超高性能混凝土在拱橋加固中的應用

郭 飛

（貴州省公路局,貴州 貴陽 550081）

0 引言

拱橋因外形美觀、經久耐用、就地取材、經濟適用等優點，在我省農村公路在役橋梁中占比較高。截至2021年底，貴州省農村公路在役橋梁有9 868座，其中拱橋就有5 527座，占比達56%。隨著我國經濟社會高速發展，各級公路交通量與日俱增，受設計標準的演變、結構的老化和病害、公路車輛的超載運輸、自然災害以及施工養護方面的影響，在役的拱橋出現了大量病害，比如結構裂縫、孔洞、空洞、剝落、磨損、露筋銹蝕等，這些病害嚴重影響拱橋的受力性能和耐久性，更有甚者，將危及拱橋使用過程中的安全[1-2]。“十四五”期，我省農村公路危橋改造任務還有608座橋梁，拱橋就有398座，占比65.5%。危橋改造項目主要采用“拆除重建”或“加固改造”兩種方式，但針對拱橋，拆除重建費用太高，加固改造是目前最切實可行的解決辦法。拱橋采用“加固改造”方式具有提高橋梁承載能力、延長橋梁使用壽命、降低資金使用成本、提升橋梁安全水平、滿足交通量增長需求等優點。

1 現有拱橋加固技術

現有拱橋加固技術主要有粘貼鋼板、粘貼碳纖維材料、噴錨混凝土、加大構件截面、施加預應力、改變結構體系、減輕拱上建筑重量、調整主拱圈內力等方法[3]。粘貼鋼板及碳纖維材料造價高，不易與原拱圈結構協同受力，使用的有機膠材料老化問題突出，長期使用有脫開失效的風險；噴錨混凝土及傳統加大構件截面法中的鋼筋混凝土套箍加固方法施工周期長，施工質量控制要求高，加固層厚度較大，施工過程增加原拱圈結構負擔，降低加固效率，同時大幅削減橋下凈空，影響橋梁美觀；預應力加固法對于拱結構適用性不強，對原拱圈材料性能要求較高；改變結構體系、減輕拱上建筑重量及調整主拱圈內力施工程序較為復雜，施工周期長，技術要求高。因此，亟須尋求一種新的拱橋加固方法。

2 UHPC簡介

超高性能混凝土（UItra-high Performance Concrete，以下簡稱UHPC）性能優異。據有關研究，其抗壓強度可達160 MPa，抗折強度達30MPa以上，可以減小加固層的厚度，減小對原結構負擔，可提高現澆混凝土的抗裂性和抗彎剛度。另外UHPC材料的收縮徐變小，降低了加固層和原拱圈脫開的風險。UHPC材料致密的內部結構帶來了良好的耐久性，抗凍耐久性指數接近100%，氯離子在UHPC中幾乎不滲透，28天碳化深度約等于0。UHPC材料還具有很好的流動性，坍落度達到235 mm，擴展度達到415 mm、抗離析性高，具備優異的填充性。另外，UHPC材料的強度增長快，研究表明，UHPC材料齡期為3天的立方體抗壓強度可達到130 MPa，是快速加固、甚至不中斷交通加固的首選材料[4]。基于以上特點，若將這一性能優異的新材料應用于拱橋加固領域，必將對橋梁加固領域產生積極的作用和深遠的影響。我省在紅巖橋、七星關橋UHPC加固應用成功經驗的基礎上，再次依托長順縣擺所大橋危橋改造工程采用UHPC加固技術進行推廣應用，下面對擺所大橋采用的UHPC加固拱橋的設計和施工進行介紹。

3 UHPC在擺所大橋加固中的應用

擺所大橋位于長順縣擺所至安樂公路上，橋梁中心樁號K0+041，該橋1981年建成，設計荷載汽車-20級、掛-80級。該橋上部結構為空腹式石砌圬工拱橋，下部為石砌重力式橋墩臺、擴大基礎。橋梁全長81 m，橋梁全寬6.9 m（0.7 m護欄+5.5 m行車道+0.7 m護欄），跨徑組合為10 m+30 m+2×10 m，第1、2、4孔為空腹板拱，第3孔為空腹肋拱，板肋厚1 m，寬1.5 m，兩片拱肋間設置7道橫梁，拱上結構為石砌立墻（圖1）。2016年橋梁定期檢查發現該橋存在多處病害，主拱圈滲水（圖2）、堿蝕，橋面板銹脹、沉陷，主拱圈橫梁澆筑不密實、露筋，橋梁總體技術狀況評定為4類。

圖1 擺所大橋立面圖

圖2 主拱圈滲水泛堿

3.1 加固設計

在紅巖橋主拱圈采用15 cm厚UHPC加固層、七星關橋主拱圈采用12 cm厚UHPC加固層取得良好效果基礎上，設計單位根據橋梁承載能力極限狀態計算結果，擺所大橋加固設計荷載標準為公路-Ⅱ級（圖3），加固方案主要采用：

圖3 擺所大橋加固設計總體圖

（1）對原3號主拱圈的拱腹和側面增設6 cm厚UHPC鋼筋混凝土新拱圈，形成UHPC套箍加固。在原1號、2號、4號主拱圈的拱腹增設5 cm厚UHPC鋼筋混凝土新拱圈，共同分擔后期活載。

（2）橋面更換為10 cm厚C30混凝土鋪裝，更換原有護欄為C30鋼筋混凝土護欄。

（3）各孔腹拱增設15 cm厚C40混凝土。

（4）橫梁破損處采用高等級砂漿修補。

要求加固所用的UHPC材料應出具出廠檢驗報告，其檢驗材料性能應不低于《超高性能混凝土加固橋梁技術指南》U120級UHPC材料性能指標，即軸心抗壓強度標準值不低于120 MPa，抗拉強度不低于7 MPa，坍落擴展度不低于700 mm，收縮率不低于300，彈性模量介于40~60 GPa。為保證新老結構協同受力，UHPC加固層采用植筋方式與原結構粘結，鋼筋直徑12 mm[5]。3號主拱圈錨入拱肋20 cm，并沿縱向交錯布置；1號、2號、4號加固層鋼筋錨入主拱圈10 cm，沿拱圈呈梅花形布置。為保證UHPC加固層受力，在各主拱圈下設置牛腿，牛腿同樣采用植筋方式與橋梁形成有效連接，鋼筋直徑16 mm，沿橋寬交錯布置，間距20 cm，錨入深度15 cm。

3.2 加固施工

擺所大橋主要按照兩側拱腳圍堰施工→搭設支架與模板→現澆牛腿鋼筋混凝土加固層→混凝土養生→現澆拱圈（肋）UHPC加固層→混凝土養生→橋面施工的順序進行。主拱圈加固施工順序為先對稱澆筑4號和1號拱圈加固層，然后澆筑2號拱圈加固層，最后澆筑3號主拱圈加固層（圖4）。下面介紹UHPC加固層施工方法[6]。

圖4 擺所大橋主拱圈加固中

UHPC加固拱圈的施工方法和普通混凝土加固拱圈的施工方法類似，都具有安設錨桿→拱圈鑿毛→布設鋼筋→現澆加固層等幾個步驟。

3.2.1 安設錨桿

（1）施工工序：放樣并作標記→鉆孔→空壓機清孔→灌注植筋膠→插入錨桿→檢查密實度。

（2）施工要點。不能一次把所有錨孔鉆好后再灌膠植筋，應該分批進行，一批工序完成后再進行下一批的鉆孔、灌膠工序。

3.2.2 拱圈鑿毛

主拱圈鑿毛應使表面粗糙，以達到增強與加固層粘結的目的。

3.2.3 布設鋼筋

縱向、橫向鋼筋的布設對UHPC加固層整體剛度具有重要的影響，其具體工藝要求如下：

（1）縱向鋼筋、橫向鋼筋與錨桿交接處一律采用點焊，而其余縱、橫向鋼筋交接處均作綁扎處理。

（2）縱向鋼筋在主拱圈拱座、拱上橫墻上應通過灌注植筋膠錨入圬工砌體。

（3）鋼筋的接長、綁扎、焊接均應滿足規范要求。

3.2.4 現澆UHPC加固層

現澆UHPC加固層是UHPC加固拱橋的核心工作，有關工藝要求如下：

（1）UHPC澆筑順序。UHPC加固層澆筑采用從兩拱腳往拱頂方向對稱施工的方式。澆筑分單元段進行，單元段長度的劃分考慮施工隊伍材料準備、工期要求、外加劑摻量、脫模時間等因素，由現場試驗結果確定。在一個單元段內，澆筑順序為主拱圈腹面→主拱圈兩側面 → 拱背[7]。

（2）澆筑方法。主拱圈兩側及拱背UHPC的現澆相對較簡單，在此僅介紹施工難度相對較大的拱腹UHPC澆筑方法，利用主拱圈縱向弧度，依靠現澆UHPC的自重從拱腳往拱頂方向逐段施工。UHPC加固拱橋主拱圈宜采用灌注施工方式，主拱圈澆筑時，宜一次性澆筑完成，若方量較大，可分段進行，但需做好連接處理。

（3）養生。UHPC澆筑完畢后，應進行靜養，靜養的環境溫度應在10 ℃以上，相對濕度60%以上，靜養時間不小于24 h且直至同條件養護試塊抗壓強度達到40 MPa。UHPC靜養結束后，可拆除外模板，進行保濕養護，保濕養護持續時間不少于48 h，且UHPC外表觀溫度與環境溫度溫差小于±5 ℃，方可結束保濕養護。

擺所大橋UHPC拱圈加固層模板在UHPC澆筑完成后的第7天拆除，模板拆除后整體光滑，無坑槽、空洞，施工質量優于普通鋼筋混凝土。該橋于2021年12月施工完畢，運營以來UHPC加固層未見滲水、裂縫等病害，UHPC加固層與原橋粘結良好。

3.3 技術經濟分析

同常規的普通鋼筋混凝土增大截面法相比，在擺所大橋的加固施工過程中，因加固厚度的減輕，施工時支架搭設、綁扎鋼筋的工作量顯著減少。擺所大橋建設費用約為3 580元/m2，相比采用常規普通鋼筋混凝土增大截面法的杉樹橋3 930元/m2、坡里大橋3 680元/m2造價低[8]。

（1）擺所大橋采用UHPC加固拱圈同普通混凝土加固方法相比，其加固思路和施工工序基本一致，得益于UHPC的優良性能，加固層的配筋可以大幅減小，相應的錨桿數量也減少，提高了施工的效率。

（2）擺所大橋采用UHPC加固技術減小了拱圈加固層厚度，拱圈加固層厚度僅為5 cm和6 cm，相比普通混凝土加固厚度大幅度降低，對原橋凈空、外觀影響微小。

（3）擺所大橋采用的UHPC材料具有自密實、自流平的特點，加固后拱腹平整、無坑槽，施工質量較普通的混凝土加固方法高，且其優異的材料性能能夠保證拱橋加固后的使用壽命，具有極大的推廣應用價值。

（4）擺所大橋采用UHPC加固拱圈的施工工藝可以借鑒普通混凝土施工工藝，對施工人員的專業水平要求不高，易于施工人員迅速掌握。

（5）擺所大橋錨桿以及UHPC加固層中的鋼筋網能夠抑制UHPC的收縮，兩者共同作用能夠確保界面的可靠性，加固后UHPC和原砌體未見脫開。

4 結論

該文依托擺所大橋空腹式圬工拱橋開展UHPC加固拱橋的應用研究，通過拱圈采用5 cm和6 cm的UHPC加固層與原拱圈結構共同形成復合主拱圈，并取得了很好的加固效果。與現有技術相比，形成了如下結論：

（1）結構性能方面。UHPC具有高強度、高韌性、低孔隙率等特性，使得加固層厚度大幅減少，減輕原拱圈結構外載負擔；所用植筋材料、加固層材料與原拱圈結構同屬無機材料，與原拱圈結構緊密貼合不會面臨有機材料膠的老化問題；與原拱圈結構協同受力，提高拱圈結構承載能力；封閉原拱圈結構裂縫，與大氣表面接觸為致密UHPC材料，抗滲性能好、后期收縮性小、密實度高，提高結構耐久性。

（2）環境影響方面。施工過程中不使用有機結構膠，沒有有毒有害氣體產生，UHPC生產過程中產生的CO2排放量幾乎是同等水泥的一半，使用該材料加固是踐行可持續發展理念；整體加固層結構纖薄，對原橋凈空、外觀影響微小。

（3）經濟效益方面。UHPC材料性能與經濟價格比高，加固層材料強度增長較快，加固過程中無需中斷交通，加固完成后結構不需要涂漆除銹等養護措施，從而降低了工程全壽命周期綜合造價，具有較高的社會效益和經濟效益。