陳子豪

（廣東省冶金建筑設(shè)計研究院有限公司 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度原理的新型水泥基復(fù)合材料，具有高強度、高基體密實度、高韌性與高耐久性的特點［1-2］。國內(nèi)外學(xué)者針對UHPC 的優(yōu)異性能，開展了一系列的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)性能進行維修與加固。國外對于UHPC 材料的實橋加固應(yīng)用起步較早，且研究熱點主要集中于梁結(jié)構(gòu)加固上。2003年，ALAEE［6］首次采用摻入鋼纖維的UHPC 材料對預(yù)開裂鋼筋混凝土梁進行加固，試驗發(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 薄層對鋼筋混凝土梁進行加固，通過植筋、環(huán)氧樹脂界面劑、加壓等方式增強界面黏結(jié)能力，結(jié)果表明底部粘貼UHPC 薄層能有效增強構(gòu)件極限承載力，但對下?lián)峡刂颇芰^弱。國內(nèi)學(xué)者在這一領(lǐng)域起步較晚，2012 年邵旭東［8］于國內(nèi)首次提出UHPC-鋼橋面板復(fù)合體系，并計算了其在局部輪載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值，計算結(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重破損、疲勞開裂，在采用50 mm UHPC 層加固后，其鋼-UHPC 組合橋面體系運行良好至今。2021 年京滬高速公路改擴建工程采用UHPC 增大截面法對橋面板結(jié)構(gòu)進行加固［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)計規(guī)范：JTG 3362—2018》［12］要求，養(yǎng)護完成后橋面加固層無裂縫出現(xiàn)。

從以上研究可以看出，UHPC 運用于橋梁加固處于剛起步階段，缺乏足夠的工程實踐經(jīng)驗。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際案例出發(fā)，通過將該橋左幅上部結(jié)構(gòu)更換為全預(yù)應(yīng)力UHPC π 型梁進行加固，并對UHPC π 型梁和原有蓋梁進行承載能力驗算，希望此計算分析結(jié)果能給同類橋梁加固工程以參考，并推動這種UHPC 加固方法的應(yīng)用。

1 工程概況

佛山市某車行橋為一座裝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（防撞護欄），共35.00 m。下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋臺、柱式墩和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 主要病害分析

該橋在運營26 年后，2019 年對其進行檢測，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，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 個性特征及心理因素 不同心理應(yīng)激能力的患者，面對外界刺激時所作出的反應(yīng)也有很大差別，如某些長期患病或突發(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立生活自理能力較差、而家庭和社會地位較高的患者，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)。因為文化較高的患者自我保護意識較強，考慮問題較復(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)狀況評分為78.7分，評定為3類，其中上部承重部件被評定為4 類，評定結(jié)果最差的單元為左幅。針對現(xiàn)有病害，需采取不同的整治方法進行處理。對于混凝土剝落、鋼筋外露部位，需清除外露鋼筋表面銹跡，恢復(fù)保護層。對于現(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，對大于0.15 mm 的裂縫進行灌漿。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，采用更換梁板措施進行加固處治。

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。考慮到該橋于20世紀90年代建成，設(shè)計荷載小于《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范：JTG D60—2015》［13］規(guī)定的設(shè)計荷載，長期在超過設(shè)計荷載下運營，對梁體產(chǎn)生不少損傷，故新上部結(jié)構(gòu)需具有滿足文獻［13］設(shè)計荷載以及自重較輕的特點。因此，結(jié)合本項目跨徑較小，且現(xiàn)狀道路對線型指標的要求較高，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)制長度為2.14 m，邊梁預(yù)制長度為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0.515 m；邊梁寬2.275 m，懸臂長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 左幅橋梁加固計算

以10 m 跨預(yù)應(yīng)力UHPC π 型梁結(jié)構(gòu)的邊梁計算為例，采用Midas Civil 建立全橋空間仿真模型，在進行結(jié)構(gòu)離散時，共劃分280 個單元，161 個節(jié)點，10 m跨Midas Civil 計算模型如圖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［13］進行荷載組合驗算。

圖4 10 m跨Midas計算模型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)力驗算

按全預(yù)應(yīng)力UHPC 構(gòu)件進行驗算，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，負值表示受壓應(yīng)力?！稛o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)件在進行短暫狀況設(shè)計時，應(yīng)計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［12］第6.3.2.5 條、第6.3.2.6 條，文獻［14］第7.2.3 條、第7.2.8 條以及圖5 的計算結(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抗壓強度標準值，ftk為UHPC軸心抗拉強度標準值。因此，施工階段主梁上下緣混凝土應(yīng)力滿足文獻［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)驗算

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

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)輪廓實體為內(nèi)力線，主梁正彎矩向上，負彎矩向下。根據(jù)文獻［15］第6.1.2.3 條以及圖6 的計算結(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［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［14］第6.1.2.5條，對于預(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)計值Vc=270 kN，纖維抗剪承載力設(shè)計值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［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)驗算

4.3.1 頻遇組合下正截面抗裂驗算

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，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。根據(jù)文獻［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算滿足文獻［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［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算滿足文獻［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 標準組合下正截面壓應(yīng)力驗算

標準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［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，標準組合下正截面混凝土壓應(yīng)力驗算滿足文獻［14］要求。

圖10 標準組合下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 準組合下斜截面壓應(yīng)力驗算

標準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［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，標準組合下斜截面混凝土壓應(yīng)力驗算滿足文獻［14］要求。

圖11 標準組合下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行驗算，均滿足文獻［14］的要求，結(jié)果如表1所示。

表1 UHPC π型梁承載能力驗算Tab.1 Checking Calculation of Bearing Capacity of UHPC π-Beam

4.4 加固后現(xiàn)狀蓋梁承載力驗算

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

圖12 蓋梁Midas計算模型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［12］第5.2.2條，對于縱向體內(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［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［12］第5.2.9條，對于縱向體內(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［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［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算滿足文獻［12］要求。

經(jīng)過計算，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［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［12］要求。

5 結(jié)語

針對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型梁的方法進行加固，并保留原有下部結(jié)構(gòu)。通過Midas Civil 建立全橋空間梁單元模型，對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)下分別進行計算。驗算結(jié)果表明本加固方案符合設(shè)計及規(guī)范要求，說明采用UHPC π 型梁對該橋進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，具有一定的推廣價值。