新型超高強混凝土材料提高槽形梁承載力

宋 飛

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

槽形梁結構是U形槽和混凝土蓋板結合而成的一種箱形結構，在早期的市政橋梁和高架橋梁鮮有應用。由于槽形梁是U形槽和蓋板搭接而非剛接，在重載交通下，存在諸多安全隱患；且多梁式槽形梁之間的連接大多是鉸接，使得荷載橫向分配及橫向整體剛度不足。目前，槽形梁的病害主要體現在邊梁或次邊梁出現結構性裂縫，U形槽和蓋板搭接不牢靠導致的滲水、破損等[1-3]。在役橋梁中，槽形梁占有一定的比例，鑒于此，對其有針對性的加固仍有重要意義。

提高橋梁結構承載力的方法有很多，諸如：粘貼鋼板法、粘貼碳纖維布法、張拉預應力碳纖維板法、張拉體外預應力鋼筋法、采用高強混凝土法、改變結構體系法等[4-5]。

本文介紹一種新材料——UHPC材料，UHPC材料具有較高的抗壓強度和抗拉強度，同時具有良好的耐久和流動性能。如果和普通鋼筋或鋼絞線等金屬材料復合形成CRC結構，其性能的抗壓強度可以達到 150～300 MPa，抗彎強度達到 120～200 MPa，剪切強度達到10～80 MPa，彈性模量達到45～85 GPa，加上其優越的耐久性和耐磨損性，將為橋梁新建工程及加固維修工程帶來新的契機。

1 超高強混凝土UHPC材料簡介

1.1 力學特性

UHPC（素材料）作為一種超高性能水泥基復合材料，只需要普通攪拌工藝和1～3 d養護，具備：a）超高抗壓強度（標準養護下強度為180 MPa）；b）超高早期強度（3 d達到80 MPa以上）；c）抗壓強度/密度比優于一般鋼材；d）彈性模量31～55 GPa。經過試驗，UHPC的強度發展曲線如圖1所示。

圖1 UHPC強度發展曲線

1.2 耐久性能

基于原材料最緊密堆積的設計原則，UHPC的孔隙率極低，密實度遠遠超過普通混凝土，造就了其超高的耐磨性能、超低的滲透性（抵抗二氧化碳、氯離子等有害物質的侵蝕）以及優異的抗凍融性能。結合不會銹蝕的性質，UHPC具備超高的使用壽命以及極低的維護費用，十分適合應用于惡劣腐蝕環境。

1.3 變形特性

均布于UHPC的基體中的特種纖維為其提供了高抗拉強度、高延性以及微裂縫多點開裂吸能等特性，可以大幅提高結構的抗爆抗沖擊性能。同時多點微裂縫在接觸環境水時可實現裂縫自動愈合，可在受力服役期間維持其超高的抗滲性能。

2 UHPC材料在橋梁工程中應用

鑒于超高強混凝土UHPC材料良好的特性，在橋梁工程中有廣大的應用前景，包括新建橋梁和在役橋梁的維修加固。諸如：a）組合梁的橋面板；b）橋面梁板濕接縫材料；c）橋面/路面罩面層或鋪裝層；d）橋梁維修加固材料；e）不跳車、不滲漏新型橋面連接板、道路伸縮縫技術。

應用新型材料——UHPC材料，代替常規的普通混凝土材料，從提高結構的承載力、延長其使用性能及建造結構輕盈、受力合理的橋梁結構出發，分析研究UHPC材料在橋梁工程中的應用，對其采用實體有限元分析及模型試驗的方法進行理論計算及試驗效果分析，提出合理化的設計建議，并采取有針對性的防治和設計措施，具有重要的指導意義，不但可以更好地為結構安全和耐久性提供保證，同時也可以為設計、施工等單位合理、節約地使用材料提供更多的依據。

3 UHPC材料在提高槽形梁承載力方面的應用

某地一跨27 m簡支槽形梁橋，橋面寬度13 m，共10片槽形梁。經檢測，此槽形梁出現較多破損和裂縫，邊梁較為嚴重。經計算，同樣是邊梁的橫向分布系數最大，其值為0.25，因此，取一片邊梁進行計算分析。槽型梁底寬1.1 m、梁高1.3 m，混凝土標號為C38，梁內普通鋼筋為HRB335，φ25二級鋼筋，預應力鋼筋為14根直徑25 mm冷拉Ⅳ級預應力鋼筋，截面圖如圖2所示。在研究階段，選擇在槽形梁內側加固，為對比提高其承載力的加固效果，分3種工況措施：a）原槽型梁單梁承載力；b）槽型梁內槽加厚0.1 m的C38混凝土，并配置φ25的普通鋼筋；c）槽型梁內槽加厚0.1 m的UHPC材料，并配置φ25的普通鋼筋。第2、3種情況截面圖如圖3和圖4所示。

圖2 原槽形梁截面（單位：mm）

圖3 加厚0.1 m混凝土的槽形梁截面（單位：mm）

圖4 加厚0.1 m UHPC材料的槽形梁截面（單位：mm）

3.1 計算結果

對于原結構圖2和內側加厚0.1 m的加固方式圖3兩種情況的承載力計算采用平面桿系模型，對于內側加厚0.1 m超高強混凝土UHPC材料的加固方式圖4的承載力計算采用實體有限元程序進行分析。

3.2 原槽形梁承載力的計算結果

原槽形梁建造時沿用的85橋規，按照85橋規進行承載力核算，并根據檢測報告提供參數及承載能力建議值，承載力的結果如表1所示。

表1 槽型梁跨中正截面抗彎強度計算結果

從表1可以看出，經過多年使用原槽形梁承載能力極限值小于結構內力值，已經不能滿足荷載要求，需要加固。

3.3 內側加厚0.1 m普通混凝土材料的承載力計算結果

原槽形梁建造時沿用的85橋規，其承載力的平面桿系計算模型如圖5所示，其承載力計算結果用表格方式表達，如表2所示。

圖5 加厚0.1 m普通混凝土的計算模型

表2 內側加厚0.1 m普通混凝土材料的承載力計算結果

3.4 內側加厚0.1 m超高強混凝土UHPC材料的承載力計算結果

原槽形梁建造時沿用的是85橋規，為能同時驗算UHPC材料與槽形梁之間的連接強度，保證計算結果的可比性，采用實體有限元計算模型如圖6所示，極限狀態時，原結構C38混凝土應力、超高強混凝土UHPC材料應力、預應力鋼筋應力及普通鋼筋應力分別如圖7～圖10所示，當加載到3 312 kN時，結構各種材料均已屈服。承載力計算結果用表格方式表達，如表3所示。

圖6 加厚0.1 m超高強混凝土UHPC材料的實體有限元計算模型

圖7 外槽C38混凝土應力值（單位：MPa）

圖8 內槽0.1 m后UHPC材料應力值（單位：MPa）

圖9 C38中預應力鋼筋應力達到650 MPa

圖10 UHPC材料中受拉鋼筋達到280 MPa

表3 內側加厚0.1 m超高強混凝土UHPC材料的承載力計算結果

4 承載力計算結果對比

通過平面桿系模型和實體有限元模型對槽形梁的原結構槽形梁形式、槽內側加厚0.1 m普通混凝土形式及槽內側加厚0.1 m超高強混凝土UHPC材料形式進行承載力計算。將承載力轉換結構所加荷載P，比較P的大小來反映承載力的高低和加固效果。3種形式的承載力對比結果用表格方式表達，如表4所示。

表4 3種形式下槽形梁承載力對比計算結果

對比3種模型承載力計算結果可知，原槽型梁承載力換算成集中力為828 kN，第二種模型（內布置0.1 m C38混凝土加固材料），承載力換算成集中力為955 kN，第三種模型（內布置0.1 m UHPC材料加固），承載力換算成集中力為3 312 kN。由此可得，運用混凝土，鋪設內層0.1 m混凝土加固槽型梁，承載力可以提高1.15倍，運用UHPC材料，鋪設內層0.1 m UHPC材料加固槽型梁，承載力可以提高4.0倍。

第二種模型，當加載到955 kN時，受拉區混凝土材料早期便退出工作，加載后期鋼筋逐漸屈服，與普通鋼筋混凝土梁的受力模式相當，并無太明顯優勢；第三種模型，當加載到3 312 kN時，早期外層的受拉區混凝土材料早已退出工作，加載后期梁內普通鋼筋先屈服，預應力鋼筋應力表現出明顯的降低，此時的UHPC材料的應力接近于其抗拉和抗壓強度，整個過程，結構整體的受壓區高度減小的趨勢比普通混凝土材料加固的方式要減慢很多，表現出較強的抗彎承載性能，因此第三種模型所承擔的荷載明顯高很多。此時，經檢查模型，UHPC材料與原結構接觸面沒有產生相對位移，說明計算結果是可靠的。

運用UHPC材料加固槽型結構，承載力較混凝土加固槽型梁提高3.47倍，遠超越混凝土加固效果，可見UHPC材料較強的優勢。

5 結論

通過對在役槽形梁的運營狀況、病害狀況、超高強混凝土UHPC材料的簡介及對槽形梁加固形式和效果的闡述可知，超高強混凝土UHPC材料加固槽形梁可以提高承載力較大，比普通混凝土加固槽形梁的效果理想。

研究階段，本橋選擇了在槽型梁內側加固，考慮到施工及養護等便利性，實際應用中應當在槽形梁截面外側加固，也符合通常的加固措施。采用外側加固時承載力提高水平更能凸顯出模擬和實際應用時的加固效果，同時也已體現加固方案的合理性。

綜上所述，超高強混凝土UHPC材料良好的黏結性和流動性，能很好地和原結構融合為一體，可以使得加固塊做的更薄，節約空間。