UHPC在装配式梁桥加固中的应用研究

陈子豪

（广东省冶金建筑设计研究院有限公司 广州 510080）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是一种基于最大堆积密实度原理的新型水泥基复合材料，具有高强度、高基体密实度、高韧性与高耐久性的特点［1-2］。国内外学者针对UHPC 的优异性能，开展了一系列的UHPC 桥梁结构研发工作，结果表明UHPC 结构可有效减轻结构自重，提高结构的跨越能力，适合装配化施工，有望解决现有常规桥梁结构存在的诸多技术难题，具有广阔的应用前景［3-5］。

在桥梁结构加固领域，针对结构所处环境和主要受力形式等的不同，可利用UHPC 的优异力学性能进行维修与加固。国外对于UHPC 材料的实桥加固应用起步较早，且研究热点主要集中于梁结构加固上。2003年，ALAEE［6］首次采用掺入钢纤维的UHPC 材料对预开裂钢筋混凝土梁进行加固，试验发现厚度仅为16 mm 的加固板能提升被加固构件66%的抗弯承载力。2017 年，TANARSLAN［7］采用配钢筋的预制UHPC 薄层对钢筋混凝土梁进行加固，通过植筋、环氧树脂界面剂、加压等方式增强界面黏结能力，结果表明底部粘贴UHPC 薄层能有效增强构件极限承载力，但对下挠控制能力较弱。国内学者在这一领域起步较晚，2012 年邵旭东［8］于国内首次提出UHPC-钢桥面板复合体系，并计算了其在局部轮载作用下的结构应力峰值，计算结果显示，UHPC-钢桥面板复合体系相比于普通钢桥面板，顺桥向应力下降了41.02%～66.65%，横桥向降幅达到57.71%～72.39%。在UHPC加固工程应用方面，2004年瑞士首次在旧桥桥面板上浇筑30 mm 配筋的UHPC 薄层［9］，修复由重车荷载所导致的桥面板破损。2011 年国内首次将UHPC 材料用于肇庆马房大桥加固工程［10］，该桥钢箱主梁铺装层严重破损、疲劳开裂，在采用50 mm UHPC 层加固后，其钢-UHPC 组合桥面体系运行良好至今。2021 年京沪高速公路改扩建工程采用UHPC 增大截面法对桥面板结构进行加固［11］，加固后桥面抗剪承载力满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 3362—2018》［12］要求，养护完成后桥面加固层无裂缝出现。

从以上研究可以看出，UHPC 运用于桥梁加固处于刚起步阶段，缺乏足够的工程实践经验。因此，本文从佛山市某装配式钢筋混凝土空心板梁桥加固工程实际案例出发，通过将该桥左幅上部结构更换为全预应力UHPC π 型梁进行加固，并对UHPC π 型梁和原有盖梁进行承载能力验算，希望此计算分析结果能给同类桥梁加固工程以参考，并推动这种UHPC 加固方法的应用。

1 工程概况

佛山市某车行桥为一座装配式钢筋混凝土空心板梁桥，竣工于1994年7月。上部结构采用8 m+10 m装配式钢筋混凝土空心板梁，横向各布置11 块空心板，其中8 m 跨径梁高0.40 m，宽1.54 m，10 m 跨径梁高0.50 m，宽1.54 m，横向布置为0.50 m（防撞护栏）+16.25 m（行车道）+1.50 m（中央分隔带）+16.25 m（行车道）+0.50 m（防撞护栏），共35.00 m。下部结构采用柱式桥台、柱式墩和钻孔灌注桩基础。

2 主要病害分析

该桥在运营26 年后，2019 年对其进行检测，结果发现该桥主要存在以下病害：

⑴全桥空心板底存在大量纵向裂缝和多处大面积网状裂缝，如图1⒜所示；

⑵幅桥梁多处空心板浇筑不密实，存在大面积的空洞露筋，如图1⒝所示；

⑶多处腹板锈胀露筋，如图1⒞所示。

2.1.3 个性特征及心理因素 不同心理应激能力的患者，面对外界刺激时所作出的反应也有很大差别，如某些长期患病或突发重病的患者，不能适应丧失自我照顾能力的现状，尤其是那些平日里独立生活自理能力较差、而家庭和社会地位较高的患者，更难以适应ICU的环境，ICU综合征的发生率也相应更高［6］。燕纯叔［13］对入住ICU的250例患者临床心理状态分析显示，文化程度较高的176例患者中，有124例不愿入住ICU，显著高于文化较低的患者74例(P＜0.01)。因为文化较高的患者自我保护意识较强，考虑问题较复杂，容易导致情绪不稳定。

图1 板底纵向裂缝Fig.1 Longitudinal Crack at Slab Bottom

全桥总体技术状况评分为78.7分，评定为3类，其中上部承重部件被评定为4 类，评定结果最差的单元为左幅。针对现有病害，需采取不同的整治方法进行处理。对于混凝土剥落、钢筋外露部位，需清除外露钢筋表面锈迹，恢复保护层。对于现浇空心板裂缝，裂缝宽度小于0.15 mm 的裂缝采取封闭处理，对大于0.15 mm 的裂缝进行灌浆。由于左幅底板发现多处空洞，面积较大，建议在保留原有下部结构的同时，采用更换梁板措施进行加固处治。

3 左幅桥梁加固方案

3.1 加固方案

由于左幅空心板底板存在多处难以修复的空洞，为了结构安全，采用更换上部结构的方案。考虑到该桥于20世纪90年代建成，设计荷载小于《公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015》［13］规定的设计荷载，长期在超过设计荷载下运营，对梁体产生不少损伤，故新上部结构需具有满足文献［13］设计荷载以及自重较轻的特点。因此，结合本项目跨径较小，且现状道路对线型指标的要求较高，不适宜抬高路面，左幅桥梁采用全预应力UHPC π型梁桥的加固方案。

3.2 总体布置

左幅桥梁加固方案中，上部结构采用8 m+10 m装配式先张法预应UHPC π 型梁，如图2 所示。横向布置5 片中梁和2 片边梁，中梁预制长度为2.14 m，边梁预制长度为2.275 m，梁间距为2.44 m，其中8 m 跨径梁高0.40 m，10 m 跨径梁高0.50 m。

图2 桥梁立面Fig.2 Bridge Elevation （cm）

3.3 上部结构

上部结构采用装配式先张法预应力UHPC π 型梁，共有8 m 和10 m 两种跨径。断面共有5 片中梁和2 片边梁组成，梁肋间距1.22 m，湿接缝宽度为0.3 m，中梁宽2.14 m，悬臂长0.515 m；边梁宽2.275 m，悬臂长0.50 m。10 m跨和8m跨中梁断面如图3所示。8 m跨π 型梁梁高40 cm，10 m 跨π 型梁梁高50 cm。梁端设有16 cm厚横梁，整体化层厚8 cm，沥青铺装层采用5 cm 厚AC-13C。预制π 梁采用UC150，湿接缝采用UC130，全桥采用ϕs15.24高强度低松驰钢绞线。

图3 跨中梁断面Fig.3 Cross Section of Mid Span Beam（cm）

4 左幅桥梁加固计算

以10 m 跨预应力UHPC π 型梁结构的边梁计算为例，采用Midas Civil 建立全桥空间仿真模型，在进行结构离散时，共划分280 个单元，161 个节点，10 m跨Midas Civil 计算模型如图4 所示。桥面铺装作为二期恒载采用外荷载施加，边界条件采用弹性支撑模拟，按照文献［13］进行荷载组合验算。

图4 10 m跨Midas计算模型Fig.4 Midas Calculation Model of 10 m Span

4.1 边梁施工阶段正截面混凝土法向应力验算

按全预应力UHPC 构件进行验算，施工阶段UHPC 梁上下缘应力如图5 所示，其中正值表示受拉应力，负值表示受压应力。《无腹筋预应力超高性能混凝土梁桥技术规范：TGDHS 003—2021》［14］第6.3.2.1 条规定，桥梁构件在进行短暂状况设计时，应计算其在施工阶段由自重、施工荷载等引起的正截面应力。根据文献［12］第6.3.2.5 条、第6.3.2.6 条，文献［14］第7.2.3 条、第7.2.8 条以及图5 的计算结果，施工阶段最大压应力σtcc=36.1 MPa＜0.7×0.9fck=66.15 MPa，最大拉应力σtct=0.8 MPa＜0.7×0.9ftk=4.54 MPa，其中fck为UHPC抗压强度标准值，ftk为UHPC轴心抗拉强度标准值。因此，施工阶段主梁上下缘混凝土应力满足文献［14］要求。

图5 施工阶段UHPC混凝土应力Fig.5 Concrete Stress of UHPC Beam under Construction Stage （MPa）

4.2 边梁承载能力极限状态验算

4.2.1 全预应力混凝土构件抗弯承载能力验算

基本组合下边梁弯矩内力与抗力如图6 所示，外轮廓等值线为抗力线，内轮廓实体为内力线，主梁正弯矩向上，负弯矩向下。根据文献［15］第6.1.2.3 条以及图6 的计算结果，最大弯矩为2 050.3 kN·m，最大抗力为2 190.6 kN·m。因此，承载能力极限状态下主梁抗弯承载能力满足文献［14］要求。

图6 基本组合下边梁弯矩与抗力Fig.6 Bending Moment and Resistance of Side Beam under Basic Combination（kN·m）

基本组合下边梁剪力如图7 所示，可得主梁最大剪力γ0Vd=1 270.4 kN。根据文献［14］第6.1.2.5条，对于预应力钢筋超高性能混凝土截面，超高性能混凝土基本抗剪承载力设计值Vc=270 kN，纤维抗剪承载力设计值Vf=1 049.2 kN，故斜截面抗剪承载能力Vu=Vc+Vf=1 319.2 kN＞γ0Vd。因此，承载能力极限状态下主梁抗剪承载能力满足文献［14］要求。

图7 基本组合下边梁剪力Fig.7 Shear of Basic Comosite Lower Side Beam （kN）

4.3 边梁正常使用极限状态验算

4.3.1 频遇组合下正截面抗裂验算

频遇组合下混凝土正截面应力如图8 所示，在预应力作用下，主梁上下缘混凝土全截面受压，没有出现拉应力。根据文献［14］第6.2.3条，全预应力构件的非接缝截面，在频遇组合下，正截面的拉应力应满足σst-0.85σpc≤0。因此，频遇值组合下正截面抗裂验算满足文献［14］要求。

图8 频遇组合下UHPC混凝土正截面应力Fig.8 Normal Section Stress of UHPC Concrete under Frequency Combination （MPa）

4.3.2 频遇组合下斜截面抗裂验算

频遇组合下混凝土斜截面应力如图9 所示，最大主拉应力发生在π梁梁端，σtp=2.3 MPa。根据文献［15］第6.2.3 条，全预应力构件的非接缝截面，在频遇组合下，斜截面的拉应力应满足σtp≤0.6ftk=4.32 MPa。因此，频遇值组合下斜截面抗裂验算满足文献［14］要求。

图9 频遇组合下UHPC混凝土斜截面应力Fig.9 Oblique Section Stress of UHPC Concrete under Frequency Combination （MPa）

4.3.3 标准组合下正截面压应力验算

标准组合下混凝土正截面应力如图10所示，正截面最大压应力为31.7 MPa。根据文献［12］第7.1.5条，受压区混凝土最大压应力应满足σkc+σpt≤0.5fck=52.5 MPa。因此，标准组合下正截面混凝土压应力验算满足文献［14］要求。

图10 标准组合下UHPC混凝土正截面应力Fig.10 Normal Section Stress of UHPC Concrete under Standard Combination （MPa）

4.3.4 准组合下斜截面压应力验算

标准组合下混凝土斜截面应力如图11 所示，UHPC π型梁的最大压应力为30.5 MPa。根据文献［12］第6.3.1 条，全预应力构件混凝土最大压应力应满足σcp≤0.6fck=63 MPa。因此，标准组合下斜截面混凝土压应力验算满足文献［14］要求。

图11 标准组合下UHPC混凝土斜截面应力Fig.11 Oblique Section Stress of UHPC Concrete under Standard Combination （MPa）

同理，对10 m 跨预应力UHPC π 型梁的中梁以及8 m 跨预应力UHPC π 型梁的边梁和中梁进行验算，均满足文献［14］的要求，结果如表1所示。

表1 UHPC π型梁承载能力验算Tab.1 Checking Calculation of Bearing Capacity of UHPC π-Beam

4.4 加固后现状盖梁承载力验算

因对左幅桥更换了新的上部结构，因此需对现状盖梁进行受力分析。采用Midas Civil 建立盖梁空间仿真模型，在进行结构离散时，共划分65个单元，67个节点，如图12所示。

图12 盖梁Midas计算模型Fig.12 Midas Calculation Model of Bent Cap

承载能力极限状态下，基本组合盖梁弯矩计算结果如图13所示，可得盖梁最大弯矩γ0Md=1 328.6 kN·m。根据文献［12］第5.2.2条，对于纵向体内钢筋的矩形截面受弯构件，其正截面抗弯承载力设计值Mr=1 508.2 kN·m＞γ0Md。因此，承载能力极限状态下盖梁抗弯承载能力满足文献［12］要求。

图13 基本组合下盖梁弯矩Fig.13 Bending Moment of Bent Cap under Basic Combination（kN·m）

承载能力极限状态下，基本组合盖梁弯矩计算结果如图14所示，可得盖梁最大弯矩γ0Vd=1 281.1 kN。根据文献［12］第5.2.9条，对于纵向体内钢筋的矩形截面受弯构件，其正截面抗弯承载力设计值Vu=1 287.8 kN＞γ0Vd。因此，承载能力极限状态下盖剪抗弯承载能力满足文献［12］要求。

图14 基本组合下盖梁剪力Fig.14 Shearing Force of Bent Cap under Basic Combination（kN）

正常使用极限状态下，根据文献［12］第6.4.2条和第6.4.3 条，钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度Wcr=0.173 1 mm＜0.2 mm。因此，正常使用极限状态下盖剪的裂缝宽度验算满足文献［12］要求。

经过计算，加固的预应力UHPC π 型梁在承载能力极限状态以及正常使用状态下均满足文献［14］要求；加固后，现状盖梁在承载能力极限状态以及正常使用状态下均满足文献［12］要求。

5 结语

针对佛山市某装配式钢筋混凝土空心板梁桥，为了解决该桥左幅空心板底板存在多处空洞的问题，采用将该桥左幅上部结构更换为全预应力UHPC π型梁的方法进行加固，并保留原有下部结构。通过Midas Civil 建立全桥空间梁单元模型，对UHPC π 型梁和原有盖梁在承载能力极限状态以及正常使用状态下分别进行计算。验算结果表明本加固方案符合设计及规范要求，说明采用UHPC π 型梁对该桥进行加固的方法效果可靠，UHPC π型梁与原结构结合良好，共同受力性能有效，在桥梁结构自重增加不大的情况下取得良好的加固效果，具有一定的推广价值。