超高性能纤维混凝土在公路桥梁加固中的应用分析

2020-09-07许秀颖时国松

公路工程 2020年4期

许秀颖，贾影，时国松

（1.北京交通大学海滨学院，河北黄骅 061100； 2.北京交通大学土建学院，北京 100000）

0 引言

目前，我国大量在役桥梁达到或超过使用年限，急需要对桥梁进行维修和加固处理［1］。如采用简支梁连续结构体系转换加固法对各类中、小跨径的简支梁桥的加固，有效提升了梁桥的强度和稳定性，但该类方法导致支座负弯矩区混凝土开裂，影响桥梁耐久性［2-4］。随着技术的发展，在传统加固方法的基础上，一些新型的加固材料被应用于桥梁加固与检测领域中［5-7］。纤维复合材料，因其质量轻、强度高、工艺简单的优势，被用于提高混凝土的使用性能［8-10］。在普通混凝土中加入适量钢纤维或其他金属纤维增强材料［11］，能够有效提升普通混凝土的抗拉、抗剪和抗冲击强度［12-14］，桥梁的抗疲劳、开裂后韧性也能大幅提高［15］。本文选择我国数量庞大的T型简支梁桥为对象，通过有限元方法建立钢纤维混凝土桥梁构造的块体数值模型，分析不同钢纤维设计参数下桥梁的应力状态，获得钢纤维混凝土铺装加固层合理的设计长度和厚度。

1 钢纤维桥面段构造分析

1.1 梁端桥面连续段构造

简支梁桥面连续段是由不同简支主梁根据相同主梁跨径，将相同类型的主梁铺装层连接成连续构造形式，仅在桥台或过渡墩设置少量伸缩缝来实现连续梁桥面的平顺［16］。桥面连续构造处于简支梁桥变形较大处，受力形式复杂，且在实际设计施工过程中，桥面连续构造往往受限于设计人员的主观性，导致使用过程中容易出现拉应力过大而出现开裂现象，造成桥面铺装层破坏［17］。针对于此，采用钢纤维混凝土作为简支梁桥面连续加固材料，最大程度的减小墩顶处桥面铺装的开裂程度，保证桥面平顺特性。如图1为桥面连续段示意图。

图1 桥面连续构造示意图Figure 1 Schematic diagram of continuous construction of bridge deck

图1中，在主梁和桥面铺装层铺设塑料薄膜隔离，其中S为隔离长度，d为钢纤维混凝土铺装厚度，h为主梁高度。在桥面连续段铺装层梁端2～3 m纵向钢筋包扎柔性材料垫层来隔离钢筋和混凝土，两片主梁接缝处钢筋网片连续不断开，并在混凝土最表层铺设一定厚度沥青混凝土作为磨耗层，避免伸缩部位形成的开裂传到混凝土面层。这种结构大大提高了桥面抵抗梁端变形程度，降低了应力集中现象。但是对于主梁二期铺装和汽车荷载作用下引起的应力未知，因此需要确定钢纤维混凝土加铺层具体结构长度和厚度。基于此，选择部分代表长度的T型梁桥分析不同钢纤维桥面加铺层长度和厚度下桥梁的应力状态。

1.2 桥梁结构模型建立

采用公路结构设计中应用较多的MIDAS／Civil建立简支梁桥的有限元模型。该软件提供了不同类型的单元个建立三维实体模型。本文中考虑到简支梁桥结构特征和计算量，采用SOLID45块体单元模拟。桥梁纵向×横向×竖向单元尺寸为0.2 m×0.1 m×0.1 m。全桥共划分为45 245个单元，64 325个节点，如图2为建立的简支梁结构离散图。

图2 简支梁结构网格图Figure 2 Grid diagram of simply supported beam structure

由于钢纤维混凝土铺装测和主梁桥面板隔离，采用受压弹簧单元模拟钢纤维混凝土层和主梁的链接方式，单元体只传递轴向压力，不形成弯曲刚度，连接点上无旋转自由度，因此采用刚性连接。模型的材料参数见表1。

表1 材料参数表Table 1 Material parameter table

1.3 桥梁加载形式

根据钢纤维自适应力混凝土加固桥梁情况。设计：一期荷载、二期荷载、三期荷载。其中一期荷载为原T梁自重荷载；二期荷载为T梁荷载＋铺装层自重＋防撞墙、护栏、灯饰＝72 kN／m。三期荷载为二期荷载＋车辆动荷载，其中车辆荷载根据JTG D60-2004规定中选定车辆荷载标准值。可以看出，一期、二期荷载均为静荷载，三期荷载为动荷载。

2 结果与讨论

采用钢纤维混凝土沿跨度方向长度L，铺设厚度d，预制梁高度h为变量，分析两跨间钢纤维混凝土铺装层产生的拉应力状态分析。获得L、d和h间的关系。对于跨径10 m，对应梁高h＝0.9 m；相应的有跨径14 m，h＝1.3 m；跨径20 m，h＝1.5 m；跨径30 m，h＝2 m；跨径40 m，h＝2.5 m。

2.1 加铺层长度的影响

首先加铺层厚度一定，即d＝8 m时，跨径10 m时，获得不同钢纤维混凝土铺设长度L下模型的应力状态，如表2所示。

表2 跨径10 m的钢纤维混凝土加铺层应力参数表Table 2 Stress parameter table of steel fiber reinforced concrete overlay with span of 10 m

从表2中可以看出，当d＝8 cm时，随着装铺层长度L的增加，各向应力均逐渐减小。当加铺层长度在较小值内增加时，应力减少值明显，L＞50 cm后，随着加铺层长度增加，各应力值的降幅逐渐缩小，最后趋于平缓。当L＝50 cm时，获得的加铺层有效应力远小于钢纤维混凝土的极限拉应力3 MPa，如图3所示。此时再增加L时，对应力状态的影响幅度相对较小，但增加加铺层长度导致成本上升，从使用性能和安全状态考虑，L＝50 cm时能获得较为理想的结果。

图3 L＝50 cm加铺层拉应力云图Figure 3 Tensile stress cloud diagram of L＝50 cm overlay

表3为d＝8 m时，跨径20 m时，获得不同钢纤维混凝土铺设长度L下，模型各位置方向的应力状态。

表3 钢纤维混凝土加铺层应力参数表Table 3 Table of stress parameters of steel Fiber reinforced concrete overlay

当d＝8 cm，跨径为20 m时，各向应力随着装铺层长度L的增加均逐渐减小，且后期减小幅度逐渐趋缓。当L＝75 cm时，获得的加铺层有效应力远小于钢纤维混凝土的极限拉应力3 MPa，如图4所示，此时从使用性能和安全状态考虑，L＝75 cm时能获得较为理想的结果。

图4 L＝75 cm加铺层拉应力云图Figure 4 Tensile stress cloud diagram of L＝75 cm overlay

表4为d＝8 m，跨径30 m时，获得不同钢纤维混凝土铺设长度下模型的应力状态。

表4 钢纤维混凝土加铺层应力参数表Table 4 Stress parameter table of steel fiber reinforced concrete overlay

当d＝8 cm，跨径为30 m时，各向应力随着装铺层长度L的增加均逐渐减小，且后期减小幅度逐渐趋缓。当L＝100 cm时，获得的加铺层有效应力满足安全使用要求，此时从使用性能和安全状态考虑，L＝100 cm时能获得较为理想的结果。

当d＝8 cm时，比较跨径分别为10、20、30 m下钢纤维混凝土加铺层对应的理想长度分别为50、75、100 cm可以看出，随着跨径的增大，对应的加铺层长度也在不断增加。

图5 L＝100 cm加铺层拉应力云图Figure 5 L＝100 cm overlay layer tensile stress nephogram

2.2 加铺层厚度的影响

跨径10 m，加铺层长度为50、75、100 cm时，获得不同钢纤维混凝土铺设厚度下模型各位置方向的应力状态，如表6所示。从表中可以看出，不同的跨径下的各应力均保持在一定范围内较小的变化，整体趋于平缓。

表5 不同加铺层长度的加铺层应力Table 6 Stress of overlay layer with different length of overlay layer

对于相同钢纤维混凝土厚度梁桥，在三期荷载作用下，钢纤维混凝土连续梁端附近产生最大拉应力。分析钢纤维混凝土厚度d＝8、10、12 cm，获得对应梁高下的钢纤维混凝土板有效应力如图6所示。

可以看出，当钢纤维混凝土厚度一定时，在相同跨径下，随着铺装长度的增大，有效应力逐渐较小，最终趋于平缓。当加铺层厚度一定时，有效拉应力随着跨径的增加而不断增大；当钢纤维混凝土长度、跨径一定时，随着铺装厚度的增加，有效应力呈现出一个逐渐下降的变化趋势，桥面连续厚度越大，跨径越大，则随着铺装长度的增大，梁桥的有效应力收敛也就越快。因此，根据相应的模型数据，针对不同钢纤维混凝土铺装厚度下，推荐相应的铺装长度见表6。