梁桥施工中超高性能混凝土薄层加固技术的应用

高庆，付旭锋

（上饶市婺源公路事业发展中心，江西婺源 333200）

0 引言

预应力混凝土槽型梁因建设高度低、安全性好、空间利用率高以及施工进度快等性能优势而在道路桥梁及城市轨道交通等领域具有广泛的应用前景。但槽型梁桥板梁薄壁体系因剪力滞效应大、受力复杂，且扭转效应明显，在交通量增大及混凝土收缩徐变的影响下，运营中极易发生主梁及桥面板下挠、混凝土开裂等病害。当前较常用的梁桥结构加固技术有体外预应力施加及截面增大加固、粘贴钢板加固、粘贴碳纤维加固等。以上加固技术均存在技术劣势与不足，本文针对梁桥桥面板混凝土开裂等常见病害，结合截面增大加固和粘贴纤维加固等传统技术，提出了超高性能混凝土薄层加固技术，即在梁桥结构下层底部浇筑一层超高性能混凝土层，使之与原混凝土整体受力；在该超高性能混凝土层浇筑过程中，仅原结构独自受力，只有待超高性能混凝土层完成初凝并拆模后，才形成其与原结构共同受力体系。超高性能混凝土材料具有高强度、高延性、高黏结性等优势，其材料凝结、新旧界面粘结及材料强度等均不受交通运行微振情况的影响，对于桥梁加固十分适用。

1 工程概况

某公路起讫桩号K131+045—K146+237段建有两座槽型梁桥，长度分别为765m和687m，两座桥梁结构形式完全一致，且均于1999年建成通车。两座桥梁主梁均采用预应力槽型梁形式，并在槽型梁上加盖6cm厚的乙式预制钢混桥面板；槽型梁间通过厚6cm、横纵向宽度分别为1.06m和0.77m的甲式预制钢混桥面板连接，甲式板还同时发挥行车荷载横向传递作用。甲式和乙式预制钢混桥面板上均现浇9cm厚的钢筋混凝土，并加铺7cm厚的沥青混凝土。两座桥梁槽型梁、甲式和乙式预制钢混桥面板均为工厂预制，现场拼装，甲式预制钢混桥面板仅搁置于槽型梁上，并未按设计要求固结处理，导致其受力状况不佳，且甲式桥面板6cm厚，横向跨度1.06m，承载力不高。在长期运行过程中，两座桥梁当前预制甲式钢混桥面板均表现出严重碳化现象及裂缝病害，且在行车荷载的影响下既有病害发展迅速，日常的养护已经无法彻底消除上述病害，必须采取有效的加固处理措施。

2 加固方案及施工

2.1 加固方案

考虑到上述两座病害桥梁公路等级高、交通量大，无法中断交通进行养护施工，且甲式预制钢混桥面板碳化严重，剥蚀、破碎病害面积大，粘贴碳纤维布等常规处理技术无法达到理想的加固效果；钢托架架设时必须在主梁上打孔，如此操作在损害主梁结构的同时对桥梁整体承载力并无显著改善，只能避免甲式预制钢混桥面板脱落。为此，对上述两座病害桥梁实施超高性能混凝土加固，以保证加固效果的可靠性和持久性。将厚度5～20cm的超高性能混凝土层加设在甲式预制钢混桥面板下方以构成组合截面，同时将直径10mm的钢筋按100mm间距设置在超高性能混凝土材料内部，具体见图1。所使用的超高性能混凝土抗压强度和抗拉强度分别不小于12MPa和150MPa，抗拉应变性能良好，且致密性、耐久性和裂纹自修复性高；超高性能混凝土无粗骨料，具备较好的流动性，浇筑施工过程中也无需振捣，行车引起的微振反而有利于超高性能混凝土凝结及新旧结合面黏结，且该加固方案无需中段交通。

图1 超高性能混凝土薄层加固方案（单位：cm）

2.2 施工难点

槽型梁桥预制结构应用超高性能混凝土加固存在一定的技术难点。首先，甲式预制钢混桥面板底部进行超高性能混凝土浇筑施工必须采用支模+灌注的方式，结构内部有钢筋且最薄弱处仅为5cm厚，要求超高性能混凝土灌注必须均匀饱满且能与普通混凝土可靠黏结；其次，目前我国并无超高性能混凝土相关施工技术规范，在其设计及施工方面缺少结构计算指导及加固后结构承载力的定量确定依据[1]，在大范围施工前必须展开全面实验验证。

2.3 加固施工

根据足尺实验[2]结果及对结构承载力和施工可行性的验证，得出上述槽型梁桥甲式预制钢混桥面板超高性能混泥土加固主要的施工流程。首先，在加固前彻底处治甲式预制钢混桥面板所存在的混凝土剥落、钢筋锈蚀裸露等病害，并通过高压水枪将甲式桥面板结构中存在的蜂窝麻面、风化酥松等混凝土块彻底清除。在安装模板和钢筋前，通过水泥砂浆将桥梁结构中甲式桥面板和槽型梁接缝密封处理，并保证密封效果。

将规定标号钢筋植入槽型梁外侧顶部超高性能混凝土结构内部，以增强混凝土结构强度，并形成钢筋网。加固施工除要求模板密封性能优良外，还要求模板及支撑体系实际承载力能达到2.0～3.0MPa，且支撑牢固、不出现胀模。为此，本桥梁工程采用钢模板+木条支撑体系，既能满足以上要求，又能实现模板循环利用。

采用立轴行星式搅拌机现场拌制超高性能混凝土。搅拌机启动后先依次投加粉料、水和添加剂，持续搅拌3～4min，使全部物料达到均匀液态后再投入纤维，继续匀速搅拌2～5min，待目测纤维拌和均匀后出料，并通过混凝土泵将混凝土泵送至模板内部一次性灌注。为保证灌注施工质量，供料必须连续，且分别设置两个灌注口，其中进料口设在高程较低侧，出料口设置在高程较高侧。根据灌注出料口是否连续溢出混凝土为判断模板是否灌满的标准，一旦出料口连续溢出混凝土，则应立即关闭泵送设备，避免因模板内压快速升高而挤坏模板。本工程槽型梁桥模板内设置有钢筋网，且模板内部空间狭小，灌注施工存在较大技术难度，为保证灌注均匀，超高性能混凝土塌落度应严格控制在600～800mm范围内。

超高性能混凝土常温养护48h，养护结束并将模板拆除后结构表面应光滑无裂缝、无气泡、无麻面，并与原混凝土界面良好粘结。

3 加固效果评价

应用ANSYS有限元分析软件构建两座槽型梁桥甲式预制钢混桥面板局部有限元模型，以进行桥面板加固前后行车荷载作用下应力变动趋势分析及加固效果的评价。分别通过Solid65和Link8进行甲式预制钢混桥面板及超高性能混凝土层受力情况以及进行预应力筋单元模拟[3]，并通过降温法施加预应力效果。局部模型边界条件模拟分固结和铰接两种情况，试验车辆荷载按70kN确定，现浇桥面混凝土层和沥青铺装层分别厚9cm和7cm，行车荷载扩散效应按45°考虑。

根据有限元分析结果，在行车荷载的影响下，当边界受到固结约束时，加固后甲式预制钢混桥面板横向拉应力最大值从加固前的3.10MPa降至0.45MPa；而当边界受到铰接约束时，加固后甲式预制钢混桥面板横向拉应力最大值从加固前的7.01MPa降至0.45MPa。两座槽型梁桥超高性能混凝土层和槽型梁实际采用固结方式，加固后横向拉应力最大值均为2.51MPa。超高性能混凝土和普通混凝土界面黏结完好，不存在任何界面剥离、错位等问题，且跨中截面抗弯承载力达到21.95kN·m，高出3.29kN·m的极限抗弯承载力设计值，也说明超高性能混凝土和普通混凝土黏结组合构件承载力完全符合设计要求。

应用超高性能混凝土薄层加固技术加固两座槽型梁桥后，甲式预制钢混桥面板横向应力均明显减小，并降至0.5MPa以下，根据相关规范，在该应力水平下普通混凝土发生开裂的可能性很小；超高性能混凝土薄层横向正应力最大值比其抗拉强度小，表明两座槽型梁桥应用超高性能混凝土薄层加固技术后甲式预制钢混桥面板受力情况明显改善。

4 结语

综上所述，两座槽型梁桥主梁混凝土桥面板开裂病害处治方面采用超高性能混凝土薄层加固技术后，甲式预制钢混桥面板ANSYS有限元分析结果显示，该加固技术能使预制板横向拉应力顺利降至0.5MPa以下，且行车荷载作用下加固层横向拉应力也明显降低；此外，超高性能混凝土薄层加固技术还能显著增强桥面板与主梁结构间的联系，使甲式预制钢混桥面板横向应力显著降低，降低挠度，并提升桥面板刚度。两座槽型梁桥均于2020年初完成加固，此后运营状况良好，该工程实践也为类似槽型梁桥结构承载力提升及裂缝处治提供了宝贵经验。