超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固中的應(yīng)用分析

周歡慶

摘要 超高性能纖維混凝土作為一種新型建筑材料，在公路橋梁加固中具有廣泛的應(yīng)用前景。文章分析了超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固應(yīng)用中存在的問題，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。通過實(shí)例進(jìn)行分析得出，在保持鋪設(shè)厚度不變的情況下，鋼纖維混凝土在跨徑10 m下加鋪層最佳的應(yīng)力點(diǎn)是加鋪層長度50 cm，在跨徑20 m下加鋪層最佳的應(yīng)力點(diǎn)是加鋪層長度75 cm，在跨徑30 m下加鋪層最佳的應(yīng)力點(diǎn)是加鋪層長度100 cm，也就是說，加鋪長度隨著跨徑的增大而不斷增加；當(dāng)鋼纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層長度相同時(shí)，加鋪層對應(yīng)的有效應(yīng)力隨著加鋪層厚度的增加而逐漸減小；當(dāng)鋼纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層厚度相同時(shí)，有效應(yīng)力隨著加鋪層長度的增加而逐漸變平緩且減小。

關(guān)鍵詞 纖維混凝土；橋梁加固；鋪設(shè)厚度；鋪設(shè)層長度；應(yīng)力

中圖分類號 U445.72文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0137-03

0 引言

公路橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在長時(shí)間的使用過程中會受到各種力的作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷，需要進(jìn)行加固維修。傳統(tǒng)的加固方法往往存在一些問題，如耐久性差、強(qiáng)度不足等，傳統(tǒng)的加固材料和方法在某些情況下已經(jīng)顯示出滯后和不適用的問題，因此需要尋找更高性能、更具耐久性的加固材料[1]。超高性能纖維混凝土（UHPFRC）采用了水泥、粉煤灰、硅砂、鋼纖維，水膠比小于0.25，通過特殊配比和施工工藝制備而成，內(nèi)部具有不連通孔結(jié)構(gòu)，有很高抵抗氣、液體浸入的能力，與傳統(tǒng)混凝土和高性能混凝土（HPC）相比，耐久性可大幅提高，同時(shí)UHPFRC具有更高的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗凍融性能和優(yōu)異的自修復(fù)性能和抗裂性能，UHPFRC以其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，在公路橋梁加固中被廣泛研究和應(yīng)用[2-3]。

1 超高性能纖維混凝土應(yīng)用中的問題

1.1 裂縫及界面黏結(jié)問題

超高性能纖維混凝土具有優(yōu)良的抗壓性能，但由于其抗拉強(qiáng)度相對較低，因此在受拉區(qū)域容易出現(xiàn)裂縫。這些裂縫可能會在梁板受荷時(shí)擴(kuò)大，從而影響結(jié)構(gòu)的整體性能和加固效果。同時(shí)，超高性能纖維混凝土與原構(gòu)件之間的黏結(jié)界面是加固過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但是界面黏結(jié)不牢固，會導(dǎo)致應(yīng)力傳遞不連續(xù)，從而降低加固效果。

1.2 材料質(zhì)量問題

超高性能纖維混凝土的性能與原材料的質(zhì)量密切相關(guān)，由于原材料質(zhì)量不穩(wěn)定或存在缺陷，例如纖維分布不均勻、混凝土配合比不當(dāng)?shù)龋瑫?dǎo)致混凝土強(qiáng)度、耐久性等方面出現(xiàn)問題，從而影響加固效果[4]。

1.3 施工工藝及成本問題

超高性能纖維混凝土的施工工藝比較特殊，需要采用專門的施工設(shè)備和技術(shù)要求。如果施工工藝不正確或不規(guī)范，如澆筑方式不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)條件不合適等，會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻、強(qiáng)度不足等問題。同時(shí)，超高性能纖維混凝土相對于傳統(tǒng)的混凝土加固方法成本更高，因此會限制超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固工程中的應(yīng)用。

2 超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固應(yīng)用中的優(yōu)化措施

2.1 優(yōu)化受拉區(qū)裂縫及界面黏結(jié)

為了減少受拉區(qū)裂縫，必須在施工前對原構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析，確定合理的加固方案。同時(shí)，可以在受拉區(qū)添加鋼絲和纖維等增強(qiáng)材料，提高混凝土的抗拉性能。另外，需要加強(qiáng)施工過程中的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理裂縫問題；針對已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫可以采用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砑夹g(shù)，例如噴涂、貼布等，對已出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。

為了增強(qiáng)界面黏結(jié)，對原構(gòu)件表面進(jìn)行鑿毛、清理干凈，使表面平整、無油污、無松散物。同時(shí)，選用適當(dāng)?shù)慕缑嫣幚韯缁炷两缑鎰そY(jié)劑等，增強(qiáng)界面黏結(jié)力。在施工過程中，嚴(yán)格控制混凝土的澆筑和養(yǎng)護(hù)，確保混凝土與原構(gòu)件之間緊密貼合，加強(qiáng)施工過程中的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理界面黏結(jié)問題。

2.2 把控材料質(zhì)量

首先，嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量，選用質(zhì)量穩(wěn)定、符合要求的原材料，特別是一些材料的物理特性，常見的不同種類混凝土纖維材料的物理特性見表1[5]；其次，加強(qiáng)配合比設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)確定最優(yōu)的配合比方案；另外，加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制，確保混凝土的質(zhì)量穩(wěn)定，并對進(jìn)場的混凝土進(jìn)行質(zhì)量檢查，確保質(zhì)量符合要求。

2.3 優(yōu)化施工工藝及成本

為確保施工工藝的正確性和規(guī)范性，需要制定詳細(xì)的施工方案和技術(shù)要求，并且要加強(qiáng)施工人員的培訓(xùn)和技術(shù)交底，提高施工技能和責(zé)任心。同時(shí)，可以采用噴射施工、模板施工等專門的施工設(shè)備和技術(shù)，確保混凝土的澆筑質(zhì)量。并且加強(qiáng)施工過程中的質(zhì)量檢查和驗(yàn)收，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問題。

為了降低成本，可以優(yōu)化施工工藝和配方，降低原材料和生產(chǎn)成本；采用國產(chǎn)原材料代替進(jìn)口材料，降低采購成本；同時(shí)，在施工過程中加強(qiáng)工程管理和成本控制，避免浪費(fèi)和不必要的開支。

3 超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固應(yīng)用優(yōu)化措施的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

該研究選擇某高速公路上的一座公路橋梁作為案例進(jìn)行超高性能纖維混凝土的應(yīng)用分析和優(yōu)化措施驗(yàn)證。該橋梁使用年限已超過30年，結(jié)構(gòu)存在一定的損傷，需要進(jìn)行加固和修復(fù)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及實(shí)際方案分析，選擇鋼纖維混凝土來加固材料，現(xiàn)場原材料為工廠加工的干混成品，干混料采用噸袋包裝，每袋1 t，現(xiàn)場只需加水?dāng)嚢瑁渲谢炷僚浔戎谢旌狭稀娩摾w維∶水∶減水劑=52.5 kg∶2.5 kg∶3.45 kg∶0.60 kg，其他相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3.2 超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固技術(shù)措施分析

3.2.1 加鋪層長度的影響分析

為了分析超高性能纖維混凝土的應(yīng)用效果和驗(yàn)證優(yōu)化措施，通過對該項(xiàng)目的施工及性能數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。由于在主梁鋪裝行車荷載的作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力大小不清楚，因此，該工程采用有限元模擬的方法對鋼纖維混凝土加鋪層具體結(jié)構(gòu)長度和厚度進(jìn)行確定。在驗(yàn)證時(shí)，主要將不同鋼纖維混凝土沿跨度方向長度、加鋪厚度、跨徑長度作為變量進(jìn)行分析研究。在加鋪厚度一定，跨徑長度分別為10 m、20 m和30 m時(shí)，不同鋼纖維鋪設(shè)長度的應(yīng)力分析如圖1～3所示。

從圖1中可以看出，鋼纖維混凝土各方向的應(yīng)力隨著鋼纖維混凝土沿跨度方向長度的增加而逐漸減小。其中當(dāng)鋼纖維混凝土沿跨度方向長度為50 cm時(shí)為各應(yīng)力的分界點(diǎn)，當(dāng)長度小于50 cm時(shí)，各應(yīng)力降幅較快；當(dāng)長度大于50 cm時(shí)，各應(yīng)力降幅逐漸平緩，使得加鋪層長度即使增加對各混凝土加鋪層應(yīng)力的影響程度相對較小，但是如果增加加鋪層長度會使得成本大幅增加，從使用性能方向考慮在跨度為10 m時(shí)加鋪層長度為50 cm是最理想的，并且在加鋪層長度為50 cm時(shí)加鋪層的有效應(yīng)力為0.9 MPa，而鋼纖維混凝土的極限拉應(yīng)力為3 MPa，此時(shí)有效應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼纖維混凝土的極限拉應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)要求。

從圖2中可以看出，鋼纖維混凝土各方向的應(yīng)力隨著鋼纖維混凝土沿跨度方向長度的增加而逐漸減小。其中當(dāng)鋼纖維混凝土沿跨度方向長度為75 cm時(shí)為各應(yīng)力的分界點(diǎn)，當(dāng)長度小于75 cm時(shí)，各應(yīng)力降幅較快；當(dāng)長度大于75 cm時(shí)，各應(yīng)力降幅逐漸平緩，使得加鋪層長度即使增加對各混凝土加鋪層應(yīng)力的影響程度相對較小，但是如果增加加鋪層長度會使得成本大幅增加，從使用性能方向考慮在跨度為20 m時(shí)加鋪層長度為75 cm是最理想的，并且在加鋪層長度為75 cm時(shí)加鋪層的有效應(yīng)力為0.4 MPa，而鋼纖維混凝土的極限拉應(yīng)力為3 MPa，此時(shí)有效應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼纖維混凝土的極限拉應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)要求。

從圖3中可以看出，鋼纖維混凝土各方向的應(yīng)力隨著鋼纖維混凝土沿跨度方向長度的增加而逐漸減小。其中當(dāng)鋼纖維混凝土沿跨度方向長度為100 cm時(shí)為各應(yīng)力的分界點(diǎn)，當(dāng)長度小于100 cm時(shí)，各應(yīng)力降幅較快；當(dāng)長度大于100 cm時(shí)，各應(yīng)力降幅逐漸平緩，使得加鋪層長度即使增加對各混凝土加鋪層應(yīng)力的影響程度相對較小，但是如果增加加鋪層長度會使得成本大幅增加，從使用性能方向考慮在跨度為30 m時(shí)加鋪層長度為100 cm是最理想的，并且在加鋪層長度為100 cm時(shí)加鋪層的有效應(yīng)力為0.6 MPa，而鋼纖維混凝土的極限拉應(yīng)力為3 MPa，此時(shí)有效應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼纖維混凝土的極限拉應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 加鋪層厚度的影響分析

保持跨徑不變，分別分析加鋪層長度為50 cm、75 cm和100 cm時(shí)鋪設(shè)厚度不同對加鋪層應(yīng)力的影響，具體分析結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以得出，當(dāng)鋼纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層長度相同時(shí)，加鋪層對應(yīng)的有效應(yīng)力隨著加鋪層厚度的增加而逐漸減小；另外，當(dāng)鋼纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層厚度相同時(shí)，有效應(yīng)力隨著加鋪層長度的增加而逐漸變平緩且減小。結(jié)合對加鋪層長度的影響分析得出，在加鋪層厚度一定、跨徑小于15 m時(shí)，加鋪層長度選用50 cm；在加鋪層厚度一定、跨徑大于15 m并小于25 m時(shí)，加鋪層長度選用75 cm；在加鋪層厚度一定、跨徑大于25 m時(shí)，加鋪層長度選用100 cm。

4 結(jié)論

超高性能纖維混凝土作為一種新型建筑材料，在公路橋梁加固中具有廣泛的應(yīng)用前景。該文通過實(shí)例對超高性能纖維混凝土進(jìn)行了分析，具體結(jié)論如下：

（1）在保持鋪設(shè)厚度不變的情況下，超高性能纖維混凝土在跨徑10 m下加鋪層最佳的應(yīng)力點(diǎn)是加鋪層長度50 cm，在跨徑20 m下加鋪層最佳的應(yīng)力點(diǎn)是加鋪層長度75 cm，在跨徑30 m下加鋪層最佳的應(yīng)力點(diǎn)是加鋪層長度100 cm，也就是說，加鋪長度隨著跨徑的增大而不斷增加。

（2）當(dāng)超高性能纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層長度相同時(shí)，加鋪層對應(yīng)的有效應(yīng)力隨著加鋪層厚度的增加而逐漸減小；另外，當(dāng)鋼纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層厚度相同時(shí)，有效應(yīng)力隨著加鋪層長度的增加而逐漸變平緩且減小。

（3）在加鋪層厚度一定、跨徑小于15 m時(shí)，加鋪層長度選用50 cm；在加鋪層厚度一定、跨徑大于15 m并小于25 m時(shí)，加鋪層長度選用75 cm；在加鋪層厚度一定、跨徑大于25 m時(shí)，加鋪層長度選用100 cm。

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