宋 飛

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

槽形梁結(jié)構(gòu)是U形槽和混凝土蓋板結(jié)合而成的一種箱形結(jié)構(gòu)，在早期的市政橋梁和高架橋梁鮮有應(yīng)用。由于槽形梁是U形槽和蓋板搭接而非剛接，在重載交通下，存在諸多安全隱患；且多梁式槽形梁之間的連接大多是鉸接，使得荷載橫向分配及橫向整體剛度不足。目前，槽形梁的病害主要體現(xiàn)在邊梁或次邊梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，U形槽和蓋板搭接不牢靠導(dǎo)致的滲水、破損等[1-3]。在役橋梁中，槽形梁占有一定的比例，鑒于此，對(duì)其有針對(duì)性的加固仍有重要意義。

提高橋梁結(jié)構(gòu)承載力的方法有很多，諸如：粘貼鋼板法、粘貼碳纖維布法、張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板法、張拉體外預(yù)應(yīng)力鋼筋法、采用高強(qiáng)混凝土法、改變結(jié)構(gòu)體系法等[4-5]。

本文介紹一種新材料——UHPC材料，UHPC材料具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的耐久和流動(dòng)性能。如果和普通鋼筋或鋼絞線等金屬材料復(fù)合形成CRC結(jié)構(gòu)，其性能的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到 150～300 MPa，抗彎強(qiáng)度達(dá)到 120～200 MPa，剪切強(qiáng)度達(dá)到10～80 MPa，彈性模量達(dá)到45～85 GPa，加上其優(yōu)越的耐久性和耐磨損性，將為橋梁新建工程及加固維修工程帶來新的契機(jī)。

1 超高強(qiáng)混凝土UHPC材料簡(jiǎn)介

1.1 力學(xué)特性

UHPC（素材料）作為一種超高性能水泥基復(fù)合材料，只需要普通攪拌工藝和1～3 d養(yǎng)護(hù)，具備：a）超高抗壓強(qiáng)度（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下強(qiáng)度為180 MPa）；b）超高早期強(qiáng)度（3 d達(dá)到80 MPa以上）；c）抗壓強(qiáng)度/密度比優(yōu)于一般鋼材；d）彈性模量31～55 GPa。經(jīng)過試驗(yàn)，UHPC的強(qiáng)度發(fā)展曲線如圖1所示。

圖1 UHPC強(qiáng)度發(fā)展曲線

1.2 耐久性能

基于原材料最緊密堆積的設(shè)計(jì)原則，UHPC的孔隙率極低，密實(shí)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通混凝土，造就了其超高的耐磨性能、超低的滲透性（抵抗二氧化碳、氯離子等有害物質(zhì)的侵蝕）以及優(yōu)異的抗凍融性能。結(jié)合不會(huì)銹蝕的性質(zhì)，UHPC具備超高的使用壽命以及極低的維護(hù)費(fèi)用，十分適合應(yīng)用于惡劣腐蝕環(huán)境。

1.3 變形特性

均布于UHPC的基體中的特種纖維為其提供了高抗拉強(qiáng)度、高延性以及微裂縫多點(diǎn)開裂吸能等特性，可以大幅提高結(jié)構(gòu)的抗爆抗沖擊性能。同時(shí)多點(diǎn)微裂縫在接觸環(huán)境水時(shí)可實(shí)現(xiàn)裂縫自動(dòng)愈合，可在受力服役期間維持其超高的抗?jié)B性能。

2 UHPC材料在橋梁工程中應(yīng)用

鑒于超高強(qiáng)混凝土UHPC材料良好的特性，在橋梁工程中有廣大的應(yīng)用前景，包括新建橋梁和在役橋梁的維修加固。諸如：a）組合梁的橋面板；b）橋面梁板濕接縫材料；c）橋面/路面罩面層或鋪裝層；d）橋梁維修加固材料；e）不跳車、不滲漏新型橋面連接板、道路伸縮縫技術(shù)。

應(yīng)用新型材料——UHPC材料，代替常規(guī)的普通混凝土材料，從提高結(jié)構(gòu)的承載力、延長(zhǎng)其使用性能及建造結(jié)構(gòu)輕盈、受力合理的橋梁結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析研究UHPC材料在橋梁工程中的應(yīng)用，對(duì)其采用實(shí)體有限元分析及模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行理論計(jì)算及試驗(yàn)效果分析，提出合理化的設(shè)計(jì)建議，并采取有針對(duì)性的防治和設(shè)計(jì)措施，具有重要的指導(dǎo)意義，不但可以更好地為結(jié)構(gòu)安全和耐久性提供保證，同時(shí)也可以為設(shè)計(jì)、施工等單位合理、節(jié)約地使用材料提供更多的依據(jù)。

3 UHPC材料在提高槽形梁承載力方面的應(yīng)用

某地一跨27 m簡(jiǎn)支槽形梁橋，橋面寬度13 m，共10片槽形梁。經(jīng)檢測(cè)，此槽形梁出現(xiàn)較多破損和裂縫，邊梁較為嚴(yán)重。經(jīng)計(jì)算，同樣是邊梁的橫向分布系數(shù)最大，其值為0.25，因此，取一片邊梁進(jìn)行計(jì)算分析。槽型梁底寬1.1 m、梁高1.3 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C38，梁內(nèi)普通鋼筋為HRB335，φ25二級(jí)鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼筋為14根直徑25 mm冷拉Ⅳ級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼筋，截面圖如圖2所示。在研究階段，選擇在槽形梁內(nèi)側(cè)加固，為對(duì)比提高其承載力的加固效果，分3種工況措施：a）原槽型梁?jiǎn)瘟撼休d力；b）槽型梁內(nèi)槽加厚0.1 m的C38混凝土，并配置φ25的普通鋼筋；c）槽型梁內(nèi)槽加厚0.1 m的UHPC材料，并配置φ25的普通鋼筋。第2、3種情況截面圖如圖3和圖4所示。

圖2 原槽形梁截面（單位：mm）

圖3 加厚0.1 m混凝土的槽形梁截面（單位：mm）

圖4 加厚0.1 m UHPC材料的槽形梁截面（單位：mm）

3.1 計(jì)算結(jié)果

對(duì)于原結(jié)構(gòu)圖2和內(nèi)側(cè)加厚0.1 m的加固方式圖3兩種情況的承載力計(jì)算采用平面桿系模型，對(duì)于內(nèi)側(cè)加厚0.1 m超高強(qiáng)混凝土UHPC材料的加固方式圖4的承載力計(jì)算采用實(shí)體有限元程序進(jìn)行分析。

3.2 原槽形梁承載力的計(jì)算結(jié)果

原槽形梁建造時(shí)沿用的85橋規(guī)，按照85橋規(guī)進(jìn)行承載力核算，并根據(jù)檢測(cè)報(bào)告提供參數(shù)及承載能力建議值，承載力的結(jié)果如表1所示。

表1 槽型梁跨中正截面抗彎強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出，經(jīng)過多年使用原槽形梁承載能力極限值小于結(jié)構(gòu)內(nèi)力值，已經(jīng)不能滿足荷載要求，需要加固。

3.3 內(nèi)側(cè)加厚0.1 m普通混凝土材料的承載力計(jì)算結(jié)果

原槽形梁建造時(shí)沿用的85橋規(guī)，其承載力的平面桿系計(jì)算模型如圖5所示，其承載力計(jì)算結(jié)果用表格方式表達(dá)，如表2所示。

圖5 加厚0.1 m普通混凝土的計(jì)算模型

表2 內(nèi)側(cè)加厚0.1 m普通混凝土材料的承載力計(jì)算結(jié)果

3.4 內(nèi)側(cè)加厚0.1 m超高強(qiáng)混凝土UHPC材料的承載力計(jì)算結(jié)果

原槽形梁建造時(shí)沿用的是85橋規(guī)，為能同時(shí)驗(yàn)算UHPC材料與槽形梁之間的連接強(qiáng)度，保證計(jì)算結(jié)果的可比性，采用實(shí)體有限元計(jì)算模型如圖6所示，極限狀態(tài)時(shí)，原結(jié)構(gòu)C38混凝土應(yīng)力、超高強(qiáng)混凝土UHPC材料應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力及普通鋼筋應(yīng)力分別如圖7～圖10所示，當(dāng)加載到3 312 kN時(shí)，結(jié)構(gòu)各種材料均已屈服。承載力計(jì)算結(jié)果用表格方式表達(dá)，如表3所示。

圖6 加厚0.1 m超高強(qiáng)混凝土UHPC材料的實(shí)體有限元計(jì)算模型

圖7 外槽C38混凝土應(yīng)力值（單位：MPa）

圖8 內(nèi)槽0.1 m后UHPC材料應(yīng)力值（單位：MPa）

圖9 C38中預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力達(dá)到650 MPa

圖10 UHPC材料中受拉鋼筋達(dá)到280 MPa

表3 內(nèi)側(cè)加厚0.1 m超高強(qiáng)混凝土UHPC材料的承載力計(jì)算結(jié)果

4 承載力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

通過平面桿系模型和實(shí)體有限元模型對(duì)槽形梁的原結(jié)構(gòu)槽形梁形式、槽內(nèi)側(cè)加厚0.1 m普通混凝土形式及槽內(nèi)側(cè)加厚0.1 m超高強(qiáng)混凝土UHPC材料形式進(jìn)行承載力計(jì)算。將承載力轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)所加荷載P，比較P的大小來反映承載力的高低和加固效果。3種形式的承載力對(duì)比結(jié)果用表格方式表達(dá)，如表4所示。

表4 3種形式下槽形梁承載力對(duì)比計(jì)算結(jié)果

對(duì)比3種模型承載力計(jì)算結(jié)果可知，原槽型梁承載力換算成集中力為828 kN，第二種模型（內(nèi)布置0.1 m C38混凝土加固材料），承載力換算成集中力為955 kN，第三種模型（內(nèi)布置0.1 m UHPC材料加固），承載力換算成集中力為3 312 kN。由此可得，運(yùn)用混凝土，鋪設(shè)內(nèi)層0.1 m混凝土加固槽型梁，承載力可以提高1.15倍，運(yùn)用UHPC材料，鋪設(shè)內(nèi)層0.1 m UHPC材料加固槽型梁，承載力可以提高4.0倍。

第二種模型，當(dāng)加載到955 kN時(shí)，受拉區(qū)混凝土材料早期便退出工作，加載后期鋼筋逐漸屈服，與普通鋼筋混凝土梁的受力模式相當(dāng)，并無太明顯優(yōu)勢(shì)；第三種模型，當(dāng)加載到3 312 kN時(shí)，早期外層的受拉區(qū)混凝土材料早已退出工作，加載后期梁內(nèi)普通鋼筋先屈服，預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的降低，此時(shí)的UHPC材料的應(yīng)力接近于其抗拉和抗壓強(qiáng)度，整個(gè)過程，結(jié)構(gòu)整體的受壓區(qū)高度減小的趨勢(shì)比普通混凝土材料加固的方式要減慢很多，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗彎承載性能，因此第三種模型所承擔(dān)的荷載明顯高很多。此時(shí)，經(jīng)檢查模型，UHPC材料與原結(jié)構(gòu)接觸面沒有產(chǎn)生相對(duì)位移，說明計(jì)算結(jié)果是可靠的。

運(yùn)用UHPC材料加固槽型結(jié)構(gòu)，承載力較混凝土加固槽型梁提高3.47倍，遠(yuǎn)超越混凝土加固效果，可見UHPC材料較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

通過對(duì)在役槽形梁的運(yùn)營狀況、病害狀況、超高強(qiáng)混凝土UHPC材料的簡(jiǎn)介及對(duì)槽形梁加固形式和效果的闡述可知，超高強(qiáng)混凝土UHPC材料加固槽形梁可以提高承載力較大，比普通混凝土加固槽形梁的效果理想。

研究階段，本橋選擇了在槽型梁內(nèi)側(cè)加固，考慮到施工及養(yǎng)護(hù)等便利性，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)在槽形梁截面外側(cè)加固，也符合通常的加固措施。采用外側(cè)加固時(shí)承載力提高水平更能凸顯出模擬和實(shí)際應(yīng)用時(shí)的加固效果，同時(shí)也已體現(xiàn)加固方案的合理性。

綜上所述，超高強(qiáng)混凝土UHPC材料良好的黏結(jié)性和流動(dòng)性，能很好地和原結(jié)構(gòu)融合為一體，可以使得加固塊做的更薄，節(jié)約空間。