UHPC套箍加固肋拱橋承載力研究

丁鵬， 周建庭， 楊俊， 周璐， 王宗山， 朱超

(1.重慶交通大學， 重慶市 400074； 2.重慶市市政設計研究院)

1 前言

目前中國存在不少數量的圬工肋拱橋,要么由于活載增加、石料風化、人為破壞等因素，導致拱圈承載力下降；要么由于通行要求提高需要提高現有拱橋承載力。上述兩種情況均需要采用有效加固手段來保證圬工肋拱橋滿足相應的通行需求。

現有階段針對圬工肋拱橋的加固方法有粘貼加固法、預應力加固法、增大截面加固法等，這些方法均存在一定的局限性。其中粘貼加固法由于碳纖維本身材料的脆性、耐火性不好以及鋼板易腐蝕等局限使得這種方法受到一定的限制；預應力加固法施工難度大，施工工藝復雜，目前用于梁式橋加固較多，拱橋加固整治中較少采用；增大截面法可有效分擔后期活載，然而由于普通混凝土強度和彈模較低，往往造成加固層截面尺寸較大，增加了很多的恒載，降低了原橋承載力的提升效果。綜上所述，尋求新材料或者新技術來有效提升圬工肋拱橋加固后承載力具有重要的研究價值。

作為工程界公認的過去30年中最具創新性的水泥基工程材料，超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC)擁有優越的力學性能與耐久性能。拱橋是以受壓為主的結構，將UHPC運用到拱橋加固工程中能充分發揮該材料的超高抗壓強度。

2 超高性能混凝土材料簡介

超高性能混凝土利用超細粉填充水泥基體空隙，使用高效新型減水劑降低水膠比，因此其抗壓強度高，耐久性好，幾乎不滲透；并且鋼纖維的摻入使其具有優異的韌性和斷裂能，具體力學參數如表1所示。

表1 超高性能混凝土(UHPC)力學參數及對比

利用力學性能優越的超高性能混凝土(UHPC)材料對圬工肋拱橋進行套箍加固，有如下優勢：

(1) 加固效率高：UHPC彈模比普通混凝土大1.5倍，根據內力按剛度分配原則，對于相同尺寸新增截面，可承擔更多活載，提高加固效果；UHPC抗壓強度比普通混凝土大4倍，抗折強度比普通混凝土大10倍，可有效保證新增截面的承載力，避免新增拱圈由于強度不足，發生破壞。

(2) 耐久性好：UHPC材料致密，不易受到外部環境的影響，可大幅度地提高橋梁的耐久性，減少后期維修養護費用，降低橋梁全壽命成本。

(3) 經濟效益大：UHPC早期強度增長迅速，蒸養48 h后可達標準強度的80%以上，且后期收縮徐變幾乎為0，大量縮短施工周期，節約施工成本，為低交通量下加固、甚至是不中斷交通加固提供了一種新思路。

(4) 施工可行性好：新舊結構的協調變形是新增截面加固法的關鍵技術。UHPC自流性能和自密性能優異，可有效解決由于新增截面尺寸小引起的現場施工過程中新舊結構不能有效結合的問題。

3 組合截面承載力計算

3.1 內力計算

增大截面法加固機理：施工過程中，原結構承擔原有的恒載，同時與施工支架共同承擔加固層的恒載；施工完成后，新增加固層承擔部分新增恒載以及部分汽車荷載和溫度荷載。增大截面法加固后的結構屬于二次受力結構，新增截面的應力和應變均滯后于原截面。

增大截面法加固后的結構內力計算，常用的方法有應力疊加法和剛臂節點位移協調法。在實際操作中，前者是利用Ansys等軟件進行空間實體單元分析，后者是利用Midas/Civil建模，將各梁單元采用剛臂連接，以此來模擬新舊結構間的協調變形。該文采用剛臂節點位移協調法，以平面假定理論為基礎，按內力疊加計算活載作用下新舊結構各自分配的內力，如圖1所示，其中腹部的加固層當作安全儲備，不承擔荷載。

圖1 套箍加固組合截面活載內力分配示意圖

根據截面內力平衡條件，可得到各部分截面內力與總內力的關系：

(1)

式中：l1、l2、l3為各部分截面到結構組合截面形心軸的距離。

3.2 抗力計算

結構抗力計算及相關參數取值，按照JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規范》規定，荷載效應組合值應小于結構抗力效應值:

r0Nd<φAfcd

(2)

式中：r0為結構重要性系數，一、二、三級設計安全等級分別取1.1,1.0,0.9；Nd為軸向力設計值；A為構件截面面積(組合截面按強度比換算)；fcd為石砌體軸心抗壓強度設計值；φ為構件軸向力的偏心距e和長細比對受壓構件承載力的影響系數。

當偏心距e超過JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規范》規定的限值時，構件承載力按式(3)計算：

(3)

式中：W為構件受拉邊緣的彈性抵抗矩(組合截面按彈性模量比換算)；ftmd為構件受拉邊層彎曲抗拉強度設計值。

結構抗力需按照JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》確定檢算系數Z1以及截面折減系數ξc，按下式進行驗算：

r0S≤R(fd,ξcad)Z1

(4)

式中：S為荷載效應函數；R(·)為抗力效應函數；fd為材料強度設計值；ad為結構的幾何尺寸。

4 實例分析

4.1 大橋簡介及模型建立

該座圬工肋拱橋位于重慶市開州區，橋梁全長210 m，上部結構采用(3×55+2×10) m空腹式雙肋形式，橋面寬8 m，布置為0.5 m(護欄)+7 m(行車道)+0.5 m(護欄)，橋梁下部結構為重力式U形橋臺、明挖擴大基礎。設計荷載為：汽車-20級。該橋為磚、石砌筑的大橋，且超負荷運營多年，上、下部結構以及橋面系病害較嚴重。按照JTG/T H21-2011《公路橋梁技術狀況評定標準》對該大橋技術狀況進行評定，結果如表2所示。

表2 肋拱橋技術狀況評定

該橋設計荷載為汽車-20級，為確保橋梁滿足現行交通需求，按照公路-Ⅱ級荷載進行承載力驗算，結果表明主橋主拱圈部分截面承載力不足，需要通過加固提高承載力。加固方案為：主橋主拱圈每片拱肋采用混凝土套箍層對左拱腳至2#立柱、右拱腳至9#立柱區段進行封閉套箍加固。拱肋側面加固層厚均為12 cm，拱背及拱腹加固層為22 cm。加固層材料分別采用C40混凝土與超高性能混凝土(UHPC)進行對比分析。

大橋采用Midas/Civil進行建模計算分析，有限元模型如圖2所示。幾何參數采用現場實測值，主拱圈拱軸線形為全站儀實測線形；材料參數取值依據JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規范》中相關規定，主拱圈、腹拱圈、引橋拱圈砌體材料均為半細料石MU40，砂漿M10，軸心抗壓強度設計值為4.472 MPa，彎曲抗拉強度設計值為0.086 MPa。

加固后模型為在加固前模型的基礎上，建立加固層的單元及截面，假定截面受力時符合平截面假定，新舊結構界面無相對滑移，連接方式為彈性連接的剛接，目的是使新舊拱圈單元形成剛臂單元，被連接的兩個節點具有相同的自由度，沒有剛性連接的從屬關系。

圖2 肋拱橋有限元模型

4.2 結果分析

(1) 強度方面

根據加固前后有限元模型分別提取主拱圈控制截面處恒載、汽車活載作用下的軸力N和彎矩M，并按荷載工況進行組合，加固前后主拱圈承載力計算結果如表3～5所示。

從表3～5可知：① 加固前，各關鍵截面承載力富余量明顯偏低，其中主橋主拱圈左右拱腳、L/8截面承載力不滿足要求，需進行加固提高承載力；② 采用現澆C40鋼筋混凝土套箍層封閉加固技術加固后，主橋主拱圈各截面承載力均有所提高，能夠滿足使用要求，達到了提高承載力的目的。但是1/4截面富余量明顯不足，安全儲備不夠，同樣會影響橋梁的行車安全；③ 采用超高性能混凝土(UHPC)套箍層封閉加固技術加固后，主橋主拱圈各截面承載力提升效果顯著，不僅消除了承載力不足的截面，同時富余量較C40混凝土也有較大的提高，為行車安全提供更多的保障。

表3 加固前主拱圈承載力驗算

注：① 富余量=(1-|Nj/Nu|) ×100%；富余量<0,表示承載力不滿足要求；②M、Nj、ey、[e]、Nu分別為彎矩、軸力、偏心距、偏心距限值、抗力；s為截面重心軸至偏心方向截面邊緣的距離。下同。

(2) 剛度方面

按照規范要求，拱橋應滿足在短期效應組合作用下，一個橋跨范圍內的正負變形的絕對值之和的最大值不應大于計算跨徑的1/1 000。該橋選擇半跨的L/4截面與拱頂截面進行變形計算，結果如表6所示，均滿足剛度要求。

表4 C40混凝土套箍加固后主拱圈承載力驗算

表5 超高性能混凝土套箍加固后主拱圈承載力驗算

表6 主拱圈變形計算結果 mm

5 結論

(1) 依托實際工程，針對重慶市開州區境內某座圬工肋拱橋進行加固前后承載能力對比計算分析，結果表明：采用套箍加固法處治后的橋梁承載能力得到明顯提升，同時采用UHPC材料可以使加固效果更加明顯，橋梁安全儲備更多。

(2) 針對此類圬工肋拱橋加固施工，建議對原橋以最小的擾動與損傷，全橋施工應遵循自下而上的原則，其中拱圈采用UHPC加固時需進行高溫蒸養，應提前做好養護方案。