基于高性能混凝土與普通混凝土組合橋面結構加固方法的應用研究

許慧

（中鐵一局集團有限公司廣州分公司）

0 引言

受過往技術的局限，目前建設年代較早的高速公路舊橋箱梁懸臂結構普遍存在以下問題：舊橋箱梁懸臂承載能力不足或裂縫寬度超限；箱梁懸臂的長度普遍較長，結構尺寸偏小，配筋偏弱；舊橋護欄防撞等級低，護欄高度不足，難以保障高速公路上的行車安全。因此對舊橋箱梁懸臂現狀改造利用舊路的改造工程，迫在眉睫。

目前對舊箱梁懸臂結構的改造通常采用的方法包括：①將懸臂部分或整體拆除，然后重新進行建造；②在箱梁懸臂結構上加設加固支承結構。

以上兩種加固結構雖然加固效果良好，但由于施工過程與操作全程位于懸臂下緣，因而在施工過程中需要借助一定的大型施工設備才能完成，在一定程度上制約施工的效率，無法滿足快速改造的需求。

本文結合沈陽至海口國家高速公路陽江至茂名段的兩座連續梁箱梁的懸臂結構加固改造，提出一種公路橋梁懸挑結構的改造加固方法，該方法的施工位置主要位于箱梁頂以及橋面之上，施工過程簡單，無需依賴大型施工設備，能夠加快施工效率，并且加固后的承載能力提高明顯，能適應公路發展的需求。

1 工程概況

本工程項目為沈陽至海口國家高速公路陽江至茂名段改擴建項目，由于交通流量的增長，目前公路道路寬度不足以支撐區域交通發展，需要對原有道路進行拓寬為雙向八車道設計。原舊橋設計為：陽陽鐵路跨線橋（17+27+20+12.268m），南水河大橋（3×20+2×25+2×20）m，主線原橋面28m，雙向四車道設計。拼寬橋設計為：采用在舊路兩側拼接加寬的方式進行改擴建，對上部結構進行維修加固與新橋上部結構拼接，下部結構保持分離的方式進行拓寬。將舊橋中分帶內側護欄調整為SAm級F型墻式護欄。舊橋箱梁長懸臂標準斷面如圖1所示。

圖1 舊橋箱梁長懸臂標準斷面圖（單位：cm）

2 改造前的懸挑結構驗算分析

舊橋懸臂采用C40混凝土，護欄采用C30混凝土，其性能參數按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）有關規定確定。舊橋懸臂上下緣分別布置直徑為16mm 和12mm 的HRB335 普通鋼筋，其性能參數按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）有關規定確定。防撞護欄按荷載和按結構參與受力兩種情況來分析受力狀況。

2.1 護欄按荷載參與結構受力計算

車輛活載計算按車輪作用平行于懸臂板跨徑方向的車輪著地尺寸的外緣，通過鋪裝層45°分布線的外邊線至腹板外邊緣的距離lc=2.15m，符合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）第4.2.5條的規定。荷載恒載計算如表1所示，按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）的規定，基本組合下，按“1.2×恒載+1.8×（1+0.3）×活載”荷載組合下的計算懸臂結構的設計內力，內力計算如表2所示。

表1 荷載恒載計算

表2 內力計算

每延米懸臂板寬度內，上緣鋼筋8 根，下緣鋼筋7根，得到截面抗彎承載力約為-168kN·m，抗彎承載能力不滿足規范要求，欠缺約6.44%。矩形截面受彎構件計算 截 面 剪 力 為105.45kN，小 于0.50 × 10-3a2ftdbh0= 316.8kN，可不進行斜截面抗剪承載力的驗算。按橋梁設計規范，正常使用極限狀態下，截面上緣的裂縫寬度約為0.264mm，超過規范容許裂縫寬度0.2mm，不能滿足規范要求。

2.2 護欄按結構參與受力計算

采用有限元軟件ANSYS 建立了舊橋懸臂在護欄更換后的計算模型。懸臂結構及護欄結構均采用solid45 單元模擬，結構自重按照結構的實際尺寸進行計算，鋼筋混凝土材料的容重取為26kN/m3。同時，計入橋梁中分帶處蓋板重量，蓋板高度以8cm 計入。橋面鋪裝采用10cm 厚瀝青混凝土，瀝青混凝土材料的容重取為24 kN/m3。采用《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）中的車輛荷載，并計入沖擊系數0.3。

計算舊橋側懸臂根部截面，截面的縱橋向長度取為1m，提取截面高度上各節點應力計算結果。基本組合下，模型的應力分布情況如圖2、圖3所示。舊橋懸臂根部截面位置上緣受拉，最大拉應力值約為5.42MPa；下緣受壓，最大壓應力值約為4.68MPa。

圖2 舊橋懸臂上緣應力分布（單位：Pa）

圖3 舊橋懸臂下緣應力分布（單位：Pa）

根據相關規范要求，考慮結構重要性系數1.1，采用荷載組合“1.2×結構自重+1.8×(1+0.3)×活載”，得到截面在各工況下的承載能力驗算，如表3所示。

表3 承載能力驗算

計算結果表明，舊橋側懸臂根部截面的承載能力不滿足相關規范要求，欠缺約7.98%。

綜合將護欄作為荷載考慮和將護欄作為結構考慮兩種情況的結構驗算，懸臂根部的承載能力均不滿足規范要求。

3 基于高性能混凝土加固懸挑結構的加固方法

箱梁翼緣板的承載力不足，主要原因為翼緣板頂部原有的普通鋼筋配筋率過低、翼緣板根部尺寸偏小。一般可采用頂部粘貼鋼板解決此問題，但是粘貼鋼板加固后，與橋面瀝青鋪裝的粘結性差，易出現橋面病害。本項目采用了一種基于高性能混凝土與普通混凝土組合橋面結構加固方法。高性能混凝土有超強的抗拉能力以及與普通混凝土和橋面瀝青鋪裝的良好粘結性能，可以很好地解決翼緣板承載力不足的問題，且其具備免高溫蒸汽養生的性能。該方法可利用舊橋懸臂，不改變橋面鋪裝形式，在原有結構基礎上進行加固。具體方法為：先刨除瀝青砼鋪裝層，再鑿除箱梁頂板2cm 砼，鋪設10×10mm 的鋼筋網，在挑臂390cm（根據計算需要可調整）上表面鋪設6～8cm 厚的高性能混凝土。該改造加固方法的施工位置主要位于箱梁頂以及橋面之上，施工過程簡單，無需依賴大型施工設備，能夠加快施工效率，并且加固后的承載能力提高明顯。箱梁懸臂加固護欄改造一般構造和鋼筋構造布置圖如圖4、如圖5所示。

圖4 箱梁懸臂加固護欄改造一般構造示意圖（單位：cm)

圖5 箱梁懸臂加固護欄改造鋼筋構造布置示意圖（單位：cm)

3.1 懸臂結構承載能力驗算和裂縫寬度分析

3.1.1 材料參數

舊橋懸臂采用C40 混凝土，其性能參數按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）有關規定確定。

舊橋懸臂上下緣分別布置直徑為16mm的HRB335普通鋼筋，高性能混凝土中布置直徑為12mm 的HRB400 普通鋼筋。其性能參數按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）有關規定確定。

根據上文“改造前的懸挑結構驗算分析計算結果”，計算內力效應，疊加高性能混凝土重量，得到板端最終效應值為188.84kN.m/m。

3.1.2 有限元計算分析

采用非線性有限元軟件ABAQUS 建立混凝土懸臂板和高性能混凝土加固板計算模型，普通混凝土和高性能混凝土使用C3D8R 單元模擬，鋼筋使用T3D2 單元模擬。高性能混凝土和加固板有限元模型如圖6 所示。在均布荷載作用下，使用混凝土懸臂板加固懸臂板模型正應力分布情況如圖7所示。

圖6 高性能混凝土和加固板計算模型

圖7 混凝土懸臂板和加固板應力圖

⑴加固板使用C40混凝土

不同加載時間時，應力和應變如圖8所示：

根據圖8可以得出：

圖8 混凝土懸臂板加固計算結果

加載至0.4s 時，均布荷載值為24kN/m2，固定端彎矩為87.84kN·m/m，混凝土加固板開始出現裂縫。

加載至0.6s 時，均布荷載為36kN/m2，固定端彎矩為131.22kN·m/m，混凝土懸臂板開始產生裂縫。

加載至1.7s 時，均布荷載為102kN/m2，固定端彎矩為371.79kN·m/m，此時混凝土懸臂板底部被壓碎且鋼筋開始屈服。

⑵加固板使用高性能混凝土

在均布荷載作用下，使用高性能混凝土板加固懸臂板模型正應力分布情況如圖9所示。

圖9 高性能混凝土加固板正應力

不同加載時間時，應力和應變如圖10所示：

根據圖10可以得出：

圖10 高性能混凝土板加固懸臂板計算結果

加載至1.25s 時，均布荷載值為68.86N/m2，固定端彎矩為251.00kN·m/m，開始出現裂縫。

加載至1.75s 時，均布荷載為103.78kN/m2，固定端彎矩為378.28KN·m/m，此時高性能混凝土開始產生裂縫。

加載至2.45s 時，均布荷載為143.73kN/m2，固定端彎矩為523.445kN·m/m，此時混凝土懸臂梁下端被壓碎。

加載至2.55s 時，均布荷載為148kN/m2，固定端彎矩為537.962kN·m/m，此時懸臂板和高性能混凝土中的鋼筋均出現屈服。

3.2 驗算結果

⑴使用高性能混凝土加固的懸臂板，彎矩達到251kN·m/m 時混凝土才會出現裂縫，相對于使用普通混凝土加固的懸臂板，出現裂縫時的彎矩大了三倍。說明使用高性能混凝土加固可以增強混凝土的抗裂能力，極限抗力是普通混凝土材料加固的1.45 倍，極大地增加了極限承載能力。

⑵在短期組合荷載作用下板端彎矩為92.85kN·m/m，而使用高性能混凝土加固后，懸臂板在彎矩達到251kN·m/m 時才會出現裂縫。說明在短期荷載作用下，用高性能混凝土加固懸臂板并未出現裂縫，能夠大幅度提高耐久性能。

⑶使用高性能混凝土加固后懸臂板極限承載力為537.962kN·m/m，是基本組合荷載效應的2.8 倍，具有充分的抗力富余。

綜上所述，懸臂板采用高性能混凝土加固方式，懸臂板的承載能力和抗裂能力明顯提高。

4 結束語

本項目在利用舊橋懸臂和不改變橋面鋪裝形式的前提下，基于高性能混凝土與普通混凝土組合橋面結構的加固方法，取得了良好的施工和經濟效果，可為今后同類型橋梁的加固設計和施工提供參考和借鑒。