郭鑫，顏東煌，袁晟，袁明

(長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114)

1 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋(PC斜拉橋)是由索塔、主梁、斜拉索和橋墩組成的一種索承結(jié)構(gòu)。通常，橋塔和橋墩是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，主梁是PC結(jié)構(gòu)構(gòu)件，斜拉索屬于柔性構(gòu)件。目前，中國已建成主跨超過200 m的PC斜拉橋80余座，世界上排名前10的最大跨徑PC斜拉橋中的8座位于中國。中國部分PC斜拉橋在服役期間，因長期遭受各類荷載、惡劣環(huán)境等眾多不利因素影響，出現(xiàn)了不同程度的質(zhì)量問題，導(dǎo)致橋梁承載力顯著降低或使用性能嚴(yán)重退化。因此，對PC斜拉橋進行加固將是未來既有橋梁研究領(lǐng)域的熱點及難點問題之一。

目前，提高PC斜拉橋抗彎承載能力的方法包括增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法及改變結(jié)構(gòu)體系法等，但這些加固方法均存在一定的局限與缺陷。增大截面加固法施工現(xiàn)場搭設(shè)作業(yè)工作量大，養(yǎng)護時間較長，加厚部分使橋梁自重和恒載彎矩增加較多，且需要在梁底面或側(cè)面進行加固，施工質(zhì)量不可控；粘貼鋼板加固法中鋼板錨固問題比較突出，鋼板的耐腐蝕、耐火性均較差，后期養(yǎng)護費用較高；預(yù)應(yīng)力加固法工藝復(fù)雜，其所用預(yù)應(yīng)力筋在外界環(huán)境(溫度、腐蝕等)的作用下易發(fā)生斷裂；粘貼纖維復(fù)合材料加固法所用的纖維材料具有很高的抗拉強度，但對結(jié)構(gòu)剛度的提高不明顯，且由于纖維材料的脆性性能，破壞具有一定的突然性，纖維材料與混凝土之間黏結(jié)面的耐久性和防火性能也較差；改變結(jié)構(gòu)體系加固法的缺點在于加固后對負(fù)彎矩區(qū)域的處理較為復(fù)雜。

近年來，超高性能混凝土(UHPC)作為一種先進的水泥基膠凝材料，因其具有超高強度、韌性和耐久性等優(yōu)良性能，已受到國內(nèi)外土木工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。超高性能混凝土由水泥、石英砂、粉煤灰、硅粉、高效減水劑和鋼纖維等材料組成，其抗壓和抗拉強度(分別可達150、8 MPa)均遠遠高于纖維增強混凝土。研究者通過對UHPC進行大量的數(shù)值和試驗研究表明，UHPC具有低滲透性能，高延性、高斷裂能(高達40 kJ/m2)和高耗能能力，強耐久性。Carbonell試驗研究表明：采用UHPC加固混凝土結(jié)構(gòu)，界面黏結(jié)性能良好，強度可達到被加固混凝土(NSC)抗拉強度的69%～91%，若對被加固混凝土表面進行切槽，其強度可達到107%～117%。與傳統(tǒng)方法相比，使用UHPC加固或修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能有效提高橋梁的承載能力，該方法不僅能顯著提高加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性，還可采用預(yù)制和裝配快速施工、截面尺寸變化最小、交通中斷最小。因此，國內(nèi)外學(xué)者對UHPC進行橋梁加固和維修做了大量試驗，如Muhammad Safdar、Lampropoulos A P等將鋼筋混凝土梁頂部和底部部分混凝土替換成 UHPFRC材料，能有效增強 NC 梁的抗彎承載力；M.A.Al-Osta 等研究采用UHPC對NC梁的加固效果，證明采用U形套箍加固在梁底澆筑UHPC薄層對NC梁的承載力提高較多；鄧宗才等采用配鋼筋的UHPC薄層澆筑于NC梁底部對其抗彎承載力明顯提升，并降低跨中撓度；徐世烺等采用摻聚合物纖維的素UHPC在橋梁底部加固素混凝土梁，發(fā)現(xiàn)其UHPC層不僅能大幅提高復(fù)合梁的抗彎承載力，還對被加固混凝土梁中裂縫的開展有抑制作用，有效提高了復(fù)合梁的延性。

目前，PC斜拉橋開裂后非線性性能研究是橋梁工程界關(guān)注的熱點之一，該文以一座主跨220 m的PC斜拉橋為背景，設(shè)計制作局部縮尺試驗?zāi)Ｐ土?，旨在研究主梁開裂后PC斜拉橋的體系剛度退化特點及規(guī)律；當(dāng)主梁加載破壞后對梁體裂縫進行灌縫處置，再施加與原試驗工況一致的荷載進行加載，研究梁體破壞后僅灌縫處置PC斜拉橋模型體系剛度提升程度及體系剛度退化規(guī)律。基于原主梁及灌縫主梁試驗，研究在不同裂縫狀態(tài)下體系剛度變化情況，基于有限元分析，探討主梁開裂后，在主梁不同剛度折損情況下，采用不同厚度UHPC材料加固PC主梁對體系剛度的提升性能，并計算將主梁受損斜拉橋體系剛度恢復(fù)至原主梁未損傷狀態(tài)的最小UHPC層厚度。

2 PC斜拉橋模型試驗

2.1 原模型梁試驗介紹

原縮尺斜拉橋模型試驗梁是以某主跨為220 m的PC斜拉橋為原型橋，選取單側(cè)塔跨中附近5根索及對應(yīng)的5個節(jié)段，根據(jù)相似理論按相似比為1∶7.4制作的。設(shè)計試驗梁全長7 196 mm，計算跨徑6 736 mm，主梁截面為T形截面，梁高420 mm，腹板厚度195 mm；主梁選用C50細骨料混凝土；模型試驗梁上、下部縱向預(yù)應(yīng)力直束均采用2φj15.24 mm鋼絞線，極限抗拉強度為1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa；普通縱向鋼筋及箍筋均采用HRB335鋼筋，配筋率與原橋截面配筋率保持一致；斜拉索采用單根φj15.24 mm鋼絞線等效替代，具體張拉力根據(jù)理論計算所得進行控制，主梁內(nèi)預(yù)埋斜向螺桿與斜拉索連接。具體模型斷面尺寸及配筋如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土模型梁尺寸及配筋(單位：mm)

對模型梁進行破壞加載過程中，在集中力和均布荷載作用下，首先在集中力附近開裂，隨著活載倍數(shù)的增加，裂縫不斷擴展，主梁不斷損傷，鋼筋屈服，當(dāng)荷載達到18倍活載時，試驗梁L/4～3L/4范圍內(nèi)滿布裂縫，最大裂縫寬度達3.4 mm，此時主梁頂板混凝土壓碎，主梁破壞。

2.2 主梁裂縫封閉試驗介紹

原試驗梁加載破壞后，大部分裂縫寬度超過0.2 mm，集中力作用處頂板混凝土壓碎，為提升主梁及斜拉橋體系剛度，采用優(yōu)質(zhì)A級改性環(huán)氧灌封膠對主梁所有寬度大于0.1 mm的裂縫進行灌縫封閉。清理原試驗梁頂板破碎及松散混凝土，并澆筑UHPC層以便于安裝加載裝置。為對比分析灌漿主梁體系剛度較原主梁試驗?zāi)Ｐ吞嵘潭?，裂縫灌漿主梁試驗的測點布置及加載工況與原主梁加載試驗保持一致。

2.3 測點布置及加載工況

分別在斜拉索正下方及兩端支座中心線處布置位移計進行主梁撓度測量，位移計布置如圖2所示。斜拉索成橋索力控制及試驗過程中索力變化采用在斜拉索塔端安裝振弦式錨索計方式進行監(jiān)測。

圖2 測點布置圖

原實橋設(shè)計汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，根據(jù)JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，其車道荷載為均布線荷載10.5 kN/m和集中荷載360 kN，設(shè)計車道數(shù)為單向五車道，跨徑為220 m，考慮橫向折減系數(shù)、縱向折減系數(shù)及橫向分布系數(shù)后，最終得到汽車荷載計算系數(shù)為3.312，試驗?zāi)Ｐ拖嗨票葹?.422 7，且模型梁在橫向取實橋截面的1/2，因此可得試驗梁等效車道荷載。

等效后模型梁一倍均布線荷載為：

10.5×3.312÷7.422 7÷2=2.342 5 kN/m

等效后模型梁一倍集中力為：

360×3.312÷7.422 72÷2=80.32 kN

試驗采用等效車道荷載，原主梁試驗加載過程中工況1、2以計算活載倍數(shù)控制，工況3～7則以裂縫寬度控制；灌縫主梁試驗加載過程中控制荷載，工況1、2與原主梁相同，而工況3～7則以原主梁各工況裂縫寬度對應(yīng)的所需活載倍數(shù)進行控制，具體見表1。

表1 原主梁加載工況

圖3 試驗?zāi)Ｐ涂傃b圖

2.4 試驗結(jié)果分析

為研究原主梁在破壞荷載作用下全過程剛度下降情況，選取12#索正下方的F5號位移計作為控制截面位移，工況7破壞荷載作用下主梁的位移與活載倍數(shù)的關(guān)系曲線及對相應(yīng)區(qū)間進行擬合結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：主梁裂紋張開荷載(2.5倍汽車荷載)小于初裂加載的開裂荷載(4.4倍汽車荷載)，在裂紋張開前接近彈性工作狀態(tài)；裂紋張開后，剛度迅速減小，鋼筋屈服后，剛度進一步降低，但仍能繼續(xù)承受部分荷載和變形。主梁在裂紋張開前和張開后，體系剛度大概下降了45%，鋼筋屈服后對應(yīng)的擬合區(qū)間為12.64～18倍活載，該階段主梁受壓區(qū)混凝土基本屈服，混凝土屈服主梁截面剛度幾乎降為0，而其體系剛度下降了75%?？梢园l(fā)現(xiàn)：斜拉橋體系的剛度下降比較遲緩，梁截面剛度下降比較快，即使主梁喪失了承載能力，斜拉橋體系仍具有一定的承載能力。

為研究原主梁及灌漿主梁在不同工況下的結(jié)構(gòu)體系剛度變化情況，同樣選取12#索正下方的F5號位移計作為控制截面位移。因各工況3次加載的重復(fù)性好，文中僅示出原主梁和灌漿主梁第3次加載結(jié)果。原主梁和灌漿主梁各工況剛度擬合曲線見圖5、6。

圖5 原主梁各工況剛度曲線擬合

圖6 灌漿主梁各工況剛度曲線擬合

根據(jù)圖5、6，以原主梁工況2作用下剛度為基準(zhǔn)，將原主梁及灌漿主梁各工況下剛度折減情況列于表2。

表2 各工況試驗?zāi)Ｐ腕w系剛度變化比

由圖5、6及表2可知：原主梁工況6(受拉鋼筋屈服)加載時體系剛度為未受損時的0.56。由圖4可知：工況7(鋼筋屈服，頂板混凝土開裂)加載時體系剛度僅為未受損時的0.25，而在裂縫灌漿處理后，體系剛度達到0.86，能顯著提升PC斜拉橋破壞主梁的剛度，但僅做裂縫灌漿處置很難將破壞主梁的剛度恢復(fù)到受損之前；隨著主梁受損程度的增加，原主梁及灌漿主梁PC斜拉橋試驗?zāi)Ｐ腕w系剛度越來越接近，在工況6作用下，原主梁模型與灌漿主梁模型體系剛度幾乎相同。

試驗結(jié)果表明，即使工況6滿載時，整個試驗?zāi)Ｐ偷某休d能力仍有較大富余，當(dāng)PC斜拉橋主梁受損嚴(yán)重時，對其進行加固處理能顯著提高其體系剛度及承載能力，而僅進行灌縫封閉處置很難將破壞主梁的剛度恢復(fù)到受損之前，因此采用合理的加固方法及加固材料進行加固處置后提高其承載能力及耐久性顯得尤為重要。

3 UHPC加固方案探討

UHPC加固鋼筋混凝土梁或板自2007年首次提出后，國內(nèi)外學(xué)者就超高性能混凝土加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件做了大量研究，圖7為4種加固配置。

圖7 4種不同的UHPC加固配置方式

由圖7可知：使用雙面配置的主要原因是提供抗剪加固，且這種結(jié)構(gòu)的抗彎加固效率應(yīng)低于3面結(jié)構(gòu)。

為研究UHPC加固PC斜拉橋主梁體系剛度提升性能，根據(jù)試驗研究結(jié)果，對受損PC斜拉橋主梁進行灌縫封閉。為確保主梁受壓區(qū)混凝土不會過早被壓碎而破壞，在主梁頂板集中力加載附近1 m范圍內(nèi)加固2 cm厚UHPC；在主梁受拉區(qū)域采用受拉側(cè)加固配置。為研究主梁在不同損傷程度下采用不同厚度UHPC層加固受拉側(cè)對PC斜拉橋體系剛度提升效果，通過改變主梁剛度近似模擬主梁不同的損傷程度，研究主梁剛度退化對體系剛度的影響；隨后在此基礎(chǔ)上采用不同UHPC厚度對受損主梁進行加固，研究不同厚度UHPC對PC斜拉橋體系剛度的影響程度，并探討主梁開裂后，在主梁不同剛度折損情況下，采用不同厚度UHPC材料加固PC主梁對體系剛度的提升性能，確定將主梁受損斜拉橋體系剛度恢復(fù)至原主梁未損傷狀態(tài)的最小UHPC層厚度。

4 有限元模型

有限元模型尺寸與試驗?zāi)Ｐ拖嗤?。原主梁材料為C50混凝土，受拉區(qū)縱向鋼筋和其他普通鋼筋分別采用直徑為10 mm和8 mm的HRB345鋼筋；預(yù)應(yīng)力筋采用屈服強度為1 860 MPa、直徑為15.2 mm(1×7)的鋼絞線；斜拉索采用直徑為15.2 mm(1×7)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，屈服強度為1 860 MPa。

在Abaqus有限元軟件中，主梁采用C3D8R單元模擬，支座采用彈簧單元模擬，彈簧剛度值由試驗所得，普通鋼筋以及預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用T3D2單元模擬，并采用“embedded”處理進行自由度耦合，模擬混凝土和鋼筋骨架之間的相互作用。為避免發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在拉索和主梁之間設(shè)置了鋼墊塊。預(yù)應(yīng)力筋和斜拉索都采用降溫法施加初拉力，活載集中力通過試驗梁頂板剛性墊塊施加，活載均布荷載則在梁底通過“壓強”荷載實現(xiàn)。各材料參數(shù)取值如表3所示。

表3 材料參數(shù)

5 計算結(jié)果分析

分別將主梁剛度下降為未受損主梁的90%～10%，在此基礎(chǔ)上，采用不同UHPC層厚度加固主梁受拉側(cè)，探討主梁在不同剛度折損情況下，采用不同厚度UHPC材料加固PC主梁對體系剛度的提升程度，并計算將主梁受損斜拉橋體系剛度恢復(fù)至原主梁未損傷狀態(tài)的最小UHPC層厚度。選取12#索正下方截面位移作為控制截面位移，同時以未受損主梁體系剛度為基準(zhǔn)，未加固主梁及加固主梁后體系剛度變化情況如表4、圖8所示。

表4 剛度比隨主梁剛度退化及UHPC加固層厚度變化情況

圖8 剛度比隨主梁剛度退化及UHPC加固層厚度變化情況

由表4、圖8可知，PC斜拉橋體系的剛度下降較梁截面剛度下降遲緩，這與試驗結(jié)果相同，體系剛度下降并不隨主梁剛度下降線性變化；當(dāng)主梁受損越嚴(yán)重，UHPC加固層對斜拉橋體系剛度提升越大，同時體系剛度的提升并不隨UHPC加固層厚度的增加而線性變化；當(dāng)主梁剛度退化為原主梁的90%、80%、70%、60%、50%時，為使斜拉橋體系剛度恢復(fù)至未受損時，需要最小的UHPC層厚度分別為0.844、1.652、2.478、3.326、4.222 cm，根據(jù)試驗結(jié)果，主梁灌縫封閉后，體系剛度約為未受損主梁體系剛度的0.86，根據(jù)表4可知，為使主梁受損后的斜拉橋體系剛度恢復(fù)至未受損時，在對主梁進行灌縫封閉處置后，還需采用在受拉側(cè)加固2.660 cm厚UHPC層。

6 結(jié)論

通過對原主梁及灌縫主梁進行兩側(cè)試驗研究，并采用UHPC加固主梁受拉側(cè)進行數(shù)值模擬計算分析，得到以下結(jié)論：

(1)斜拉橋體系為超靜定結(jié)構(gòu)，體系整體剛度在荷載作用下下降比較遲緩，梁截面局部剛度下降比較快。當(dāng)主梁受拉區(qū)混凝土開裂區(qū)域喪失了承載能力，斜拉橋體系仍具有較強的承載能力。

(2)主梁裂縫灌漿處置后對結(jié)構(gòu)體系剛度提升明顯，但很難恢復(fù)至受損之前；隨著主梁受損程度的增加，原主梁及灌漿主梁PC斜拉橋體系剛度越來越接近，在工況6作用下，原主梁模型與灌漿主梁模型體系剛度幾乎相同。

(3)數(shù)值分析結(jié)果表明：PC斜拉橋體系的剛度下降較梁截面剛度下降遲緩，這與試驗結(jié)果相同，體系剛度的提升并不隨UHPC加固層厚度的增加而線性增加，為使主梁受損破壞后的斜拉橋體系剛度恢復(fù)至未受損時，在對主梁進行灌縫封閉處置后，還需采用在受拉側(cè)加固2.660 cm厚UHPC層。