碳纖維筋在舊拱橋加固中的應(yīng)用研究

榮淑娟 胡衛(wèi)軍 李嘉銘

【摘要：】在危舊拱橋加固中，傳統(tǒng)的波形鋼板、鋼板箍等加固方案占用橋下大面積凈空，影響行洪。碳纖維筋噴漿加固是近些來(lái)年來(lái)橋梁加固新技術(shù)，多用于梁橋的加固中，但對(duì)于拱橋加固的適用性尚不明確。文章依托界首二橋加固項(xiàng)目，通過(guò)極限分析法計(jì)算車輛不同作用點(diǎn)下拱橋極限承載能力，分析碳纖維筋噴射混凝土厚度對(duì)加固效果的影響，揭示其極限承載機(jī)理。結(jié)果表明：（1）通過(guò)極限分析法，得到最不利車輛荷載作用位置及拱圈破壞形式，為整橋加固設(shè)計(jì)提供參考;（2）隨著碳纖維筋噴漿層厚度增加，結(jié)構(gòu)極限承載能力呈快速提升狀態(tài)，最大能夠提升28.6%的承載力，但當(dāng)厚度超過(guò)10 cm，提升速率下降，部分作用點(diǎn)承載力提升出現(xiàn)衰減現(xiàn)象;（3）施工過(guò)程中應(yīng)注意噴漿加固拱圈的整體性，提升結(jié)構(gòu)完整性，從而提升極限承載力。

【關(guān)鍵詞：】拱橋加固;碳纖維筋噴漿;極限分析法;承載能力;拱圈完整性

U416.214A280893

0 引言

改革開(kāi)放后，我國(guó)路網(wǎng)快速發(fā)展，因砌石拱橋造價(jià)便宜，施工方便，結(jié)構(gòu)承載力高，跨越河流公路建設(shè)中大量采用了該類橋型。然而在建設(shè)之初，橋梁高性能材料缺乏，基礎(chǔ)施工工藝不到位，且早期拱橋經(jīng)歷了40～50年的運(yùn)行，出現(xiàn)了剪切裂縫、橋臺(tái)下沉、泛堿、接縫砂漿老化等不同程度的病害，制約了早期建設(shè)拱橋的正常通行，而其中大部分舊拱橋未達(dá)到拆除重建的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其加固后仍能繼續(xù)服役。

故目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)拱橋加固進(jìn)行了研究，王錦莉等[1]將玻璃纖維和芳綸纖維混合纖維布復(fù)合材料應(yīng)用在橋梁加固中，降低了梁板底部拉應(yīng)變，有效提升了橋梁承載能力;周建廷等[2]對(duì)鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈加固拱橋技術(shù)與增設(shè)新主拱圈等技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析鋼筋混凝土套箍的經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性。龔曉進(jìn)等[3]對(duì)石拱橋的常見(jiàn)病害進(jìn)行了分析，介紹了不同的拱橋加固形式，提出了不同情況下的加固方式選取準(zhǔn)則。張俊波等[4]采用波紋鋼板拱進(jìn)行石拱橋舊橋加固施工，加固效果良好。王宗山等[5]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證超高性能混凝土（UHPC）在拱橋加固中有良好效果。

目前的主要加固方法相當(dāng)于在橋下新建一座小的拱橋，與原拱橋協(xié)調(diào)受力，提升拱橋承載能力，但該方法侵占了拱下行洪空間，同時(shí)需要對(duì)拱軸線進(jìn)行精確測(cè)量，還需加工加固鋼板，施工速度慢，費(fèi)用較高。碳纖維筋噴漿加固技術(shù)占用空間小，材料強(qiáng)度高，廣泛應(yīng)用在梁橋的加固中，然而應(yīng)用在拱橋加固中鮮有報(bào)道，其對(duì)拱橋承載力提升特性尚未有研究。本文通過(guò)極限分析法，揭示極限承載力特性，總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)施工中的要點(diǎn)，為舊拱橋碳纖維筋加固提供指導(dǎo)。

1 項(xiàng)目概況

界首二橋位于桂林興安縣境內(nèi)Y443線（呼和浩特-北海）K1+771處，建成于1972年，所屬路線等級(jí)為二級(jí)公路。

本拱橋全長(zhǎng)39.00 m，橋面全寬9.20 m。上構(gòu)采用2×12.00 m漿砌片石板拱，下構(gòu)為重力式U型橋臺(tái)，采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。

對(duì)界首二橋總體技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)定，評(píng)分為59.7。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)主拱圈出現(xiàn)破壞，拱下出現(xiàn)泛堿、縱向裂縫等病害，經(jīng)綜合評(píng)定該橋?yàn)樗念悩蛄?，需要進(jìn)行加固。但該橋因河道較窄，上游行洪不暢，已導(dǎo)致上游常年受到洪澇災(zāi)害，如采用波形鋼板進(jìn)行加固，會(huì)進(jìn)一步加劇上游水澇災(zāi)害。故本文提出碳纖維筋噴漿加固法并對(duì)其應(yīng)用技術(shù)開(kāi)展研究。

2 極限承載力分析

2.1 模型建立

基于OPTUM G2對(duì)加固后的拱橋進(jìn)行分析，在OPTUM G2中提供乘數(shù)分布荷載以及從初始值逐漸增加到結(jié)構(gòu)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的破壞荷載（極限荷載）。極限荷載為破壞乘數(shù)荷載的極限值。破壞乘數(shù)荷載由下式計(jì)算得到：

qu=αqmult（1）

式中：qu——破壞系數(shù)荷載（kN）;

α ——乘數(shù)系數(shù);

qmult——基礎(chǔ)荷載（kN）。

在極限分析法中，將材料設(shè)定為理想彈塑性體或鋼塑性體。在流塑性狀態(tài)下，材料的屈服應(yīng)力與塑性應(yīng)變可采用流動(dòng)規(guī)則來(lái)表征。流動(dòng)規(guī)則狀態(tài)下，塑性應(yīng)變率分量之間關(guān)系如下：

（2）

式中：F——外荷載力（kN）;

σ1——主應(yīng)力（kPa）;

σ3——側(cè)向應(yīng)力（kPa）;

ε1、ε3——對(duì)應(yīng)方向應(yīng)變。

本文假定碳纖維筋噴漿層為均質(zhì)各向同性，材料應(yīng)力應(yīng)變滿足理想彈塑性模型要求。拱結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，土采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，計(jì)算材料參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 計(jì)算方案

為研究不同噴漿加固厚度對(duì)拱圈不同受力段荷載承載特性的影響，根據(jù)劉哲坤等的研究成果[6]，選取最不利拱橋荷載，在單輛重載車輛通行作用下，計(jì)算拱橋的極限承載力，分析得到拱橋受力最不利點(diǎn)。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）表4.3.1- 汽車車輪與地面接觸的著地寬度及長(zhǎng)度分別取60 cm、20 cm，并根據(jù)目前該橋的交通管制，取限制允許通行最大貨車長(zhǎng)度為5.6 m進(jìn)行模擬，最不利荷載作用點(diǎn)分別取1/4拱處和拱頂處，計(jì)算車輛前后輪分別行駛至如圖1中①～B11處時(shí)，計(jì)算其極限承載力。

按照加固厚度為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm對(duì)拱橋進(jìn)行加固模擬，再進(jìn)行極限承載力分析，車輛前后輪作用點(diǎn)計(jì)算方案如表2所示。

3 結(jié)果分析

按表2對(duì)目前舊拱橋的極限承載力進(jìn)行了分析，不同荷載組合形式下拱橋極限承載力如圖2所示。

當(dāng)載重的車輛從左邊跨向右邊跨駛?cè)霑r(shí)，前后輪作用在拱的不同位置處，對(duì)于拱圈極限承載力影響不同，極限承載力初始較大，車輛駛?cè)牒蟪氏认陆岛笊仙厔?shì)，行駛至右拱圈1/4處時(shí)，進(jìn)一步下降，駛離右拱圈1/4處時(shí)，開(kāi)始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

分析其原因，當(dāng)車輛前輪作用在左拱圈1/4處時(shí)，拱橋中墩分擔(dān)了一部分荷載，拱橋的整體極限承載力較高，當(dāng)車后輪行駛至橋跨兩側(cè)1/4處時(shí)，車輛荷載通過(guò)拱實(shí)腹段向下傳遞荷載，荷載作用在拱圈上形成水平分力和豎向分力，造成中墩位置及車輪前緣拱圈出現(xiàn)拉應(yīng)力。隨著乘數(shù)荷載的增大，拉應(yīng)力超過(guò)拱橋材料的極限抗拉強(qiáng)度，拱橋出現(xiàn)拉裂破壞，行駛至右邊跨時(shí)承載力大于左邊跨，主要是由于右側(cè)橋臺(tái)能夠提供一定的承托力，分散作用在1/4拱處的力。而當(dāng)車輛行駛至荷載均勻布置在拱橋兩側(cè)時(shí)（如圖3所示），破壞形式以拱圈和中墩拉裂破壞為主，右側(cè)拱圈提供了一定的抗力，車輛荷載前后輪作用點(diǎn)出現(xiàn)了剪斷破壞。在加固設(shè)計(jì)中，應(yīng)針對(duì)相應(yīng)的破壞形式，提升薄弱點(diǎn)的抗力，從而提升整體拱橋的承載力。DA28750F-A428-45D6-944E-EC0ED9554DD4

不同加固厚度下的拱橋承載力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

如圖4所示，隨著碳纖維筋加固厚度的增加，拱橋的承載力有不同程度的提升，靠近中墩位置在荷載組合（5）作用下極限承載力提升較小，甚至后期出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)的現(xiàn)象，而對(duì)于跨中在荷載組合（2）、（3）作用下提升明顯。在荷載組合（1）、（4）、（6）、（7）作用下加固厚度達(dá)到15 cm時(shí)，承載力增長(zhǎng)出現(xiàn)了放緩，主要是由于拱下噴漿，造成結(jié)構(gòu)增重，導(dǎo)致增加的部分抗力被結(jié)構(gòu)自重所抵消。

引入碳纖維筋加固厚度與極限承載力提升系數(shù)β，計(jì)算公式為：

β=pipo （3）

式中：pi——對(duì)應(yīng)厚度的碳纖維筋噴射層極限承載力（kN）;

po——未噴射碳纖維筋噴射層極限承載力（kN）。

通過(guò)式（3）計(jì)算得到5 cm、10 cm、15 cm、20 cm加固厚度下的極限承載力提升系數(shù)，如圖5所示。

由圖5可知，隨著碳纖維筋噴射混凝土的厚度增加，極限承載力呈現(xiàn)先快速增加，0～10 cm加固厚度情況下，所有組合荷載作用下極限承載力快速上升，然后增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，部分加載點(diǎn)出現(xiàn)增強(qiáng)系數(shù)下降的現(xiàn)象。加固厚度達(dá)到20 cm時(shí)，不同荷載組合下的提升系數(shù)為：22.04%、22.89%、22.31%、16.83%、6.09%、13.02%、23.95%。極限承載力仍均未低于加固時(shí)的極限承載力，故碳纖維筋加固對(duì)極限承載力有明顯提升作用。在考慮經(jīng)濟(jì)性和提升效果的情況下，宜采用10 cm厚的碳纖維筋噴射混凝土加固層厚。提高橋梁整體承載力，需針對(duì)易破壞位置進(jìn)行加固。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工要點(diǎn)

碳纖維筋與橋臺(tái)、中墩連接性能是形成結(jié)構(gòu)力的關(guān)鍵，碳纖維筋植入拱座基礎(chǔ)15 d，進(jìn)行清孔，注滿植筋膠后插入碳纖維筋，孔內(nèi)植筋膠溢出表明注漿飽滿。在拱座位置1 m范圍內(nèi)進(jìn)行加密，每5 cm加密一根;在拱頂4 m范圍內(nèi)加密，每5 cm加密一根。

拱圈結(jié)構(gòu)力的形成是本加固工藝的重點(diǎn)，施工中應(yīng)保證拱圈施工的完整性，橫向斷面過(guò)寬，可采用橫向分幅、縱向一次施工的方法進(jìn)行施工，保證每幅形成完整的拱圈結(jié)構(gòu)。噴漿過(guò)程應(yīng)保證高強(qiáng)水泥砂漿的飽和度，避免出現(xiàn)空洞應(yīng)力集中，造成結(jié)構(gòu)力下降的情況。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于OPTUM G2有限元軟件，對(duì)待加固拱橋極限承載力進(jìn)行了分析，進(jìn)一步探究了碳纖維筋噴漿技術(shù)在危舊拱橋加固中的適用性，揭示加固層厚度對(duì)極限承載力的提升作用，主要結(jié)論如下：

（1）原危舊拱橋在設(shè)計(jì)組合荷載作用下，不同位置的極限承載力不同。車輛后輪作用靠近中墩1/4拱處時(shí)，極限承載力最小，破壞原因主要是存在斜向拉應(yīng)力，導(dǎo)致中墩剪切拉裂，加固中應(yīng)采取措施重點(diǎn)加固。

（2）碳纖維筋形成拱結(jié)構(gòu)力后，能夠有效提升舊拱橋的極限承載力。隨著噴射層厚度的增加，極限承載力提升呈現(xiàn)先增加，后增長(zhǎng)趨于放緩，且部分作用點(diǎn)承載力出現(xiàn)下降現(xiàn)象。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和提升性能，碳纖維筋噴射混凝土加固厚度采用10 cm為宜。

（3）在施工過(guò)程中，碳纖維筋噴射混凝土結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)結(jié)合度，協(xié)調(diào)受力是提升拱橋抗力的關(guān)鍵，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注臺(tái)座處的碳纖維筋植入、灌漿飽和度，碳纖維筋加密等，應(yīng)采用縱向分幅，保證拱圈結(jié)構(gòu)的完整性。

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