的承載力；加固位置在梁受拉區(qū)時，加固后梁的承載力采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)[32]中的計算方法。

在此基礎(chǔ)上，許多學者對UHPC加固試件可能出現(xiàn)的不同情況進行系列研究。張樹仁、洪剛等[33-34]以加固混凝土和原混凝土截面是獨立工作的情況，考慮加固試件二次受力的影響，推導UHPC加固鋼筋混凝土梁受彎承載力計算方法，并結(jié)合工程實例驗證公式的可靠性。杜斌等[35]針對試件帶荷載加固的情況，加固材料的強度受原結(jié)構(gòu)變形的影響，同時考慮試件分階段受力的特點，推導加固梁正截面抗彎承載力計算公式。楊斌等[36]考慮加固試件的二次受力特征，對增大截面加固受彎構(gòu)件可能出現(xiàn)的破壞形態(tài)進行分類研究，通過定性分析得出，在保證必要構(gòu)造措施的基礎(chǔ)上，增大截面加固受彎構(gòu)件的二次受力特征主要體現(xiàn)在正常使用極限狀態(tài)，承載能力極限狀態(tài)可近似按照一次受力計算。

成煜、陳彪[29,37]考慮新增UHPC加固層的承載能力未能完全發(fā)揮作用等原因，參考現(xiàn)有規(guī)程中增大截面加固受彎構(gòu)件的承載力計算公式，引入加固部分利用系數(shù)對受彎承載力進行折減，結(jié)合試驗結(jié)果給出利用系數(shù)。蔣炳炎等[38]結(jié)合某體育館看臺加固的工程實例，推導外包鋼筋混凝土在加固過程中的設(shè)計計算過程，提出增大截面加固梁承載力簡化計算方法，利用靜載試驗對公式進行修正。

5 結(jié)論

UHPC加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件采用增大截面加固方法。該方法使用范圍廣且加固效果顯著，采用UHPC加固后的混凝土受彎構(gòu)件承載能力和剛度等力學性能均得到大幅度提高。加固施工工藝是影響增大截面加固效果的重要因素。需要加固的結(jié)構(gòu)，對其加固界面進行鑿毛處理，并采用結(jié)構(gòu)界面膠對新舊混凝土進行黏接，以保證結(jié)構(gòu)的加固界面完好。在實際工程中，由于加固結(jié)構(gòu)大多已服役數(shù)年，其承載力、耐久性等受力性能均有所降低。因此，在計算加固構(gòu)件的承載能力時，初始損傷對結(jié)構(gòu)承載力的折減，是今后需要研究的關(guān)鍵問題。

舊橋的技術(shù)狀況評定和損傷評估，是確定采用維修、加固或拆除的依據(jù)；如果舊橋具備加固條件，那么剩余承載力評估，以及根據(jù)結(jié)構(gòu)的損傷情況，開展UHPC加固后的鋼筋混凝土梁的承載力計算方法，是今后需要進一步研究的內(nèi)容，也是采用UHPC進行舊橋加固的設(shè)計依據(jù)；在施工工藝方面，由于舊橋多處于通車狀態(tài)，對加固施工干擾較大，因此需要結(jié)合工程案例，采用UHPC進行鋼筋混凝土梁加固的施工方法的系統(tǒng)研究。