碳纖維筋在舊拱橋加固中的應用研究

榮淑娟 胡衛軍 李嘉銘

【摘要：】在危舊拱橋加固中，傳統的波形鋼板、鋼板箍等加固方案占用橋下大面積凈空，影響行洪。碳纖維筋噴漿加固是近些來年來橋梁加固新技術，多用于梁橋的加固中，但對于拱橋加固的適用性尚不明確。文章依托界首二橋加固項目，通過極限分析法計算車輛不同作用點下拱橋極限承載能力，分析碳纖維筋噴射混凝土厚度對加固效果的影響，揭示其極限承載機理。結果表明：（1）通過極限分析法，得到最不利車輛荷載作用位置及拱圈破壞形式，為整橋加固設計提供參考;（2）隨著碳纖維筋噴漿層厚度增加，結構極限承載能力呈快速提升狀態，最大能夠提升28.6%的承載力，但當厚度超過10 cm，提升速率下降，部分作用點承載力提升出現衰減現象;（3）施工過程中應注意噴漿加固拱圈的整體性，提升結構完整性，從而提升極限承載力。

【關鍵詞：】拱橋加固;碳纖維筋噴漿;極限分析法;承載能力;拱圈完整性

U416.214A280893

0 引言

改革開放后，我國路網快速發展，因砌石拱橋造價便宜，施工方便，結構承載力高，跨越河流公路建設中大量采用了該類橋型。然而在建設之初，橋梁高性能材料缺乏，基礎施工工藝不到位，且早期拱橋經歷了40～50年的運行，出現了剪切裂縫、橋臺下沉、泛堿、接縫砂漿老化等不同程度的病害，制約了早期建設拱橋的正常通行，而其中大部分舊拱橋未達到拆除重建的標準，對其加固后仍能繼續服役。

故目前國內外學者對拱橋加固進行了研究，王錦莉等[1]將玻璃纖維和芳綸纖維混合纖維布復合材料應用在橋梁加固中，降低了梁板底部拉應變，有效提升了橋梁承載能力;周建廷等[2]對鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈加固拱橋技術與增設新主拱圈等技術進行對比，分析鋼筋混凝土套箍的經濟性及實用性。龔曉進等[3]對石拱橋的常見病害進行了分析，介紹了不同的拱橋加固形式，提出了不同情況下的加固方式選取準則。張俊波等[4]采用波紋鋼板拱進行石拱橋舊橋加固施工，加固效果良好。王宗山等[5]等通過現場試驗，驗證超高性能混凝土（UHPC）在拱橋加固中有良好效果。

目前的主要加固方法相當于在橋下新建一座小的拱橋，與原拱橋協調受力，提升拱橋承載能力，但該方法侵占了拱下行洪空間，同時需要對拱軸線進行精確測量，還需加工加固鋼板，施工速度慢，費用較高。碳纖維筋噴漿加固技術占用空間小，材料強度高，廣泛應用在梁橋的加固中，然而應用在拱橋加固中鮮有報道，其對拱橋承載力提升特性尚未有研究。本文通過極限分析法，揭示極限承載力特性，總結現場施工中的要點，為舊拱橋碳纖維筋加固提供指導。

1 項目概況

界首二橋位于桂林興安縣境內Y443線（呼和浩特-北海）K1+771處，建成于1972年，所屬路線等級為二級公路。

本拱橋全長39.00 m，橋面全寬9.20 m。上構采用2×12.00 m漿砌片石板拱，下構為重力式U型橋臺，采用明挖擴大基礎。

對界首二橋總體技術狀況進行評定，評分為59.7。現場調研發現主拱圈出現破壞，拱下出現泛堿、縱向裂縫等病害，經綜合評定該橋為四類橋梁，需要進行加固。但該橋因河道較窄，上游行洪不暢，已導致上游常年受到洪澇災害，如采用波形鋼板進行加固，會進一步加劇上游水澇災害。故本文提出碳纖維筋噴漿加固法并對其應用技術開展研究。

2 極限承載力分析

2.1 模型建立

基于OPTUM G2對加固后的拱橋進行分析，在OPTUM G2中提供乘數分布荷載以及從初始值逐漸增加到結構破壞時對應的破壞荷載（極限荷載）。極限荷載為破壞乘數荷載的極限值。破壞乘數荷載由下式計算得到：

qu=αqmult（1）

式中：qu——破壞系數荷載（kN）;

α ——乘數系數;

qmult——基礎荷載（kN）。

在極限分析法中，將材料設定為理想彈塑性體或鋼塑性體。在流塑性狀態下，材料的屈服應力與塑性應變可采用流動規則來表征。流動規則狀態下，塑性應變率分量之間關系如下：

（2）

式中：F——外荷載力（kN）;

σ1——主應力（kPa）;

σ3——側向應力（kPa）;

ε1、ε3——對應方向應變。

本文假定碳纖維筋噴漿層為均質各向同性，材料應力應變滿足理想彈塑性模型要求。拱結構采用彈性本構模型，土采用摩爾-庫侖本構模型，計算材料參數見表1。

2.2 計算方案

為研究不同噴漿加固厚度對拱圈不同受力段荷載承載特性的影響，根據劉哲坤等的研究成果[6]，選取最不利拱橋荷載，在單輛重載車輛通行作用下，計算拱橋的極限承載力，分析得到拱橋受力最不利點。根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）表4.3.1- 汽車車輪與地面接觸的著地寬度及長度分別取60 cm、20 cm，并根據目前該橋的交通管制，取限制允許通行最大貨車長度為5.6 m進行模擬，最不利荷載作用點分別取1/4拱處和拱頂處，計算車輛前后輪分別行駛至如圖1中①～B11處時，計算其極限承載力。

按照加固厚度為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm對拱橋進行加固模擬，再進行極限承載力分析，車輛前后輪作用點計算方案如表2所示。

3 結果分析

按表2對目前舊拱橋的極限承載力進行了分析，不同荷載組合形式下拱橋極限承載力如圖2所示。

當載重的車輛從左邊跨向右邊跨駛入時，前后輪作用在拱的不同位置處，對于拱圈極限承載力影響不同，極限承載力初始較大，車輛駛入后呈先下降后上升趨勢，行駛至右拱圈1/4處時，進一步下降，駛離右拱圈1/4處時，開始呈現上升趨勢。

分析其原因，當車輛前輪作用在左拱圈1/4處時，拱橋中墩分擔了一部分荷載，拱橋的整體極限承載力較高，當車后輪行駛至橋跨兩側1/4處時，車輛荷載通過拱實腹段向下傳遞荷載，荷載作用在拱圈上形成水平分力和豎向分力，造成中墩位置及車輪前緣拱圈出現拉應力。隨著乘數荷載的增大，拉應力超過拱橋材料的極限抗拉強度，拱橋出現拉裂破壞，行駛至右邊跨時承載力大于左邊跨，主要是由于右側橋臺能夠提供一定的承托力，分散作用在1/4拱處的力。而當車輛行駛至荷載均勻布置在拱橋兩側時（如圖3所示），破壞形式以拱圈和中墩拉裂破壞為主，右側拱圈提供了一定的抗力，車輛荷載前后輪作用點出現了剪斷破壞。在加固設計中，應針對相應的破壞形式，提升薄弱點的抗力，從而提升整體拱橋的承載力。DA28750F-A428-45D6-944E-EC0ED9554DD4

不同加固厚度下的拱橋承載力計算結果如圖4所示。

如圖4所示，隨著碳纖維筋加固厚度的增加，拱橋的承載力有不同程度的提升，靠近中墩位置在荷載組合（5）作用下極限承載力提升較小，甚至后期出現了負增長的現象，而對于跨中在荷載組合（2）、（3）作用下提升明顯。在荷載組合（1）、（4）、（6）、（7）作用下加固厚度達到15 cm時，承載力增長出現了放緩，主要是由于拱下噴漿，造成結構增重，導致增加的部分抗力被結構自重所抵消。

引入碳纖維筋加固厚度與極限承載力提升系數β，計算公式為：

β=pipo （3）

式中：pi——對應厚度的碳纖維筋噴射層極限承載力（kN）;

po——未噴射碳纖維筋噴射層極限承載力（kN）。

通過式（3）計算得到5 cm、10 cm、15 cm、20 cm加固厚度下的極限承載力提升系數，如圖5所示。

由圖5可知，隨著碳纖維筋噴射混凝土的厚度增加，極限承載力呈現先快速增加，0～10 cm加固厚度情況下，所有組合荷載作用下極限承載力快速上升，然后增長趨勢趨于平穩，部分加載點出現增強系數下降的現象。加固厚度達到20 cm時，不同荷載組合下的提升系數為：22.04%、22.89%、22.31%、16.83%、6.09%、13.02%、23.95%。極限承載力仍均未低于加固時的極限承載力，故碳纖維筋加固對極限承載力有明顯提升作用。在考慮經濟性和提升效果的情況下，宜采用10 cm厚的碳纖維筋噴射混凝土加固層厚。提高橋梁整體承載力，需針對易破壞位置進行加固。

4 現場施工要點

碳纖維筋與橋臺、中墩連接性能是形成結構力的關鍵，碳纖維筋植入拱座基礎15 d，進行清孔，注滿植筋膠后插入碳纖維筋，孔內植筋膠溢出表明注漿飽滿。在拱座位置1 m范圍內進行加密，每5 cm加密一根;在拱頂4 m范圍內加密，每5 cm加密一根。

拱圈結構力的形成是本加固工藝的重點，施工中應保證拱圈施工的完整性，橫向斷面過寬，可采用橫向分幅、縱向一次施工的方法進行施工，保證每幅形成完整的拱圈結構。噴漿過程應保證高強水泥砂漿的飽和度，避免出現空洞應力集中，造成結構力下降的情況。

5 結語

本文基于OPTUM G2有限元軟件，對待加固拱橋極限承載力進行了分析，進一步探究了碳纖維筋噴漿技術在危舊拱橋加固中的適用性，揭示加固層厚度對極限承載力的提升作用，主要結論如下：

（1）原危舊拱橋在設計組合荷載作用下，不同位置的極限承載力不同。車輛后輪作用靠近中墩1/4拱處時，極限承載力最小，破壞原因主要是存在斜向拉應力，導致中墩剪切拉裂，加固中應采取措施重點加固。

（2）碳纖維筋形成拱結構力后，能夠有效提升舊拱橋的極限承載力。隨著噴射層厚度的增加，極限承載力提升呈現先增加，后增長趨于放緩，且部分作用點承載力出現下降現象。綜合考慮經濟性和提升性能，碳纖維筋噴射混凝土加固厚度采用10 cm為宜。

（3）在施工過程中，碳纖維筋噴射混凝土結構與原結構結合度，協調受力是提升拱橋抗力的關鍵，應重點關注臺座處的碳纖維筋植入、灌漿飽和度，碳纖維筋加密等，應采用縱向分幅，保證拱圈結構的完整性。

參考文獻：

[1]王錦莉.混合纖維布復合材料加固橋梁試驗研究[J].交通世界，2022（Z2）：29-30.

[2]周建廷.鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈加固拱橋研究[J].公路，2002（1）：44-46.

[3]龔曉進.石拱橋病害分析及維修加固方法研究[D].成都：西南交通大學，2007.

[4]張俊波，龍青華，宋振輝.波紋鋼板拱在石拱橋加固中的應用[J].城市建設理論研究（電子版），2018（14）：117-118.

[5]王宗山，周建庭，楊 俊，等.UHPC在圬工拱橋加固中的應用[J].世界橋梁，2022，50（2）：105-111.

[6]劉哲坤，張 煒，曲 波，等.低路堤大跨徑鋼波紋板拱橋受力特征分析[J].中外公路，202 41（4）：168-172.DA28750F-A428-45D6-944E-EC0ED9554DD4