UHPC在裝配式梁橋加固中的應(yīng)用研究

陳子豪

（廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510080）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是一種基于最大堆積密實(shí)度原理的新型水泥基復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高基體密實(shí)度、高韌性與高耐久性的特點(diǎn)［1-2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)UHPC 的優(yōu)異性能，開(kāi)展了一系列的UHPC 橋梁結(jié)構(gòu)研發(fā)工作，結(jié)果表明UHPC 結(jié)構(gòu)可有效減輕結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)的跨越能力，適合裝配化施工，有望解決現(xiàn)有常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)存在的諸多技術(shù)難題，具有廣闊的應(yīng)用前景［3-5］。

在橋梁結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域，針對(duì)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境和主要受力形式等的不同，可利用UHPC 的優(yōu)異力學(xué)性能進(jìn)行維修與加固。國(guó)外對(duì)于UHPC 材料的實(shí)橋加固應(yīng)用起步較早，且研究熱點(diǎn)主要集中于梁結(jié)構(gòu)加固上。2003年，ALAEE［6］首次采用摻入鋼纖維的UHPC 材料對(duì)預(yù)開(kāi)裂鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)厚度僅為16 mm 的加固板能提升被加固構(gòu)件66%的抗彎承載力。2017 年，TANARSLAN［7］采用配鋼筋的預(yù)制UHPC 薄層對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固，通過(guò)植筋、環(huán)氧樹(shù)脂界面劑、加壓等方式增強(qiáng)界面黏結(jié)能力，結(jié)果表明底部粘貼UHPC 薄層能有效增強(qiáng)構(gòu)件極限承載力，但對(duì)下?lián)峡刂颇芰^弱。國(guó)內(nèi)學(xué)者在這一領(lǐng)域起步較晚，2012 年邵旭東［8］于國(guó)內(nèi)首次提出UHPC-鋼橋面板復(fù)合體系，并計(jì)算了其在局部輪載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值，計(jì)算結(jié)果顯示，UHPC-鋼橋面板復(fù)合體系相比于普通鋼橋面板，順橋向應(yīng)力下降了41.02%～66.65%，橫橋向降幅達(dá)到57.71%～72.39%。在UHPC加固工程應(yīng)用方面，2004年瑞士首次在舊橋橋面板上澆筑30 mm 配筋的UHPC 薄層［9］，修復(fù)由重車荷載所導(dǎo)致的橋面板破損。2011 年國(guó)內(nèi)首次將UHPC 材料用于肇慶馬房大橋加固工程［10］，該橋鋼箱主梁鋪裝層嚴(yán)重破損、疲勞開(kāi)裂，在采用50 mm UHPC 層加固后，其鋼-UHPC 組合橋面體系運(yùn)行良好至今。2021 年京滬高速公路改擴(kuò)建工程采用UHPC 增大截面法對(duì)橋面板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固［11］，加固后橋面抗剪承載力滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 3362—2018》［12］要求，養(yǎng)護(hù)完成后橋面加固層無(wú)裂縫出現(xiàn)。

從以上研究可以看出，UHPC 運(yùn)用于橋梁加固處于剛起步階段，缺乏足夠的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，本文從佛山市某裝配式鋼筋混凝土空心板梁橋加固工程實(shí)際案例出發(fā)，通過(guò)將該橋左幅上部結(jié)構(gòu)更換為全預(yù)應(yīng)力UHPC π 型梁進(jìn)行加固，并對(duì)UHPC π 型梁和原有蓋梁進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，希望此計(jì)算分析結(jié)果能給同類橋梁加固工程以參考，并推動(dòng)這種UHPC 加固方法的應(yīng)用。

1 工程概況

佛山市某車行橋?yàn)橐蛔b配式鋼筋混凝土空心板梁橋，竣工于1994年7月。上部結(jié)構(gòu)采用8 m+10 m裝配式鋼筋混凝土空心板梁，橫向各布置11 塊空心板，其中8 m 跨徑梁高0.40 m，寬1.54 m，10 m 跨徑梁高0.50 m，寬1.54 m，橫向布置為0.50 m（防撞護(hù)欄）+16.25 m（行車道）+1.50 m（中央分隔帶）+16.25 m（行車道）+0.50 m（防撞護(hù)欄），共35.00 m。下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋臺(tái)、柱式墩和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 主要病害分析

該橋在運(yùn)營(yíng)26 年后，2019 年對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該橋主要存在以下病害：

⑴全橋空心板底存在大量縱向裂縫和多處大面積網(wǎng)狀裂縫，如圖1?所示；

⑵幅橋梁多處空心板澆筑不密實(shí)，存在大面積的空洞露筋，如圖1?所示；

⑶多處腹板銹脹露筋，如圖1?所示。

2.1.3 個(gè)性特征及心理因素 不同心理應(yīng)激能力的患者，面對(duì)外界刺激時(shí)所作出的反應(yīng)也有很大差別，如某些長(zhǎng)期患病或突發(fā)重病的患者，不能適應(yīng)喪失自我照顧能力的現(xiàn)狀，尤其是那些平日里獨(dú)立生活自理能力較差、而家庭和社會(huì)地位較高的患者，更難以適應(yīng)ICU的環(huán)境，ICU綜合征的發(fā)生率也相應(yīng)更高［6］。燕純叔［13］對(duì)入住ICU的250例患者臨床心理狀態(tài)分析顯示，文化程度較高的176例患者中，有124例不愿入住ICU，顯著高于文化較低的患者74例(P＜0.01)。因?yàn)槲幕^高的患者自我保護(hù)意識(shí)較強(qiáng)，考慮問(wèn)題較復(fù)雜，容易導(dǎo)致情緒不穩(wěn)定。

圖1 板底縱向裂縫Fig.1 Longitudinal Crack at Slab Bottom

全橋總體技術(shù)狀況評(píng)分為78.7分，評(píng)定為3類，其中上部承重部件被評(píng)定為4 類，評(píng)定結(jié)果最差的單元為左幅。針對(duì)現(xiàn)有病害，需采取不同的整治方法進(jìn)行處理。對(duì)于混凝土剝落、鋼筋外露部位，需清除外露鋼筋表面銹跡，恢復(fù)保護(hù)層。對(duì)于現(xiàn)澆空心板裂縫，裂縫寬度小于0.15 mm 的裂縫采取封閉處理，對(duì)大于0.15 mm 的裂縫進(jìn)行灌漿。由于左幅底板發(fā)現(xiàn)多處空洞，面積較大，建議在保留原有下部結(jié)構(gòu)的同時(shí)，采用更換梁板措施進(jìn)行加固處治。

3 左幅橋梁加固方案

3.1 加固方案

由于左幅空心板底板存在多處難以修復(fù)的空洞，為了結(jié)構(gòu)安全，采用更換上部結(jié)構(gòu)的方案?？紤]到該橋于20世紀(jì)90年代建成，設(shè)計(jì)荷載小于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60—2015》［13］規(guī)定的設(shè)計(jì)荷載，長(zhǎng)期在超過(guò)設(shè)計(jì)荷載下運(yùn)營(yíng)，對(duì)梁體產(chǎn)生不少損傷，故新上部結(jié)構(gòu)需具有滿足文獻(xiàn)［13］設(shè)計(jì)荷載以及自重較輕的特點(diǎn)。因此，結(jié)合本項(xiàng)目跨徑較小，且現(xiàn)狀道路對(duì)線型指標(biāo)的要求較高，不適宜抬高路面，左幅橋梁采用全預(yù)應(yīng)力UHPC π型梁橋的加固方案。

3.2 總體布置

左幅橋梁加固方案中，上部結(jié)構(gòu)采用8 m+10 m裝配式先張法預(yù)應(yīng)UHPC π 型梁，如圖2 所示。橫向布置5 片中梁和2 片邊梁，中梁預(yù)制長(zhǎng)度為2.14 m，邊梁預(yù)制長(zhǎng)度為2.275 m，梁間距為2.44 m，其中8 m 跨徑梁高0.40 m，10 m 跨徑梁高0.50 m。

圖2 橋梁立面Fig.2 Bridge Elevation （cm）

3.3 上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)采用裝配式先張法預(yù)應(yīng)力UHPC π 型梁，共有8 m 和10 m 兩種跨徑。斷面共有5 片中梁和2 片邊梁組成，梁肋間距1.22 m，濕接縫寬度為0.3 m，中梁寬2.14 m，懸臂長(zhǎng)0.515 m；邊梁寬2.275 m，懸臂長(zhǎng)0.50 m。10 m跨和8m跨中梁斷面如圖3所示。8 m跨π 型梁梁高40 cm，10 m 跨π 型梁梁高50 cm。梁端設(shè)有16 cm厚橫梁，整體化層厚8 cm，瀝青鋪裝層采用5 cm 厚AC-13C。預(yù)制π 梁采用UC150，濕接縫采用UC130，全橋采用?s15.24高強(qiáng)度低松馳鋼絞線。

圖3 跨中梁斷面Fig.3 Cross Section of Mid Span Beam（cm）

4 左幅橋梁加固計(jì)算

以10 m 跨預(yù)應(yīng)力UHPC π 型梁結(jié)構(gòu)的邊梁計(jì)算為例，采用Midas Civil 建立全橋空間仿真模型，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散時(shí)，共劃分280 個(gè)單元，161 個(gè)節(jié)點(diǎn)，10 m跨Midas Civil 計(jì)算模型如圖4 所示。橋面鋪裝作為二期恒載采用外荷載施加，邊界條件采用彈性支撐模擬，按照文獻(xiàn)［13］進(jìn)行荷載組合驗(yàn)算。

圖4 10 m跨Midas計(jì)算模型Fig.4 Midas Calculation Model of 10 m Span

4.1 邊梁施工階段正截面混凝土法向應(yīng)力驗(yàn)算

按全預(yù)應(yīng)力UHPC 構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，施工階段UHPC 梁上下緣應(yīng)力如圖5 所示，其中正值表示受拉應(yīng)力，負(fù)值表示受壓應(yīng)力?！稛o(wú)腹筋預(yù)應(yīng)力超高性能混凝土梁橋技術(shù)規(guī)范：TGDHS 003—2021》［14］第6.3.2.1 條規(guī)定，橋梁構(gòu)件在進(jìn)行短暫狀況設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)計(jì)算其在施工階段由自重、施工荷載等引起的正截面應(yīng)力。根據(jù)文獻(xiàn)［12］第6.3.2.5 條、第6.3.2.6 條，文獻(xiàn)［14］第7.2.3 條、第7.2.8 條以及圖5 的計(jì)算結(jié)果，施工階段最大壓應(yīng)力σtcc=36.1 MPa＜0.7×0.9fck=66.15 MPa，最大拉應(yīng)力σtct=0.8 MPa＜0.7×0.9ftk=4.54 MPa，其中fck為UHPC抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，ftk為UHPC軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。因此，施工階段主梁上下緣混凝土應(yīng)力滿足文獻(xiàn)［14］要求。

圖5 施工階段UHPC混凝土應(yīng)力Fig.5 Concrete Stress of UHPC Beam under Construction Stage （MPa）

4.2 邊梁承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

4.2.1 全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件抗彎承載能力驗(yàn)算

基本組合下邊梁彎矩內(nèi)力與抗力如圖6 所示，外輪廓等值線為抗力線，內(nèi)輪廓實(shí)體為內(nèi)力線，主梁正彎矩向上，負(fù)彎矩向下。根據(jù)文獻(xiàn)［15］第6.1.2.3 條以及圖6 的計(jì)算結(jié)果，最大彎矩為2 050.3 kN·m，最大抗力為2 190.6 kN·m。因此，承載能力極限狀態(tài)下主梁抗彎承載能力滿足文獻(xiàn)［14］要求。

圖6 基本組合下邊梁彎矩與抗力Fig.6 Bending Moment and Resistance of Side Beam under Basic Combination（kN·m）

基本組合下邊梁剪力如圖7 所示，可得主梁最大剪力γ0Vd=1 270.4 kN。根據(jù)文獻(xiàn)［14］第6.1.2.5條，對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼筋超高性能混凝土截面，超高性能混凝土基本抗剪承載力設(shè)計(jì)值Vc=270 kN，纖維抗剪承載力設(shè)計(jì)值Vf=1 049.2 kN，故斜截面抗剪承載能力Vu=Vc+Vf=1 319.2 kN＞γ0Vd。因此，承載能力極限狀態(tài)下主梁抗剪承載能力滿足文獻(xiàn)［14］要求。

圖7 基本組合下邊梁剪力Fig.7 Shear of Basic Comosite Lower Side Beam （kN）

4.3 邊梁正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

4.3.1 頻遇組合下正截面抗裂驗(yàn)算

頻遇組合下混凝土正截面應(yīng)力如圖8 所示，在預(yù)應(yīng)力作用下，主梁上下緣混凝土全截面受壓，沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力。根據(jù)文獻(xiàn)［14］第6.2.3條，全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的非接縫截面，在頻遇組合下，正截面的拉應(yīng)力應(yīng)滿足σst-0.85σpc≤0。因此，頻遇值組合下正截面抗裂驗(yàn)算滿足文獻(xiàn)［14］要求。

圖8 頻遇組合下UHPC混凝土正截面應(yīng)力Fig.8 Normal Section Stress of UHPC Concrete under Frequency Combination （MPa）

4.3.2 頻遇組合下斜截面抗裂驗(yàn)算

頻遇組合下混凝土斜截面應(yīng)力如圖9 所示，最大主拉應(yīng)力發(fā)生在π梁梁端，σtp=2.3 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)［15］第6.2.3 條，全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的非接縫截面，在頻遇組合下，斜截面的拉應(yīng)力應(yīng)滿足σtp≤0.6ftk=4.32 MPa。因此，頻遇值組合下斜截面抗裂驗(yàn)算滿足文獻(xiàn)［14］要求。

圖9 頻遇組合下UHPC混凝土斜截面應(yīng)力Fig.9 Oblique Section Stress of UHPC Concrete under Frequency Combination （MPa）

4.3.3 標(biāo)準(zhǔn)組合下正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算

標(biāo)準(zhǔn)組合下混凝土正截面應(yīng)力如圖10所示，正截面最大壓應(yīng)力為31.7 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)［12］第7.1.5條，受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力應(yīng)滿足σkc+σpt≤0.5fck=52.5 MPa。因此，標(biāo)準(zhǔn)組合下正截面混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算滿足文獻(xiàn)［14］要求。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)組合下UHPC混凝土正截面應(yīng)力Fig.10 Normal Section Stress of UHPC Concrete under Standard Combination （MPa）

4.3.4 準(zhǔn)組合下斜截面壓應(yīng)力驗(yàn)算

標(biāo)準(zhǔn)組合下混凝土斜截面應(yīng)力如圖11 所示，UHPC π型梁的最大壓應(yīng)力為30.5 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)［12］第6.3.1 條，全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件混凝土最大壓應(yīng)力應(yīng)滿足σcp≤0.6fck=63 MPa。因此，標(biāo)準(zhǔn)組合下斜截面混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算滿足文獻(xiàn)［14］要求。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)組合下UHPC混凝土斜截面應(yīng)力Fig.11 Oblique Section Stress of UHPC Concrete under Standard Combination （MPa）

同理，對(duì)10 m 跨預(yù)應(yīng)力UHPC π 型梁的中梁以及8 m 跨預(yù)應(yīng)力UHPC π 型梁的邊梁和中梁進(jìn)行驗(yàn)算，均滿足文獻(xiàn)［14］的要求，結(jié)果如表1所示。

表1 UHPC π型梁承載能力驗(yàn)算Tab.1 Checking Calculation of Bearing Capacity of UHPC π-Beam

4.4 加固后現(xiàn)狀蓋梁承載力驗(yàn)算

因?qū)ψ蠓鶚蚋鼡Q了新的上部結(jié)構(gòu)，因此需對(duì)現(xiàn)狀蓋梁進(jìn)行受力分析。采用Midas Civil 建立蓋梁空間仿真模型，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散時(shí)，共劃分65個(gè)單元，67個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖12所示。

圖12 蓋梁Midas計(jì)算模型Fig.12 Midas Calculation Model of Bent Cap

承載能力極限狀態(tài)下，基本組合蓋梁彎矩計(jì)算結(jié)果如圖13所示，可得蓋梁最大彎矩γ0Md=1 328.6 kN·m。根據(jù)文獻(xiàn)［12］第5.2.2條，對(duì)于縱向體內(nèi)鋼筋的矩形截面受彎構(gòu)件，其正截面抗彎承載力設(shè)計(jì)值Mr=1 508.2 kN·m＞γ0Md。因此，承載能力極限狀態(tài)下蓋梁抗彎承載能力滿足文獻(xiàn)［12］要求。

圖13 基本組合下蓋梁彎矩Fig.13 Bending Moment of Bent Cap under Basic Combination（kN·m）

承載能力極限狀態(tài)下，基本組合蓋梁彎矩計(jì)算結(jié)果如圖14所示，可得蓋梁最大彎矩γ0Vd=1 281.1 kN。根據(jù)文獻(xiàn)［12］第5.2.9條，對(duì)于縱向體內(nèi)鋼筋的矩形截面受彎構(gòu)件，其正截面抗彎承載力設(shè)計(jì)值Vu=1 287.8 kN＞γ0Vd。因此，承載能力極限狀態(tài)下蓋剪抗彎承載能力滿足文獻(xiàn)［12］要求。

圖14 基本組合下蓋梁剪力Fig.14 Shearing Force of Bent Cap under Basic Combination（kN）

正常使用極限狀態(tài)下，根據(jù)文獻(xiàn)［12］第6.4.2條和第6.4.3 條，鋼筋混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度Wcr=0.173 1 mm＜0.2 mm。因此，正常使用極限狀態(tài)下蓋剪的裂縫寬度驗(yàn)算滿足文獻(xiàn)［12］要求。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，加固的預(yù)應(yīng)力UHPC π 型梁在承載能力極限狀態(tài)以及正常使用狀態(tài)下均滿足文獻(xiàn)［14］要求；加固后，現(xiàn)狀蓋梁在承載能力極限狀態(tài)以及正常使用狀態(tài)下均滿足文獻(xiàn)［12］要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)佛山市某裝配式鋼筋混凝土空心板梁橋，為了解決該橋左幅空心板底板存在多處空洞的問(wèn)題，采用將該橋左幅上部結(jié)構(gòu)更換為全預(yù)應(yīng)力UHPC π型梁的方法進(jìn)行加固，并保留原有下部結(jié)構(gòu)。通過(guò)Midas Civil 建立全橋空間梁?jiǎn)卧Ｐ?，?duì)UHPC π 型梁和原有蓋梁在承載能力極限狀態(tài)以及正常使用狀態(tài)下分別進(jìn)行計(jì)算。驗(yàn)算結(jié)果表明本加固方案符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，說(shuō)明采用UHPC π 型梁對(duì)該橋進(jìn)行加固的方法效果可靠，UHPC π型梁與原結(jié)構(gòu)結(jié)合良好，共同受力性能有效，在橋梁結(jié)構(gòu)自重增加不大的情況下取得良好的加固效果，具有一定的推廣價(jià)值。