郭 飛

（貴州省公路局,貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引言

拱橋因外形美觀、經(jīng)久耐用、就地取材、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)，在我省農(nóng)村公路在役橋梁中占比較高。截至2021年底，貴州省農(nóng)村公路在役橋梁有9 868座，其中拱橋就有5 527座，占比達(dá)56%。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，各級(jí)公路交通量與日俱增，受設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的演變、結(jié)構(gòu)的老化和病害、公路車(chē)輛的超載運(yùn)輸、自然災(zāi)害以及施工養(yǎng)護(hù)方面的影響，在役的拱橋出現(xiàn)了大量病害，比如結(jié)構(gòu)裂縫、孔洞、空洞、剝落、磨損、露筋銹蝕等，這些病害嚴(yán)重影響拱橋的受力性能和耐久性，更有甚者，將危及拱橋使用過(guò)程中的安全[1-2]。“十四五”期，我省農(nóng)村公路危橋改造任務(wù)還有608座橋梁，拱橋就有398座，占比65.5%。危橋改造項(xiàng)目主要采用“拆除重建”或“加固改造”兩種方式，但針對(duì)拱橋，拆除重建費(fèi)用太高，加固改造是目前最切實(shí)可行的解決辦法。拱橋采用“加固改造”方式具有提高橋梁承載能力、延長(zhǎng)橋梁使用壽命、降低資金使用成本、提升橋梁安全水平、滿足交通量增長(zhǎng)需求等優(yōu)點(diǎn)。

1 現(xiàn)有拱橋加固技術(shù)

現(xiàn)有拱橋加固技術(shù)主要有粘貼鋼板、粘貼碳纖維材料、噴錨混凝土、加大構(gòu)件截面、施加預(yù)應(yīng)力、改變結(jié)構(gòu)體系、減輕拱上建筑重量、調(diào)整主拱圈內(nèi)力等方法[3]。粘貼鋼板及碳纖維材料造價(jià)高，不易與原拱圈結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，使用的有機(jī)膠材料老化問(wèn)題突出，長(zhǎng)期使用有脫開(kāi)失效的風(fēng)險(xiǎn)；噴錨混凝土及傳統(tǒng)加大構(gòu)件截面法中的鋼筋混凝土套箍加固方法施工周期長(zhǎng)，施工質(zhì)量控制要求高，加固層厚度較大，施工過(guò)程增加原拱圈結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)，降低加固效率，同時(shí)大幅削減橋下凈空，影響橋梁美觀；預(yù)應(yīng)力加固法對(duì)于拱結(jié)構(gòu)適用性不強(qiáng)，對(duì)原拱圈材料性能要求較高；改變結(jié)構(gòu)體系、減輕拱上建筑重量及調(diào)整主拱圈內(nèi)力施工程序較為復(fù)雜，施工周期長(zhǎng)，技術(shù)要求高。因此，亟須尋求一種新的拱橋加固方法。

2 UHPC簡(jiǎn)介

超高性能混凝土（UItra-high Performance Concrete，以下簡(jiǎn)稱(chēng)UHPC）性能優(yōu)異。據(jù)有關(guān)研究，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)160 MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)30MPa以上，可以減小加固層的厚度，減小對(duì)原結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)，可提高現(xiàn)澆混凝土的抗裂性和抗彎剛度。另外UHPC材料的收縮徐變小，降低了加固層和原拱圈脫開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)。UHPC材料致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來(lái)了良好的耐久性，抗凍耐久性指數(shù)接近100%，氯離子在UHPC中幾乎不滲透，28天碳化深度約等于0。UHPC材料還具有很好的流動(dòng)性，坍落度達(dá)到235 mm，擴(kuò)展度達(dá)到415 mm、抗離析性高，具備優(yōu)異的填充性。另外，UHPC材料的強(qiáng)度增長(zhǎng)快，研究表明，UHPC材料齡期為3天的立方體抗壓強(qiáng)度可達(dá)到130 MPa，是快速加固、甚至不中斷交通加固的首選材料[4]?；谝陨咸攸c(diǎn)，若將這一性能優(yōu)異的新材料應(yīng)用于拱橋加固領(lǐng)域，必將對(duì)橋梁加固領(lǐng)域產(chǎn)生積極的作用和深遠(yuǎn)的影響。我省在紅巖橋、七星關(guān)橋UHPC加固應(yīng)用成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再次依托長(zhǎng)順縣擺所大橋危橋改造工程采用UHPC加固技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用，下面對(duì)擺所大橋采用的UHPC加固拱橋的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行介紹。

3 UHPC在擺所大橋加固中的應(yīng)用

擺所大橋位于長(zhǎng)順縣擺所至安樂(lè)公路上，橋梁中心樁號(hào)K0+041，該橋1981年建成，設(shè)計(jì)荷載汽車(chē)-20級(jí)、掛-80級(jí)。該橋上部結(jié)構(gòu)為空腹式石砌圬工拱橋，下部為石砌重力式橋墩臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁全長(zhǎng)81 m，橋梁全寬6.9 m（0.7 m護(hù)欄+5.5 m行車(chē)道+0.7 m護(hù)欄），跨徑組合為10 m+30 m+2×10 m，第1、2、4孔為空腹板拱，第3孔為空腹肋拱，板肋厚1 m，寬1.5 m，兩片拱肋間設(shè)置7道橫梁，拱上結(jié)構(gòu)為石砌立墻（圖1）。2016年橋梁定期檢查發(fā)現(xiàn)該橋存在多處病害，主拱圈滲水（圖2）、堿蝕，橋面板銹脹、沉陷，主拱圈橫梁澆筑不密實(shí)、露筋，橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)定為4類(lèi)。

圖1 擺所大橋立面圖

圖2 主拱圈滲水泛堿

3.1 加固設(shè)計(jì)

在紅巖橋主拱圈采用15 cm厚UHPC加固層、七星關(guān)橋主拱圈采用12 cm厚UHPC加固層取得良好效果基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)單位根據(jù)橋梁承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果，擺所大橋加固設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅱ級(jí)（圖3），加固方案主要采用：

圖3 擺所大橋加固設(shè)計(jì)總體圖

（1）對(duì)原3號(hào)主拱圈的拱腹和側(cè)面增設(shè)6 cm厚UHPC鋼筋混凝土新拱圈，形成UHPC套箍加固。在原1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)主拱圈的拱腹增設(shè)5 cm厚UHPC鋼筋混凝土新拱圈，共同分擔(dān)后期活載。

（2）橋面更換為10 cm厚C30混凝土鋪裝，更換原有護(hù)欄為C30鋼筋混凝土護(hù)欄。

（3）各孔腹拱增設(shè)15 cm厚C40混凝土。

（4）橫梁破損處采用高等級(jí)砂漿修補(bǔ)。

要求加固所用的UHPC材料應(yīng)出具出廠檢驗(yàn)報(bào)告，其檢驗(yàn)材料性能應(yīng)不低于《超高性能混凝土加固橋梁技術(shù)指南》U120級(jí)UHPC材料性能指標(biāo)，即軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不低于120 MPa，抗拉強(qiáng)度不低于7 MPa，坍落擴(kuò)展度不低于700 mm，收縮率不低于300，彈性模量介于40~60 GPa。為保證新老結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，UHPC加固層采用植筋方式與原結(jié)構(gòu)粘結(jié)，鋼筋直徑12 mm[5]。3號(hào)主拱圈錨入拱肋20 cm，并沿縱向交錯(cuò)布置；1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)加固層鋼筋錨入主拱圈10 cm，沿拱圈呈梅花形布置。為保證UHPC加固層受力，在各主拱圈下設(shè)置牛腿，牛腿同樣采用植筋方式與橋梁形成有效連接，鋼筋直徑16 mm，沿橋?qū)捊诲e(cuò)布置，間距20 cm，錨入深度15 cm。

3.2 加固施工

擺所大橋主要按照兩側(cè)拱腳圍堰施工→搭設(shè)支架與模板→現(xiàn)澆牛腿鋼筋混凝土加固層→混凝土養(yǎng)生→現(xiàn)澆拱圈（肋）UHPC加固層→混凝土養(yǎng)生→橋面施工的順序進(jìn)行。主拱圈加固施工順序?yàn)橄葘?duì)稱(chēng)澆筑4號(hào)和1號(hào)拱圈加固層，然后澆筑2號(hào)拱圈加固層，最后澆筑3號(hào)主拱圈加固層（圖4）。下面介紹UHPC加固層施工方法[6]。

圖4 擺所大橋主拱圈加固中

UHPC加固拱圈的施工方法和普通混凝土加固拱圈的施工方法類(lèi)似，都具有安設(shè)錨桿→拱圈鑿毛→布設(shè)鋼筋→現(xiàn)澆加固層等幾個(gè)步驟。

3.2.1 安設(shè)錨桿

（1）施工工序：放樣并作標(biāo)記→鉆孔→空壓機(jī)清孔→灌注植筋膠→插入錨桿→檢查密實(shí)度。

（2）施工要點(diǎn)。不能一次把所有錨孔鉆好后再灌膠植筋，應(yīng)該分批進(jìn)行，一批工序完成后再進(jìn)行下一批的鉆孔、灌膠工序。

3.2.2 拱圈鑿毛

主拱圈鑿毛應(yīng)使表面粗糙，以達(dá)到增強(qiáng)與加固層粘結(jié)的目的。

3.2.3 布設(shè)鋼筋

縱向、橫向鋼筋的布設(shè)對(duì)UHPC加固層整體剛度具有重要的影響，其具體工藝要求如下：

（1）縱向鋼筋、橫向鋼筋與錨桿交接處一律采用點(diǎn)焊，而其余縱、橫向鋼筋交接處均作綁扎處理。

（2）縱向鋼筋在主拱圈拱座、拱上橫墻上應(yīng)通過(guò)灌注植筋膠錨入圬工砌體。

（3）鋼筋的接長(zhǎng)、綁扎、焊接均應(yīng)滿足規(guī)范要求。

3.2.4 現(xiàn)澆UHPC加固層

現(xiàn)澆UHPC加固層是UHPC加固拱橋的核心工作，有關(guān)工藝要求如下：

（1）UHPC澆筑順序。UHPC加固層澆筑采用從兩拱腳往拱頂方向?qū)ΨQ(chēng)施工的方式。澆筑分單元段進(jìn)行，單元段長(zhǎng)度的劃分考慮施工隊(duì)伍材料準(zhǔn)備、工期要求、外加劑摻量、脫模時(shí)間等因素，由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果確定。在一個(gè)單元段內(nèi)，澆筑順序?yàn)橹鞴叭Ω姑妗鞴叭蓚?cè)面 → 拱背[7]。

（2）澆筑方法。主拱圈兩側(cè)及拱背UHPC的現(xiàn)澆相對(duì)較簡(jiǎn)單，在此僅介紹施工難度相對(duì)較大的拱腹UHPC澆筑方法，利用主拱圈縱向弧度，依靠現(xiàn)澆UHPC的自重從拱腳往拱頂方向逐段施工。UHPC加固拱橋主拱圈宜采用灌注施工方式，主拱圈澆筑時(shí)，宜一次性澆筑完成，若方量較大，可分段進(jìn)行，但需做好連接處理。

（3）養(yǎng)生。UHPC澆筑完畢后，應(yīng)進(jìn)行靜養(yǎng)，靜養(yǎng)的環(huán)境溫度應(yīng)在10 ℃以上，相對(duì)濕度60%以上，靜養(yǎng)時(shí)間不小于24 h且直至同條件養(yǎng)護(hù)試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到40 MPa。UHPC靜養(yǎng)結(jié)束后，可拆除外模板，進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，保濕養(yǎng)護(hù)持續(xù)時(shí)間不少于48 h，且UHPC外表觀溫度與環(huán)境溫度溫差小于±5 ℃，方可結(jié)束保濕養(yǎng)護(hù)。

擺所大橋UHPC拱圈加固層模板在UHPC澆筑完成后的第7天拆除，模板拆除后整體光滑，無(wú)坑槽、空洞，施工質(zhì)量?jī)?yōu)于普通鋼筋混凝土。該橋于2021年12月施工完畢，運(yùn)營(yíng)以來(lái)UHPC加固層未見(jiàn)滲水、裂縫等病害，UHPC加固層與原橋粘結(jié)良好。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

同常規(guī)的普通鋼筋混凝土增大截面法相比，在擺所大橋的加固施工過(guò)程中，因加固厚度的減輕，施工時(shí)支架搭設(shè)、綁扎鋼筋的工作量顯著減少。擺所大橋建設(shè)費(fèi)用約為3 580元/m2，相比采用常規(guī)普通鋼筋混凝土增大截面法的杉樹(shù)橋3 930元/m2、坡里大橋3 680元/m2造價(jià)低[8]。

（1）擺所大橋采用UHPC加固拱圈同普通混凝土加固方法相比，其加固思路和施工工序基本一致，得益于UHPC的優(yōu)良性能，加固層的配筋可以大幅減小，相應(yīng)的錨桿數(shù)量也減少，提高了施工的效率。

（2）擺所大橋采用UHPC加固技術(shù)減小了拱圈加固層厚度，拱圈加固層厚度僅為5 cm和6 cm，相比普通混凝土加固厚度大幅度降低，對(duì)原橋凈空、外觀影響微小。

（3）擺所大橋采用的UHPC材料具有自密實(shí)、自流平的特點(diǎn)，加固后拱腹平整、無(wú)坑槽，施工質(zhì)量較普通的混凝土加固方法高，且其優(yōu)異的材料性能能夠保證拱橋加固后的使用壽命，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

（4）擺所大橋采用UHPC加固拱圈的施工工藝可以借鑒普通混凝土施工工藝，對(duì)施工人員的專(zhuān)業(yè)水平要求不高，易于施工人員迅速掌握。

（5）擺所大橋錨桿以及UHPC加固層中的鋼筋網(wǎng)能夠抑制UHPC的收縮，兩者共同作用能夠確保界面的可靠性，加固后UHPC和原砌體未見(jiàn)脫開(kāi)。

4 結(jié)論

該文依托擺所大橋空腹式圬工拱橋開(kāi)展UHPC加固拱橋的應(yīng)用研究，通過(guò)拱圈采用5 cm和6 cm的UHPC加固層與原拱圈結(jié)構(gòu)共同形成復(fù)合主拱圈，并取得了很好的加固效果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，形成了如下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)性能方面。UHPC具有高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率等特性，使得加固層厚度大幅減少，減輕原拱圈結(jié)構(gòu)外載負(fù)擔(dān)；所用植筋材料、加固層材料與原拱圈結(jié)構(gòu)同屬無(wú)機(jī)材料，與原拱圈結(jié)構(gòu)緊密貼合不會(huì)面臨有機(jī)材料膠的老化問(wèn)題；與原拱圈結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，提高拱圈結(jié)構(gòu)承載能力；封閉原拱圈結(jié)構(gòu)裂縫，與大氣表面接觸為致密UHPC材料，抗?jié)B性能好、后期收縮性小、密實(shí)度高，提高結(jié)構(gòu)耐久性。

（2）環(huán)境影響方面。施工過(guò)程中不使用有機(jī)結(jié)構(gòu)膠，沒(méi)有有毒有害氣體產(chǎn)生，UHPC生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的CO2排放量幾乎是同等水泥的一半，使用該材料加固是踐行可持續(xù)發(fā)展理念；整體加固層結(jié)構(gòu)纖薄，對(duì)原橋凈空、外觀影響微小。

（3）經(jīng)濟(jì)效益方面。UHPC材料性能與經(jīng)濟(jì)價(jià)格比高，加固層材料強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，加固過(guò)程中無(wú)需中斷交通，加固完成后結(jié)構(gòu)不需要涂漆除銹等養(yǎng)護(hù)措施，從而降低了工程全壽命周期綜合造價(jià)，具有較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。