田月強(qiáng)，杜 釗，羅宏偉

(中路杜拉國際工程股份有限公司，廣州 510627)

0 引言

隨著我國近年來超高性能混凝土(Ultra-HighPerformance Concrete，UHPC)在土木工程、建筑裝飾和其他相關(guān)領(lǐng)域的不斷嘗試，積累了一定的具有代表性的應(yīng)用案例[1-3]，學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)[4]、設(shè)計(jì)部門以及行業(yè)主管部門逐步接納，材料供應(yīng)商、施工企業(yè)陸續(xù)投入到UHPC的配套研發(fā)、推廣應(yīng)用中，使得UHPC成為近來土木工程領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)[5]。

本文以廣東省農(nóng)村公路危橋改造工程為背景，對UHPC在農(nóng)村橋梁加固改造工程中的應(yīng)用進(jìn)行探討，旨在為農(nóng)村橋梁的加固改造提供一個新的思路。

1 農(nóng)村公路橋梁現(xiàn)狀

公路橋梁作為公共交通的重要組成部分，是保障居民出行，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要手段。廣東省河流眾多，水系發(fā)達(dá)，主要以珠江流域(東江、西江、北江和珠江三角洲)及獨(dú)流入海的韓江流域和粵東沿海、粵西沿海諸河為主，集水面積占全省面積的99.8%。廣東省作為經(jīng)濟(jì)大省，公路橋梁建設(shè)起步早、規(guī)模大、覆蓋廣，截止2018年底，廣東省公路通車?yán)锍?1.958萬km，公路橋梁達(dá)到4.7794萬座，位居全國首位。

經(jīng)過幾十年的大規(guī)模橋梁建設(shè)，隨著服役年限增多、荷載等級提升，橋梁的管養(yǎng)形式面臨挑戰(zhàn)，而農(nóng)村橋梁又以數(shù)量多、規(guī)模小、分布離散等主要特征，成為日常管養(yǎng)的難點(diǎn)之一。

1.1 先天建設(shè)條件不足

農(nóng)村橋梁的建設(shè)，大部分是在二十世紀(jì)60年代、70年代，當(dāng)?shù)卣虼迕窠M織，為解決基本的交通出行而籌建，設(shè)計(jì)使用年限一般為30年。在建設(shè)過程中，建設(shè)資金有限，一般來源于政府或當(dāng)?shù)卮迕褡曰I，引用標(biāo)準(zhǔn)低或無標(biāo)準(zhǔn)。因此，其在進(jìn)行橋梁建筑材料的選擇、橋梁功能的定義、建設(shè)企業(yè)的選擇等方面，多有取舍，導(dǎo)致橋梁在交付使用時，即存在較多的設(shè)計(jì)、施工缺陷[6-7]。

1.2 管養(yǎng)跟不上

農(nóng)村橋梁具有體量小、數(shù)量龐大和地處偏遠(yuǎn)等分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)資料、建設(shè)資料缺失，結(jié)構(gòu)形式多樣。以上不利因素，造成地方管養(yǎng)單位對農(nóng)村橋梁的養(yǎng)護(hù)和管理工作難度較大。同時，由于地方資金緊張、基建規(guī)模和速度始終保持持續(xù)高速增長，地方管養(yǎng)單位無論在管養(yǎng)資金或是管養(yǎng)人力方面，都存在較大的缺口[8]。

1.3 交通運(yùn)輸需求提升

改革開放四十余年，伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的長足發(fā)展，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)活動日益活躍。公路交通運(yùn)輸作為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要載體，其承擔(dān)的角色，也由解決村民的交通出行，轉(zhuǎn)變?yōu)閹咏?jīng)濟(jì)發(fā)展，發(fā)生了根本的變化，進(jìn)而導(dǎo)致了早期農(nóng)村橋梁的設(shè)計(jì)原則與目前交通需求之間的矛盾。農(nóng)村橋梁參與角色、農(nóng)村橋梁交通需求、設(shè)計(jì)荷載等級、道路等級的變化，加快了農(nóng)村橋梁的病害發(fā)展，使得農(nóng)村橋梁的加固維修與升級改造工作，形勢尤為緊迫。

2 農(nóng)村公路橋梁的主要病害

2.1 下部結(jié)構(gòu)

下構(gòu)病害主要包括立柱和蓋梁混凝土因受荷或撞擊出現(xiàn)開裂、剝落和鋼筋銹蝕，受流水沖刷或河床下切出現(xiàn)擴(kuò)大基礎(chǔ)基底掏空，樁基混凝土沖蝕、鋼筋銹蝕等(圖1～圖3)。

圖1 立柱開裂

圖2 蓋梁開裂

圖3 樁基混凝土沖蝕、露筋

2.2 上部結(jié)構(gòu)

上構(gòu)病害主要包括梁體的載荷裂縫或結(jié)構(gòu)裂縫，梁體由于溫度或自重導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫，外力撞擊造成的破壞裂縫，混凝土碳化、剝落，鋼筋銹脹腐蝕等(圖4～圖6)。

圖4 頂板坑洞

圖5 梁體開裂

圖6 混凝土剝落、鋼筋銹蝕

2.3 附屬結(jié)構(gòu)

附屬結(jié)構(gòu)病害主要包括橋面鋪裝破損、坑槽，防護(hù)欄開裂、破損、露筋，伸縮縫破損失效，搭板開裂沉降等(圖7～圖10)。

圖7 橋面鋪裝網(wǎng)裂剝落

圖8 欄桿破損、露筋

圖9 伸縮縫破損失效

圖10 搭板開裂沉降

3 農(nóng)村舊橋加固維修常用措施

3.1 下部結(jié)構(gòu)不變，上部結(jié)構(gòu)加固維修

這種加固維修方式，主要針對橋梁病害較輕、上部結(jié)構(gòu)承載能力損失較大的情況。此時可以采用粘貼鋼板或粘貼鋼纖維布；重新對裂縫、破損橋面等部位進(jìn)行局部修補(bǔ)等方式，對橋梁進(jìn)行加固。

3.2 上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)均加固維修

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，原有的設(shè)計(jì)交通荷載已經(jīng)滿足不了日益增長的交通需求，此時需要對橋梁承載能力進(jìn)行提升或者對橋面寬度進(jìn)行加寬。在基礎(chǔ)條件較好的情況下，需要對橋梁的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。此外，對于原有橋梁設(shè)計(jì)資料不完善、橋梁損傷程度不清晰的情況，這種情況的加固補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)很難有針對性地開展，需要設(shè)計(jì)人員具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

采用UHPC預(yù)制橋梁作為上部結(jié)構(gòu)，既提高了橋梁的通行荷載等級，同時也減輕了上部結(jié)構(gòu)的自重，使得不對下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的情況下，完成橋梁加固維修成為可能，而且UHPC預(yù)制橋梁施工具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的工程案例大多是這種情況。

3.3 拆除重建

如果橋梁結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，加固維修的成本高于新建橋梁的成本時，拆除重建就成為必然的選擇，但這種措施的經(jīng)濟(jì)性較差。采用UHPC預(yù)制橋梁，可盡可能地加快施工速度，節(jié)約施工成本，提高橋梁的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4 UHPC的應(yīng)用

UHPC作為目前國際上較先進(jìn)的水泥基材料，具有強(qiáng)度高、耐久性好等力學(xué)性能特點(diǎn)。在橋梁工程中，國內(nèi)外均有較為豐富的工程應(yīng)用案例，多將該材料應(yīng)用于接縫[9]和梁體[10]。結(jié)合廣東舊橋病害和實(shí)際功能需求，在一些特定的施工環(huán)境和結(jié)構(gòu)體系中，本文提出以下幾種應(yīng)用場景。

4.1 輕型、高強(qiáng)UHPC工型梁的應(yīng)用

結(jié)合農(nóng)村橋梁體量規(guī)模較大，建設(shè)資金緊張的情況，通過部分橋梁主體結(jié)構(gòu)的更換，達(dá)到滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，降低總體造價的目的。

在既有下部結(jié)構(gòu)完好，承載力適當(dāng)?shù)那闆r下，通過采用輕型、高強(qiáng)UHPC工型梁，能夠?qū)崿F(xiàn)滿足規(guī)范要求、節(jié)省造價的目的。表1列出了橋?qū)?0m、跨徑16m橋梁上部主體結(jié)構(gòu)的對比(未計(jì)鋪裝層及附屬結(jié)構(gòu))。

表1 后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板與后張法UHPC+NC組合梁對比

4.2 節(jié)段預(yù)制運(yùn)輸、現(xiàn)場拼接安裝的應(yīng)用

農(nóng)村公路的主要功能是滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)用車輛和小型車輛通行，道路路面寬度不足，轉(zhuǎn)彎半徑小，大型運(yùn)輸車輛和施工機(jī)具較難通行，因此，農(nóng)村橋梁多采用就地預(yù)制吊裝或現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

后張法UHPC梁可采用工廠集中節(jié)段預(yù)制(可視運(yùn)輸?shù)膶?shí)際情況，進(jìn)行節(jié)段長度劃分)，節(jié)段運(yùn)輸至現(xiàn)場，現(xiàn)場就地裝配為整體吊裝或現(xiàn)場安裝，節(jié)段裝配為整體。采用該結(jié)構(gòu)體系及理念，既能避免對大型機(jī)具的依賴和農(nóng)村公路運(yùn)輸條件的限制，也能提高橋梁的成品質(zhì)量。

4.3 加大跨徑、減少水中墩的應(yīng)用

農(nóng)村橋梁多以方便居民出行、跨越河流和溝谷為目的。在修建過程中，專業(yè)的橋梁工程師較缺乏，因此，缺少對河流沖刷、洪水頻率等判定，造成橋梁水中墩臺沖刷嚴(yán)重，承載能力急劇惡化。同時，水中墩臺的修筑，既加大了橋梁的修建難度，也使橋梁的總體造價大幅上升。

采用傳統(tǒng)大跨徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行跨越，面臨以下幾個問題：

(1)需要大型構(gòu)件的運(yùn)輸或大型機(jī)具的使用，在農(nóng)村橋梁中難以實(shí)現(xiàn)；

(2)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)自重較大，對橋臺的處理要求較高；

(3)無規(guī)?；瘍?yōu)勢，工程造價較高。

因此，農(nóng)村橋梁多以多跨形式，完成河流和溝谷的跨越。

采用輕型、高強(qiáng)，可節(jié)段裝配式的UHPC梁，是農(nóng)村橋梁一個較好的選擇。表2列出了橋?qū)?2.5m、跨徑30m橋梁上部結(jié)構(gòu)的對比(未計(jì)鋪裝層及附屬結(jié)構(gòu))。

表2 后張法預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁與后張法UHPC+NC組合梁對比

UHPC作為一種基礎(chǔ)的建筑材料，在農(nóng)村公路橋梁工程的使用中，面對不同的應(yīng)用場景，有著重量輕、施工速度快、對環(huán)境友好等優(yōu)勢。如UHPC梁高跨比為1/20～1/30，還可以有效降低建筑高度。在后期維護(hù)中，因其具有優(yōu)異的耐久性能，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)營期內(nèi)免維養(yǎng)和更長的使用壽命。

5 工程實(shí)例

2019年，廣東省啟動農(nóng)村公路危橋改造項(xiàng)目，該項(xiàng)目被納入廣東省政府“十件民生實(shí)事”工程之一。在該工程中，包括315座危橋改造，部分危橋應(yīng)用了UHPC+NC梁，本文選取其中具有代表性的兩座橋進(jìn)行介紹。

5.1 潮州市溪東橋

潮州市溪東橋位于饒平縣三饒鎮(zhèn)Y446線上，橫跨食飯溪，改造方案為在原橋址上游7m處新建，橋跨布置為3×16m預(yù)應(yīng)力簡支混凝土工字梁。預(yù)應(yīng)力混凝土簡支工字梁梁高90cm，單梁自重約15.9t，上部結(jié)構(gòu)總建筑高度90cm(預(yù)應(yīng)力混凝土簡支工字梁)+18cm(橋面板)。

在橋梁實(shí)施過程中遇到以下問題:(1)由于該橋地處偏遠(yuǎn)，道路通行能力較差，大型構(gòu)件運(yùn)輸和大型吊裝設(shè)備使用受限；(2)工程規(guī)模小，周邊無成品梁采購，新建預(yù)制梁場投資過大；(3)3跨結(jié)構(gòu)，中跨吊裝困難。

為保證工程順利推進(jìn)，解決工程實(shí)際問題，經(jīng)設(shè)計(jì)和施工單位調(diào)研，決定采用UHPC工型梁，梁高62cm，單梁自重5.5t，上部結(jié)構(gòu)總建筑高度62cm(UHPC工型梁)+22cm(橋面板)。

5.2 揭陽市金鯉大橋

揭陽市金鯉大橋位于揭西縣境內(nèi)的X096線，橫跨榕江南河。原橋布置為左右雙幅，左右幅修建年代不同。左幅跨徑組合為8×16m+3×20m+4×16m，右幅跨徑組合為8×16m+3×20m+8×16m，左右幅單幅橋面寬度均為8m，橋面鋪裝為水泥混凝土鋪裝。下部構(gòu)造均為雙柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。上部改造方案為更換左幅第1#、7#、8#、9#、10#、11#共6跨，跨徑為3跨16m和3跨20m。更換結(jié)構(gòu)為后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁，16m跨徑單片梁自重約23.1t，20m跨徑單片梁自重約27.9t。

該橋下部結(jié)構(gòu)檢測評定結(jié)果為3類，經(jīng)研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，具備利用條件。由于橋梁修建年代久遠(yuǎn)，相關(guān)施工資料缺失，為保證橋梁的整體安全，決定采用輕型、高強(qiáng)的UHPC梁進(jìn)行更換。表3列出了采用后張法UHPC+NC組合梁和后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁的對比(不含鋪裝)。

表3 后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁與后張法UHPC+NC組合梁對比

應(yīng)用后張法UHPC+NC組合梁，16m跨恒載減載約40%，20m跨恒載減載約37.8%，恒載減載效果顯著。

6 結(jié)語

UHPC作為建筑材料，具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)農(nóng)村舊橋的常見病害，以及常見舊橋加固維修的方法，將UHPC預(yù)制橋梁引進(jìn)到農(nóng)村舊橋改造工程應(yīng)用中。工程實(shí)踐表明，UHPC預(yù)制橋梁在廣東農(nóng)村舊橋改造工程中提供了一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、施工速度快的新方法。隨著對UHPC研究的不斷深入和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，以及原材料價格的持續(xù)下降和工藝的逐步改進(jìn)，期望UHPC預(yù)制橋梁在我國橋梁建設(shè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。