超高性能混凝土在拱桥加固中的应用

郭 飞

（贵州省公路局,贵州 贵阳 550081）

0 引言

拱桥因外形美观、经久耐用、就地取材、经济适用等优点，在我省农村公路在役桥梁中占比较高。截至2021年底，贵州省农村公路在役桥梁有9 868座，其中拱桥就有5 527座，占比达56%。随着我国经济社会高速发展，各级公路交通量与日俱增，受设计标准的演变、结构的老化和病害、公路车辆的超载运输、自然灾害以及施工养护方面的影响，在役的拱桥出现了大量病害，比如结构裂缝、孔洞、空洞、剥落、磨损、露筋锈蚀等，这些病害严重影响拱桥的受力性能和耐久性，更有甚者，将危及拱桥使用过程中的安全[1-2]。“十四五”期，我省农村公路危桥改造任务还有608座桥梁，拱桥就有398座，占比65.5%。危桥改造项目主要采用“拆除重建”或“加固改造”两种方式，但针对拱桥，拆除重建费用太高，加固改造是目前最切实可行的解决办法。拱桥采用“加固改造”方式具有提高桥梁承载能力、延长桥梁使用寿命、降低资金使用成本、提升桥梁安全水平、满足交通量增长需求等优点。

1 现有拱桥加固技术

现有拱桥加固技术主要有粘贴钢板、粘贴碳纤维材料、喷锚混凝土、加大构件截面、施加预应力、改变结构体系、减轻拱上建筑重量、调整主拱圈内力等方法[3]。粘贴钢板及碳纤维材料造价高，不易与原拱圈结构协同受力，使用的有机胶材料老化问题突出，长期使用有脱开失效的风险；喷锚混凝土及传统加大构件截面法中的钢筋混凝土套箍加固方法施工周期长，施工质量控制要求高，加固层厚度较大，施工过程增加原拱圈结构负担，降低加固效率，同时大幅削减桥下净空，影响桥梁美观；预应力加固法对于拱结构适用性不强，对原拱圈材料性能要求较高；改变结构体系、减轻拱上建筑重量及调整主拱圈内力施工程序较为复杂，施工周期长，技术要求高。因此，亟须寻求一种新的拱桥加固方法。

2 UHPC简介

超高性能混凝土（UItra-high Performance Concrete，以下简称UHPC）性能优异。据有关研究，其抗压强度可达160 MPa，抗折强度达30MPa以上，可以减小加固层的厚度，减小对原结构负担，可提高现浇混凝土的抗裂性和抗弯刚度。另外UHPC材料的收缩徐变小，降低了加固层和原拱圈脱开的风险。UHPC材料致密的内部结构带来了良好的耐久性，抗冻耐久性指数接近100%，氯离子在UHPC中几乎不渗透，28天碳化深度约等于0。UHPC材料还具有很好的流动性，坍落度达到235 mm，扩展度达到415 mm、抗离析性高，具备优异的填充性。另外，UHPC材料的强度增长快，研究表明，UHPC材料龄期为3天的立方体抗压强度可达到130 MPa，是快速加固、甚至不中断交通加固的首选材料[4]。基于以上特点，若将这一性能优异的新材料应用于拱桥加固领域，必将对桥梁加固领域产生积极的作用和深远的影响。我省在红岩桥、七星关桥UHPC加固应用成功经验的基础上，再次依托长顺县摆所大桥危桥改造工程采用UHPC加固技术进行推广应用，下面对摆所大桥采用的UHPC加固拱桥的设计和施工进行介绍。

3 UHPC在摆所大桥加固中的应用

摆所大桥位于长顺县摆所至安乐公路上，桥梁中心桩号K0+041，该桥1981年建成，设计荷载汽车-20级、挂-80级。该桥上部结构为空腹式石砌圬工拱桥，下部为石砌重力式桥墩台、扩大基础。桥梁全长81 m，桥梁全宽6.9 m（0.7 m护栏+5.5 m行车道+0.7 m护栏），跨径组合为10 m+30 m+2×10 m，第1、2、4孔为空腹板拱，第3孔为空腹肋拱，板肋厚1 m，宽1.5 m，两片拱肋间设置7道横梁，拱上结构为石砌立墙（图1）。2016年桥梁定期检查发现该桥存在多处病害，主拱圈渗水（图2）、碱蚀，桥面板锈胀、沉陷，主拱圈横梁浇筑不密实、露筋，桥梁总体技术状况评定为4类。

图1 摆所大桥立面图

图2 主拱圈渗水泛碱

3.1 加固设计

在红岩桥主拱圈采用15 cm厚UHPC加固层、七星关桥主拱圈采用12 cm厚UHPC加固层取得良好效果基础上，设计单位根据桥梁承载能力极限状态计算结果，摆所大桥加固设计荷载标准为公路-Ⅱ级（图3），加固方案主要采用：

图3 摆所大桥加固设计总体图

（1）对原3号主拱圈的拱腹和侧面增设6 cm厚UHPC钢筋混凝土新拱圈，形成UHPC套箍加固。在原1号、2号、4号主拱圈的拱腹增设5 cm厚UHPC钢筋混凝土新拱圈，共同分担后期活载。

（2）桥面更换为10 cm厚C30混凝土铺装，更换原有护栏为C30钢筋混凝土护栏。

（3）各孔腹拱增设15 cm厚C40混凝土。

（4）横梁破损处采用高等级砂浆修补。

要求加固所用的UHPC材料应出具出厂检验报告，其检验材料性能应不低于《超高性能混凝土加固桥梁技术指南》U120级UHPC材料性能指标，即轴心抗压强度标准值不低于120 MPa，抗拉强度不低于7 MPa，坍落扩展度不低于700 mm，收缩率不低于300，弹性模量介于40~60 GPa。为保证新老结构协同受力，UHPC加固层采用植筋方式与原结构粘结，钢筋直径12 mm[5]。3号主拱圈锚入拱肋20 cm，并沿纵向交错布置；1号、2号、4号加固层钢筋锚入主拱圈10 cm，沿拱圈呈梅花形布置。为保证UHPC加固层受力，在各主拱圈下设置牛腿，牛腿同样采用植筋方式与桥梁形成有效连接，钢筋直径16 mm，沿桥宽交错布置，间距20 cm，锚入深度15 cm。

3.2 加固施工

摆所大桥主要按照两侧拱脚围堰施工→搭设支架与模板→现浇牛腿钢筋混凝土加固层→混凝土养生→现浇拱圈（肋）UHPC加固层→混凝土养生→桥面施工的顺序进行。主拱圈加固施工顺序为先对称浇筑4号和1号拱圈加固层，然后浇筑2号拱圈加固层，最后浇筑3号主拱圈加固层（图4）。下面介绍UHPC加固层施工方法[6]。

图4 摆所大桥主拱圈加固中

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类似，都具有安设锚杆→拱圈凿毛→布设钢筋→现浇加固层等几个步骤。

3.2.1 安设锚杆

（1）施工工序：放样并作标记→钻孔→空压机清孔→灌注植筋胶→插入锚杆→检查密实度。

（2）施工要点。不能一次把所有锚孔钻好后再灌胶植筋，应该分批进行，一批工序完成后再进行下一批的钻孔、灌胶工序。

3.2.2 拱圈凿毛

主拱圈凿毛应使表面粗糙，以达到增强与加固层粘结的目的。

3.2.3 布设钢筋

纵向、横向钢筋的布设对UHPC加固层整体刚度具有重要的影响，其具体工艺要求如下：

（1）纵向钢筋、横向钢筋与锚杆交接处一律采用点焊，而其余纵、横向钢筋交接处均作绑扎处理。

（2）纵向钢筋在主拱圈拱座、拱上横墙上应通过灌注植筋胶锚入圬工砌体。

（3）钢筋的接长、绑扎、焊接均应满足规范要求。

3.2.4 现浇UHPC加固层

现浇UHPC加固层是UHPC加固拱桥的核心工作，有关工艺要求如下：

（1）UHPC浇筑顺序。UHPC加固层浇筑采用从两拱脚往拱顶方向对称施工的方式。浇筑分单元段进行，单元段长度的划分考虑施工队伍材料准备、工期要求、外加剂掺量、脱模时间等因素，由现场试验结果确定。在一个单元段内，浇筑顺序为主拱圈腹面→主拱圈两侧面 → 拱背[7]。

（2）浇筑方法。主拱圈两侧及拱背UHPC的现浇相对较简单，在此仅介绍施工难度相对较大的拱腹UHPC浇筑方法，利用主拱圈纵向弧度，依靠现浇UHPC的自重从拱脚往拱顶方向逐段施工。UHPC加固拱桥主拱圈宜采用灌注施工方式，主拱圈浇筑时，宜一次性浇筑完成，若方量较大，可分段进行，但需做好连接处理。

（3）养生。UHPC浇筑完毕后，应进行静养，静养的环境温度应在10 ℃以上，相对湿度60%以上，静养时间不小于24 h且直至同条件养护试块抗压强度达到40 MPa。UHPC静养结束后，可拆除外模板，进行保湿养护，保湿养护持续时间不少于48 h，且UHPC外表观温度与环境温度温差小于±5 ℃，方可结束保湿养护。

摆所大桥UHPC拱圈加固层模板在UHPC浇筑完成后的第7天拆除，模板拆除后整体光滑，无坑槽、空洞，施工质量优于普通钢筋混凝土。该桥于2021年12月施工完毕，运营以来UHPC加固层未见渗水、裂缝等病害，UHPC加固层与原桥粘结良好。

3.3 技术经济分析

同常规的普通钢筋混凝土增大截面法相比，在摆所大桥的加固施工过程中，因加固厚度的减轻，施工时支架搭设、绑扎钢筋的工作量显著减少。摆所大桥建设费用约为3 580元/m2，相比采用常规普通钢筋混凝土增大截面法的杉树桥3 930元/m2、坡里大桥3 680元/m2造价低[8]。

（1）摆所大桥采用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的优良性能，加固层的配筋可以大幅减小，相应的锚杆数量也减少，提高了施工的效率。

（2）摆所大桥采用UHPC加固技术减小了拱圈加固层厚度，拱圈加固层厚度仅为5 cm和6 cm，相比普通混凝土加固厚度大幅度降低，对原桥净空、外观影响微小。

（3）摆所大桥采用的UHPC材料具有自密实、自流平的特点，加固后拱腹平整、无坑槽，施工质量较普通的混凝土加固方法高，且其优异的材料性能能够保证拱桥加固后的使用寿命，具有极大的推广应用价值。

（4）摆所大桥采用UHPC加固拱圈的施工工艺可以借鉴普通混凝土施工工艺，对施工人员的专业水平要求不高，易于施工人员迅速掌握。

（5）摆所大桥锚杆以及UHPC加固层中的钢筋网能够抑制UHPC的收缩，两者共同作用能够确保界面的可靠性，加固后UHPC和原砌体未见脱开。

4 结论

该文依托摆所大桥空腹式圬工拱桥开展UHPC加固拱桥的应用研究，通过拱圈采用5 cm和6 cm的UHPC加固层与原拱圈结构共同形成复合主拱圈，并取得了很好的加固效果。与现有技术相比，形成了如下结论：

（1）结构性能方面。UHPC具有高强度、高韧性、低孔隙率等特性，使得加固层厚度大幅减少，减轻原拱圈结构外载负担；所用植筋材料、加固层材料与原拱圈结构同属无机材料，与原拱圈结构紧密贴合不会面临有机材料胶的老化问题；与原拱圈结构协同受力，提高拱圈结构承载能力；封闭原拱圈结构裂缝，与大气表面接触为致密UHPC材料，抗渗性能好、后期收缩性小、密实度高，提高结构耐久性。

（2）环境影响方面。施工过程中不使用有机结构胶，没有有毒有害气体产生，UHPC生产过程中产生的CO2排放量几乎是同等水泥的一半，使用该材料加固是践行可持续发展理念；整体加固层结构纤薄，对原桥净空、外观影响微小。

（3）经济效益方面。UHPC材料性能与经济价格比高，加固层材料强度增长较快，加固过程中无需中断交通，加固完成后结构不需要涂漆除锈等养护措施，从而降低了工程全寿命周期综合造价，具有较高的社会效益和经济效益。