LC40輕質混凝土橋面鋪裝在維修加固中的應用

賈 薈

（西寧城市建設開發有限責任公司，青海 西寧 810001）

0 引言

隨著現代建筑結構向大跨度、高層和超高層發展，為縮小結構截面、減輕結構自重、提高保溫隔熱等性能，對混凝土提出了輕質、高強和可持續發展等多方面的要求，高性能輕骨料混凝土因具備上述優點而成為僅次于普通混凝土用量的一種新型混凝土[1-2]。高性能輕骨料混凝土是指利用高強輕骨料配制而成的密度為1 600～1 950 kg/m3，具有高強度、高流動性和高耐久性等特點的結構用輕骨料混凝土[3-4]。高性能輕骨料混凝土不僅具有輕骨料混凝土的結構自重輕、保溫和隔熱等優點，而且還能滿足普通骨料高性能混凝土的性能指標[5]。輕骨料混凝土高性能化的重要途徑除了添加高效外加劑和礦物摻合料之外，在混凝土基體中摻加各類纖維也是提高輕骨料混凝土韌性和力學強度的有效途徑。輕骨料混凝土的自重較同強度等級普通混凝土低20%以上，在橋梁加固拓寬工程中，輕骨料高強混凝土橋面鋪裝可在不影響橋梁主要承重體系、確保與普通混凝土強度等級相同的前提下，顯著減小結構自重，降低橋梁恒載[6]。

1 研究背景

西寧市同仁路高架橋跨湟水河主橋，橋梁全長232 m，橋跨組合為66 m+100 m+66 m。橋面總寬25.5 m=0.5 m（防護欄）+12 m（行車道）+0.5 m（中央分隔墩）+12 m（行車道）+0.5 m（防護欄）。橋梁上部結構為現澆預應力混凝土變截面連續箱梁，單幅橋為單箱單室截面，支點處梁高5.4 m，跨中及邊跨直線段處梁高2.3 m，箱梁高度從支點到跨中按2次拋物線變化。單幅橋箱梁頂板寬12.7 m，底板寬7.7 m，懸臂長2.5 m。頂板厚30 cm，底板厚28~80 cm，腹板厚45~60 cm。橋面橫坡通過箱梁整體旋轉形成。邊跨1/3跨設置1道橫隔板，中跨跨中及1/4跨分別設置1道橫隔板。橋梁上部結構為滿堂支架逐段現澆施工，梁體分段長度分別為3.5 m、4.5 m，邊中跨合攏段長度為3 m。橋梁整體圖見圖1。

近年來，伴隨著西寧市經濟迅猛發展，市區機動車輛急劇增加，通過該橋的車輛日益增長，尤其是重載車輛的增加，造成了該橋出現了不同程度的病害，如上部結構的箱梁腹板、頂板、底板、橫隔板出現不同程度的裂縫，中跨跨中位置出現下撓等。針對該橋目前出現的病害及其成因，為減小橋梁二期恒載，改善結構受力，對橋面鋪裝層進行新做。新做防水鋼筋混凝土鋪裝層采用輕骨料混凝土LC40，其表觀密度不大于1 900 kg/m3。鋪裝材料屬性見表1；橋梁施工前后鋪裝層結構圖見圖2和圖3。

圖2 加固前橋面鋪裝層結構圖

圖3 加固后橋面鋪裝層結構圖

表1 鋪裝材料性能表

2 有限元模型

本文采用Midas FEA有限元軟件建立橋梁的上部結構進行研究，橋梁整體采用實體單元建模，如圖4所示。橋梁跨中和支點截面圖見圖5和圖6，橋梁的邊界布置圖見圖7。

圖4 橋梁有限元圖

圖5 橋梁跨中截面圖（單位：cm）

圖6 橋梁支點截面圖（單位：cm）

圖7 橋梁邊界布置圖

3 結果分析

輕骨料混凝土LC40相較于C40混凝土可減少約20%的自重。對采用輕骨料混凝土LC40和C40混凝土這2種鋪裝結構的橋梁整體撓度和應力進行對比分析，結果見圖8、圖9。

圖8 跨中位移圖

圖9 跨中應力圖

由圖8可知，輕骨料混凝土結構的底板最大位移為0.025 6 m，相較于C40混凝土的最大位移0.028 8 m減少了0.003 2 m。由圖9可知，輕骨料混凝土的縱橋向最大應力為2.135 MPa，相較于C40混凝土的縱橋向最大應力2.395 MPa減少了0.26 MPa；橫橋向最大應力則由C40混凝土的0.367 MPa減小到了0.010 3 MPa。

2種鋪裝結構下，湟水河大橋的邊跨頂板應力圖、支點頂板應力圖、跨中頂板應力圖、邊跨底板應力圖、跨中底板應力圖和支點底板應力圖見圖10~圖15。

圖10 邊跨頂板應力圖

由圖10~圖12可知，采用輕骨料混凝土LC40的橋梁頂面橫向應力相較于C40混凝土橋梁頂面的橫向應力有所下降，特別是跨中頂板位置，其最大橫向拉應力減小了11%，對結構整體受力有一定的好處。

圖12 跨中頂板應力圖

由圖13~圖15可知，橫向拉應力最大出現在支點截面，相較于C40混凝土，采用輕骨料混凝土LC40時的橫向拉應力下降了15%。

圖13 邊跨底板應力圖

圖15 跨中底板應力圖

圖11 支點頂板應力圖

4 結 語

（1）本文基于Midas FEA建立了橋梁新舊鋪裝的實體有限元模型，分析了橋梁關鍵位置的應力和位移。

圖14 支點底板應力圖

（2）采用輕骨料混凝土LC40替代C40混凝土，能有效降低橋梁結構的自重，從而減小橋梁關鍵位置的位移和應力。