新型超高强混凝土材料提高槽形梁承载力

宋 飞

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

槽形梁结构是U形槽和混凝土盖板结合而成的一种箱形结构，在早期的市政桥梁和高架桥梁鲜有应用。由于槽形梁是U形槽和盖板搭接而非刚接，在重载交通下，存在诸多安全隐患；且多梁式槽形梁之间的连接大多是铰接，使得荷载横向分配及横向整体刚度不足。目前，槽形梁的病害主要体现在边梁或次边梁出现结构性裂缝，U形槽和盖板搭接不牢靠导致的渗水、破损等[1-3]。在役桥梁中，槽形梁占有一定的比例，鉴于此，对其有针对性的加固仍有重要意义。

提高桥梁结构承载力的方法有很多，诸如：粘贴钢板法、粘贴碳纤维布法、张拉预应力碳纤维板法、张拉体外预应力钢筋法、采用高强混凝土法、改变结构体系法等[4-5]。

本文介绍一种新材料——UHPC材料，UHPC材料具有较高的抗压强度和抗拉强度，同时具有良好的耐久和流动性能。如果和普通钢筋或钢绞线等金属材料复合形成CRC结构，其性能的抗压强度可以达到 150～300 MPa，抗弯强度达到 120～200 MPa，剪切强度达到10～80 MPa，弹性模量达到45～85 GPa，加上其优越的耐久性和耐磨损性，将为桥梁新建工程及加固维修工程带来新的契机。

1 超高强混凝土UHPC材料简介

1.1 力学特性

UHPC（素材料）作为一种超高性能水泥基复合材料，只需要普通搅拌工艺和1～3 d养护，具备：a）超高抗压强度（标准养护下强度为180 MPa）；b）超高早期强度（3 d达到80 MPa以上）；c）抗压强度/密度比优于一般钢材；d）弹性模量31～55 GPa。经过试验，UHPC的强度发展曲线如图1所示。

图1 UHPC强度发展曲线

1.2 耐久性能

基于原材料最紧密堆积的设计原则，UHPC的孔隙率极低，密实度远远超过普通混凝土，造就了其超高的耐磨性能、超低的渗透性（抵抗二氧化碳、氯离子等有害物质的侵蚀）以及优异的抗冻融性能。结合不会锈蚀的性质，UHPC具备超高的使用寿命以及极低的维护费用，十分适合应用于恶劣腐蚀环境。

1.3 变形特性

均布于UHPC的基体中的特种纤维为其提供了高抗拉强度、高延性以及微裂缝多点开裂吸能等特性，可以大幅提高结构的抗爆抗冲击性能。同时多点微裂缝在接触环境水时可实现裂缝自动愈合，可在受力服役期间维持其超高的抗渗性能。

2 UHPC材料在桥梁工程中应用

鉴于超高强混凝土UHPC材料良好的特性，在桥梁工程中有广大的应用前景，包括新建桥梁和在役桥梁的维修加固。诸如：a）组合梁的桥面板；b）桥面梁板湿接缝材料；c）桥面/路面罩面层或铺装层；d）桥梁维修加固材料；e）不跳车、不渗漏新型桥面连接板、道路伸缩缝技术。

应用新型材料——UHPC材料，代替常规的普通混凝土材料，从提高结构的承载力、延长其使用性能及建造结构轻盈、受力合理的桥梁结构出发，分析研究UHPC材料在桥梁工程中的应用，对其采用实体有限元分析及模型试验的方法进行理论计算及试验效果分析，提出合理化的设计建议，并采取有针对性的防治和设计措施，具有重要的指导意义，不但可以更好地为结构安全和耐久性提供保证，同时也可以为设计、施工等单位合理、节约地使用材料提供更多的依据。

3 UHPC材料在提高槽形梁承载力方面的应用

某地一跨27 m简支槽形梁桥，桥面宽度13 m，共10片槽形梁。经检测，此槽形梁出现较多破损和裂缝，边梁较为严重。经计算，同样是边梁的横向分布系数最大，其值为0.25，因此，取一片边梁进行计算分析。槽型梁底宽1.1 m、梁高1.3 m，混凝土标号为C38，梁内普通钢筋为HRB335，φ25二级钢筋，预应力钢筋为14根直径25 mm冷拉Ⅳ级预应力钢筋，截面图如图2所示。在研究阶段，选择在槽形梁内侧加固，为对比提高其承载力的加固效果，分3种工况措施：a）原槽型梁单梁承载力；b）槽型梁内槽加厚0.1 m的C38混凝土，并配置φ25的普通钢筋；c）槽型梁内槽加厚0.1 m的UHPC材料，并配置φ25的普通钢筋。第2、3种情况截面图如图3和图4所示。

图2 原槽形梁截面（单位：mm）

图3 加厚0.1 m混凝土的槽形梁截面（单位：mm）

图4 加厚0.1 m UHPC材料的槽形梁截面（单位：mm）

3.1 计算结果

对于原结构图2和内侧加厚0.1 m的加固方式图3两种情况的承载力计算采用平面杆系模型，对于内侧加厚0.1 m超高强混凝土UHPC材料的加固方式图4的承载力计算采用实体有限元程序进行分析。

3.2 原槽形梁承载力的计算结果

原槽形梁建造时沿用的85桥规，按照85桥规进行承载力核算，并根据检测报告提供参数及承载能力建议值，承载力的结果如表1所示。

表1 槽型梁跨中正截面抗弯强度计算结果

从表1可以看出，经过多年使用原槽形梁承载能力极限值小于结构内力值，已经不能满足荷载要求，需要加固。

3.3 内侧加厚0.1 m普通混凝土材料的承载力计算结果

原槽形梁建造时沿用的85桥规，其承载力的平面杆系计算模型如图5所示，其承载力计算结果用表格方式表达，如表2所示。

图5 加厚0.1 m普通混凝土的计算模型

表2 内侧加厚0.1 m普通混凝土材料的承载力计算结果

3.4 内侧加厚0.1 m超高强混凝土UHPC材料的承载力计算结果

原槽形梁建造时沿用的是85桥规，为能同时验算UHPC材料与槽形梁之间的连接强度，保证计算结果的可比性，采用实体有限元计算模型如图6所示，极限状态时，原结构C38混凝土应力、超高强混凝土UHPC材料应力、预应力钢筋应力及普通钢筋应力分别如图7～图10所示，当加载到3 312 kN时，结构各种材料均已屈服。承载力计算结果用表格方式表达，如表3所示。

图6 加厚0.1 m超高强混凝土UHPC材料的实体有限元计算模型

图7 外槽C38混凝土应力值（单位：MPa）

图8 内槽0.1 m后UHPC材料应力值（单位：MPa）

图9 C38中预应力钢筋应力达到650 MPa

图10 UHPC材料中受拉钢筋达到280 MPa

表3 内侧加厚0.1 m超高强混凝土UHPC材料的承载力计算结果

4 承载力计算结果对比

通过平面杆系模型和实体有限元模型对槽形梁的原结构槽形梁形式、槽内侧加厚0.1 m普通混凝土形式及槽内侧加厚0.1 m超高强混凝土UHPC材料形式进行承载力计算。将承载力转换结构所加荷载P，比较P的大小来反映承载力的高低和加固效果。3种形式的承载力对比结果用表格方式表达，如表4所示。

表4 3种形式下槽形梁承载力对比计算结果

对比3种模型承载力计算结果可知，原槽型梁承载力换算成集中力为828 kN，第二种模型（内布置0.1 m C38混凝土加固材料），承载力换算成集中力为955 kN，第三种模型（内布置0.1 m UHPC材料加固），承载力换算成集中力为3 312 kN。由此可得，运用混凝土，铺设内层0.1 m混凝土加固槽型梁，承载力可以提高1.15倍，运用UHPC材料，铺设内层0.1 m UHPC材料加固槽型梁，承载力可以提高4.0倍。

第二种模型，当加载到955 kN时，受拉区混凝土材料早期便退出工作，加载后期钢筋逐渐屈服，与普通钢筋混凝土梁的受力模式相当，并无太明显优势；第三种模型，当加载到3 312 kN时，早期外层的受拉区混凝土材料早已退出工作，加载后期梁内普通钢筋先屈服，预应力钢筋应力表现出明显的降低，此时的UHPC材料的应力接近于其抗拉和抗压强度，整个过程，结构整体的受压区高度减小的趋势比普通混凝土材料加固的方式要减慢很多，表现出较强的抗弯承载性能，因此第三种模型所承担的荷载明显高很多。此时，经检查模型，UHPC材料与原结构接触面没有产生相对位移，说明计算结果是可靠的。

运用UHPC材料加固槽型结构，承载力较混凝土加固槽型梁提高3.47倍，远超越混凝土加固效果，可见UHPC材料较强的优势。

5 结论

通过对在役槽形梁的运营状况、病害状况、超高强混凝土UHPC材料的简介及对槽形梁加固形式和效果的阐述可知，超高强混凝土UHPC材料加固槽形梁可以提高承载力较大，比普通混凝土加固槽形梁的效果理想。

研究阶段，本桥选择了在槽型梁内侧加固，考虑到施工及养护等便利性，实际应用中应当在槽形梁截面外侧加固，也符合通常的加固措施。采用外侧加固时承载力提高水平更能凸显出模拟和实际应用时的加固效果，同时也已体现加固方案的合理性。

综上所述，超高强混凝土UHPC材料良好的黏结性和流动性，能很好地和原结构融合为一体，可以使得加固块做的更薄，节约空间。