蔣 淼

(重慶市投資資詢有限公司,重慶 400020)

1 常見石拱橋病害

我國縣鄉(xiāng)地方道路上仍存在大量的在役石拱橋,由于長期的荷載作用以及材料老化等原因導致這些石拱橋出現了不同程度的損傷,進而在使用過程中出現了承載力不足等問題[1]。這些拱橋建造時間較早,設計規(guī)范久遠,設計荷載較低,隨著經濟的快速發(fā)展,已經無法滿足日益增長的交通需求,而且在長時間的荷載和自然侵蝕作用下,橋梁自身承載能力也在不斷下降,影響了結構的安全性。對于數量眾多的舊危石拱橋,若要拆除重建,將造成資源浪費。另外,中斷交通還將帶來巨大的人力物力財力的間接經濟損失。所以在條件允許的情況下,對既有拱橋應進行合理加固,對其主要承重結構、構件采取增強、局部更換或調整內力等措施,充分利用其潛在能力,讓舊危拱橋滿足現行設計規(guī)范的要求,恢復或提高其服役能力。

石拱橋一般由兩部分組成:上部結構和下部結構。上部結構由拱圈及拱上建筑構成;下部結構由墩臺和基礎組成。而石拱橋典型病害[2]主要集中在主拱圈,主要有以下幾個方面[3,4]。

(1)主拱圈開裂,包括橫向、縱向裂縫和斜向裂縫。開裂的主要原因包括:①當主拱圈強度不足時,主拱圈處于受彎、受拉、受壓和受剪的復合受力狀態(tài),導致主拱圈在砂漿或砌塊上出現裂縫;②用于砌筑石拱橋的圬工材料(磚、石等)自身強度不高,一些地方石拱橋在修筑時往往就地取材加工,材料存在缺陷,這類石拱橋的主拱圈因部分塊石強度低,在剪壓復合受力作用下開裂,且裂縫一般發(fā)生于單塊塊石上且沿縱向分布;③超載車輛的長期荷載作用;早期修建的石拱橋其承載能力已不能滿足現有的交通需求,石拱橋在長期荷載作用下也會產生裂縫。

(2)主拱圈發(fā)生較大變形。①石拱橋由于設計缺陷導致主拱圈拱軸線與主拱圈荷載壓力線未能重合,在荷載作用下會產生附加彎矩和剪力導致變形;②在石拱橋施工時,拱架的剛度和強度不符合現有規(guī)范的要求,在砌筑主拱圈時沒有考慮主拱圈自重帶來的下撓變形,導致主拱圈與拱架一起發(fā)生不可恢復的變形;③石拱橋施工質量差,如砂漿飽滿性不足、砂漿厚度不滿足規(guī)范要求、主拱圈塊石砌筑不規(guī)范、施工時較大的晝夜環(huán)境溫度等都有可能使得石拱圈產生較大的變形。

(3)石拱橋砌筑材料隨時間逐漸劣化。地方道路上的石拱橋往往處于山區(qū)溝壑等不利環(huán)境中,在雨水侵蝕、洪水沖刷等作用下石拱橋的砌筑材料會出現不同程度的病害,如剝落掉角、滲水泛堿等,導致石拱橋砌筑材料耐久性的下降進而影響到橋梁的安全運營。

(4)其他病害。橋面鋪裝破損、凹陷等病害會加大車輛對拱橋的沖擊,墩臺承載能力不足也會導致基礎和墩臺變位,影響拱橋承載力。

2 傳統(tǒng)的石拱橋加固方法

傳統(tǒng)的石拱橋加固改造方法[5]主要有粘貼鋼板、粘貼碳纖維材料、噴錨混凝土、加大構件截面、施加預應力、改變結構體系、減輕拱上建筑重量、調整主拱圈內力等方法。粘貼鋼板及碳纖維材料造價高,不易于原拱圈結構協(xié)同受力,使用的有機膠材料老化問題突出,鋼板與碳纖維材料與混凝土材料性能差異過大,長期使用將帶來脫開失效的風險;噴錨混凝土及傳統(tǒng)加大構件截面法中的鋼筋混凝土套箍加固方法施工周期長,對于施工質量控制要求高,加固層厚度較大,對原結構損傷大,施工過程增加原拱圈結構負擔,降低加固效率,在加固層中易形成自身缺陷,進而危害到原結構的安全,同時大幅削減橋下凈空,影響橋梁美觀;預應力加固法對于拱結構適用性不強,對原拱圈材料性能要求較高;改變結構體系、減輕拱上建筑重量及調整主拱圈內力施工程序較為復雜,施工周期長,技術要求高。表1列出了上述方法的優(yōu)缺點。

表1 常用拱橋加固方法的優(yōu)缺點比較

3 UHPC套箍加固石拱橋技術

近年來,隨著水泥基材料研究的不斷深入,超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,簡稱UHPC)以其優(yōu)異的力學性能和耐久性能受到了業(yè)界的廣泛關注[6,7]。相較于傳統(tǒng)混凝土,UHPC由于其致密的微觀結構,其抗拉強度、抗壓強度等力學性能以及耐久性能方面都更加優(yōu)越,后期收縮可以忽略不計。UHPC在混凝土梁橋、鋼橋面修復工程上的成功應用,為石拱橋的加固改造提供了新的思路,UHPC輕質、高強,應用于石砌拱橋的加固,將實現承載能力、耐久性、美觀性的三重提升。

20世紀90年代,黃政宇等[7]首先對UHPC進行研究。2011年,國內首次將UHPC材料應用于肇慶馬房大橋加固工程[8]。邵旭東等[9]將UHPC薄層與橋面板通過剪力釘結合的方式提出了鋼-UHPC輕型組合橋面結構。該技術在國內跨江、跨海大橋的橋面鋪裝改造上應用十分廣泛,已經在肇慶馬房大橋、天津海河大橋等數十座梁上得到成功應用。此外,UHPC還逐步在防撞墻、橋墩主拱圈的修復上和加固槽型梁橋等方面得到了應用[10,11]。舒田宇等[12]研究了UHPC加固混凝土柱的軸壓性能,研究結果表明加固后的UHPC復合混凝土柱其抗壓承載能力提高了3%。2018年,重慶交通大學楊俊等[13]開展了有關UHPC加固石拱橋研究,對UHPC復合拱圈加固石拱橋進行試驗,成功利用UHPC加固貴州長順縣紅巖橋、福泉縣七星關橋,是國內外首次成功地將UHPC應用于既有石拱橋加固中。國外Nicolo等人[14]研究了用纖維增強水泥砂漿(FRCM)代替FPR,試驗結果表明FRCM與FRP均存在加固后耐久性不足,加固后復合結構協(xié)同受力性能差等缺點。Peng等人[15]用UHPC加固了服役多年的低矮石砌墻。研究結果表明,采用薄壁UHPC層加固后的石砌墻的抗拉性能提高了193%,開裂荷載提高了127%,極限變形提高了109%。2020年,Tommaso等人[16]用UHPC材料進行砌體加固研究,其研究成果推動了UHPC加固既有石拱橋的發(fā)展。

3.1 UHPC加固圬工拱橋基本原理及方法

相較于傳統(tǒng)混凝土,UHPC通過增大密實度提高混凝土強度,一般來說UHPC抗壓強度能夠達到120 MPa以上。普通混凝土的抗拉性能和韌性較弱,而UHPC內摻有一定比例的鋼纖維,這使其抗拉強度和韌性得到顯著提高,使材料不需要借助鋼筋便可具有超強的延性和吸收耗能的性質。傳統(tǒng)混凝土抗拉強度約為3 MPa,而UHPC的抗拉強度可以達到前者的5～6倍。已有研究表明,UHPC氯離子的擴散率僅為NSC和HPC的2%和3%,其耐久性能要優(yōu)于普通混凝土。因此應用UHPC來加固既有舊危石拱橋,可使得加固后的復合拱圈具有更加優(yōu)越的力學性能,而且有耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點。此外,UHPC基體內部的不完全水化特性使其在基體開裂后仍能在裂縫處繼續(xù)水化,填補裂縫,進一步提升材料的耐久性,保護內部鋼筋。UHPC加固主拱圈分為U型套箍加固和全套箍加固。

3.2 工程實例及有限元計算

(1)工程概況

為明確UHPC套箍加固石拱橋的可行性,同時為后期UHPC加固同類型橋梁提供參考,選取了一座空腹式石拱橋進行了有限元建模分析。擺所大橋位于長順縣擺所至安樂的公路上,該橋于1999年建成,橋梁全長81 m,跨徑組合為10 m+30 m+10 m+10 m。橋面總寬6.9 m。設計荷載為汽車-20級。上部結構:該橋上部結構為空腹式石拱橋,從左往右1#、2#、4#孔為空腹板拱,3#孔為主拱圈,拱上結構均為為石砌立墻。1#、2#、4#孔跨徑L為10.4 m,矢高f為1.88 m,矢跨比f/L為1/5.53。3#孔跨徑L為30.7 m,矢高f為5.93 m,矢跨比f/L為1/5.18。該橋下部結構為石砌重力式橋墩臺,擴大基礎。橋面系及附屬設施:橋面鋪裝為水泥混凝土,橋梁兩側為混凝土護欄、人行道。

上部結構主要病害為主拱圈滲水侵蝕,主拱圈輕微變形,砌塊脫落,局部裂縫和橋面板鋪裝層孔洞等。加固前,擺所大橋側拱腳截面、3L/8、拱頂截面均不滿足現規(guī)范要求。為使得該橋能夠長期安全服役,避免拆除重建帶來的直接經濟損失,對1#、2#、4#拱圈(腹拱)進行3 cm厚的U型套箍加固,對3#拱圈(主拱圈)進行6 cm厚的U型套箍加固。擺所大橋主拱圈、橫墻、填料、加固層的材料特性如表2所示。

表2 擺所大橋各部位材料特性

(2)模型建立

采用midas Civil有限元分析計算軟件,主拱圈、橋面板、立柱以及橋墩均采用平面梁單元進行結構整體內力計算,整個結構計算模型共有節(jié)點數2 563個,單元數2 561個。由于立柱作為傳遞上部結構荷載的傳力構件,其材料彈性模量取主拱圈漿砌片石的10-5倍?？紤]拱上建筑與主拱圈之間的聯合作用,拱上填料采用線荷載模擬,橋面鋪裝和欄桿等附屬設施采用均布線荷載模擬,車道荷載布置于橋面梁單元上,通過立柱和拱上建筑傳遞至主拱。

計算模型中荷載種類及考慮方法如下:橫墻恒載和拱上填料容重分別取25.0 kN/m3和19.0 kN/m3。汽車活載根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2018)按公路-II級車道荷載計算。由于氣象資料不詳,根據以往擺所大橋橋梁檢測報告,本橋最大升溫溫差考慮為20 ℃,最大降溫溫差也考慮為20 ℃,新澆混凝土為分層澆筑,收縮按降溫10 ℃考慮。溫度荷載根據《公路圬工橋涵設計規(guī)范》(JTG D61—2005)第5.1.8條規(guī)定進行折減,收縮徐變在加固后才需考慮,即綜合考慮混凝土收縮和溫度作用及其折減后的溫度如下所示。

第二階段均勻升溫:0.7×20+0.45×(-10)=9.5 ℃,第二階段均勻降溫:0.7×(-20)+0.45×(-10)=-18.5 ℃。

本橋計算工程中按《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2018)第4.1.6條承載能力極限狀態(tài)進行計算。承載能力極限狀態(tài)基本組合為

(1)

=1.2×恒+1.4×汽+1.12×溫度

基本組合恒載的荷載效應分項系數取1.2,其他荷載效應按《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2018)取值。

(3)有限元分析計算結果

根據《公路圬工橋涵設計規(guī)范》(JTG D61—2005)第5.1.11條規(guī)定,驗算短期效應下拱的豎向撓度。1#、2#、3#、4#主拱圈在L/4截面和拱頂截面的豎向撓度驗算結果如圖1所示。

圖1 各主拱圈豎向撓度驗算結果

由圖1可知,短期效應下1#主拱圈在L/4截面的最大的負撓度與正撓度分別為0.6 mm和1.5 mm,其絕對值之和為2.1 cm,小于L/1 000=10 mm;2#主拱圈在L/4截面的最大的負撓度與正撓度分別為0.8 mm和1.2 mm,其絕對值之和為2.0 cm,小于L/1 000=10 mm;3#主拱圈在L/4截面的最大的負撓度與正撓度分別為0.4 mm和1.9 mm,其絕對值之和為2.3 cm,小于L/1 000=30 mm;4#主拱圈在L/4截面的最大的負撓度與正撓度分別為0.3 mm和1.4 mm,其絕對值之和為1.7 cm,小于L/1 000=10 mm。加固后各主拱圈豎向撓度均滿足規(guī)范要求。

加固后由于拱橋自重的增加,對基礎有一定的影響?；A原結構尺寸為15.2×2.8=42.56 m2,拱腳形心處距基礎底部高為1.0 m。選上游側拱腳基礎進行分析。經計算,加固后的應力最大增量為0.149 9 MPa,對基礎影響較小,滿足結構承載力要求。

4 結 論

(1)石拱橋本身作為一種歷史發(fā)展過程的產物,具有歷史意義,采用舊危橋梁加固技術,既可以節(jié)約成本和時間,也可以保留石拱橋的風貌。石拱橋的加固目前采用的常用材料,如普通混凝土、FRP、FRCM等,依然具有一定的耐久性缺陷,而超高性能混凝土作為一種新興的加固材料,將其應用于既有舊危石拱橋的加固,能夠滿足石拱橋長期服役過程中的耐久性要求。

(2)對在役舊危石拱橋進行了UHPC超高性能混凝土U型套箍加固,加固后該拱橋各主拱圈撓度驗算與拱腳基礎應力驗算滿足整體“強度-穩(wěn)定”要求。