UHPC套箍加固肋拱桥承载力研究

2019-04-16丁鹏周建庭杨俊周璐王宗山朱超

中外公路 2019年4期

丁鹏，周建庭，杨俊，周璐，王宗山，朱超

(1.重庆交通大学，重庆市 400074； 2.重庆市市政设计研究院)

1 前言

目前中国存在不少数量的圬工肋拱桥,要么由于活载增加、石料风化、人为破坏等因素，导致拱圈承载力下降；要么由于通行要求提高需要提高现有拱桥承载力。上述两种情况均需要采用有效加固手段来保证圬工肋拱桥满足相应的通行需求。

现有阶段针对圬工肋拱桥的加固方法有粘贴加固法、预应力加固法、增大截面加固法等，这些方法均存在一定的局限性。其中粘贴加固法由于碳纤维本身材料的脆性、耐火性不好以及钢板易腐蚀等局限使得这种方法受到一定的限制；预应力加固法施工难度大，施工工艺复杂，目前用于梁式桥加固较多，拱桥加固整治中较少采用；增大截面法可有效分担后期活载，然而由于普通混凝土强度和弹模较低，往往造成加固层截面尺寸较大，增加了很多的恒载，降低了原桥承载力的提升效果。综上所述，寻求新材料或者新技术来有效提升圬工肋拱桥加固后承载力具有重要的研究价值。

作为工程界公认的过去30年中最具创新性的水泥基工程材料，超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)拥有优越的力学性能与耐久性能。拱桥是以受压为主的结构，将UHPC运用到拱桥加固工程中能充分发挥该材料的超高抗压强度。

2 超高性能混凝土材料简介

超高性能混凝土利用超细粉填充水泥基体空隙，使用高效新型减水剂降低水胶比，因此其抗压强度高，耐久性好，几乎不渗透；并且钢纤维的掺入使其具有优异的韧性和断裂能，具体力学参数如表1所示。

表1 超高性能混凝土(UHPC)力学参数及对比

利用力学性能优越的超高性能混凝土(UHPC)材料对圬工肋拱桥进行套箍加固，有如下优势：

(1) 加固效率高：UHPC弹模比普通混凝土大1.5倍，根据内力按刚度分配原则，对于相同尺寸新增截面，可承担更多活载，提高加固效果；UHPC抗压强度比普通混凝土大4倍，抗折强度比普通混凝土大10倍，可有效保证新增截面的承载力，避免新增拱圈由于强度不足，发生破坏。

(2) 耐久性好：UHPC材料致密，不易受到外部环境的影响，可大幅度地提高桥梁的耐久性，减少后期维修养护费用，降低桥梁全寿命成本。

(3) 经济效益大：UHPC早期强度增长迅速，蒸养48 h后可达标准强度的80%以上，且后期收缩徐变几乎为0，大量缩短施工周期，节约施工成本，为低交通量下加固、甚至是不中断交通加固提供了一种新思路。

(4) 施工可行性好：新旧结构的协调变形是新增截面加固法的关键技术。UHPC自流性能和自密性能优异，可有效解决由于新增截面尺寸小引起的现场施工过程中新旧结构不能有效结合的问题。

3 组合截面承载力计算

3.1 内力计算

增大截面法加固机理：施工过程中，原结构承担原有的恒载，同时与施工支架共同承担加固层的恒载；施工完成后，新增加固层承担部分新增恒载以及部分汽车荷载和温度荷载。增大截面法加固后的结构属于二次受力结构，新增截面的应力和应变均滞后于原截面。

增大截面法加固后的结构内力计算，常用的方法有应力叠加法和刚臂节点位移协调法。在实际操作中，前者是利用Ansys等软件进行空间实体单元分析，后者是利用Midas/Civil建模，将各梁单元采用刚臂连接，以此来模拟新旧结构间的协调变形。该文采用刚臂节点位移协调法，以平面假定理论为基础，按内力叠加计算活载作用下新旧结构各自分配的内力，如图1所示，其中腹部的加固层当作安全储备，不承担荷载。

图1 套箍加固组合截面活载内力分配示意图

根据截面内力平衡条件，可得到各部分截面内力与总内力的关系：

(1)

式中：l1、l2、l3为各部分截面到结构组合截面形心轴的距离。

3.2 抗力计算

结构抗力计算及相关参数取值，按照JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》规定，荷载效应组合值应小于结构抗力效应值:

r0Nd<φAfcd

(2)

式中：r0为结构重要性系数，一、二、三级设计安全等级分别取1.1,1.0,0.9；Nd为轴向力设计值；A为构件截面面积(组合截面按强度比换算)；fcd为石砌体轴心抗压强度设计值；φ为构件轴向力的偏心距e和长细比对受压构件承载力的影响系数。

当偏心距e超过JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》规定的限值时，构件承载力按式(3)计算：

(3)

式中：W为构件受拉边缘的弹性抵抗矩(组合截面按弹性模量比换算)；ftmd为构件受拉边层弯曲抗拉强度设计值。

结构抗力需按照JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》确定检算系数Z1以及截面折减系数ξc，按下式进行验算：

r0S≤R(fd,ξcad)Z1

(4)

式中：S为荷载效应函数；R(·)为抗力效应函数；fd为材料强度设计值；ad为结构的几何尺寸。

4 实例分析

4.1 大桥简介及模型建立

该座圬工肋拱桥位于重庆市开州区，桥梁全长210 m，上部结构采用(3×55+2×10) m空腹式双肋形式，桥面宽8 m，布置为0.5 m(护栏)+7 m(行车道)+0.5 m(护栏)，桥梁下部结构为重力式U形桥台、明挖扩大基础。设计荷载为：汽车-20级。该桥为砖、石砌筑的大桥，且超负荷运营多年，上、下部结构以及桥面系病害较严重。按照JTG/T H21-2011《公路桥梁技术状况评定标准》对该大桥技术状况进行评定，结果如表2所示。

表2 肋拱桥技术状况评定

该桥设计荷载为汽车-20级，为确保桥梁满足现行交通需求，按照公路-Ⅱ级荷载进行承载力验算，结果表明主桥主拱圈部分截面承载力不足，需要通过加固提高承载力。加固方案为：主桥主拱圈每片拱肋采用混凝土套箍层对左拱脚至2#立柱、右拱脚至9#立柱区段进行封闭套箍加固。拱肋侧面加固层厚均为12 cm，拱背及拱腹加固层为22 cm。加固层材料分别采用C40混凝土与超高性能混凝土(UHPC)进行对比分析。

大桥采用Midas/Civil进行建模计算分析，有限元模型如图2所示。几何参数采用现场实测值，主拱圈拱轴线形为全站仪实测线形；材料参数取值依据JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》中相关规定，主拱圈、腹拱圈、引桥拱圈砌体材料均为半细料石MU40，砂浆M10，轴心抗压强度设计值为4.472 MPa，弯曲抗拉强度设计值为0.086 MPa。

加固后模型为在加固前模型的基础上，建立加固层的单元及截面，假定截面受力时符合平截面假定，新旧结构界面无相对滑移，连接方式为弹性连接的刚接，目的是使新旧拱圈单元形成刚臂单元，被连接的两个节点具有相同的自由度，没有刚性连接的从属关系。

图2 肋拱桥有限元模型

4.2 结果分析

(1) 强度方面

根据加固前后有限元模型分别提取主拱圈控制截面处恒载、汽车活载作用下的轴力N和弯矩M，并按荷载工况进行组合，加固前后主拱圈承载力计算结果如表3～5所示。

从表3～5可知：① 加固前，各关键截面承载力富余量明显偏低，其中主桥主拱圈左右拱脚、L/8截面承载力不满足要求，需进行加固提高承载力；② 采用现浇C40钢筋混凝土套箍层封闭加固技术加固后，主桥主拱圈各截面承载力均有所提高，能够满足使用要求，达到了提高承载力的目的。但是1/4截面富余量明显不足，安全储备不够，同样会影响桥梁的行车安全；③ 采用超高性能混凝土(UHPC)套箍层封闭加固技术加固后，主桥主拱圈各截面承载力提升效果显著，不仅消除了承载力不足的截面，同时富余量较C40混凝土也有较大的提高，为行车安全提供更多的保障。