超高性能纖維混凝土在路橋加固施工中的應(yīng)用

中圖分類號(hào)U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)2096-8949（2025）08-0098-03

0 引言

隨著橋梁的長期使用，結(jié)構(gòu)材料的老化和環(huán)境因素的影響會(huì)導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)各種病害，如裂縫、銹蝕和局部破損等。這些問題嚴(yán)重威脅橋梁的安全性和耐久性，特別是在承載重型車輛時(shí)，結(jié)構(gòu)的變形和受力情況需要重新評(píng)估。為了延長橋梁的使用壽命，保證其在未來的重載交通條件下仍能安全運(yùn)營，采用合適的加固方案尤為重要。該文以一座2007年建造的橋梁為例，提出并分析了利用超高性能纖維混凝土進(jìn)行加固的可行性和效果，重點(diǎn)探討了材料選用、施工技術(shù)及加固后的承載力評(píng)定。

1 工程概況

該工程橋梁建于2007年末，全長 1 2 5 . 8 m 。經(jīng)過十多年使用后，出現(xiàn)混凝土裂縫、護(hù)欄破損、泄水管銹蝕等病害。橋梁矢跨比0.124，主孔徑跨 1 0 0 m ，凈矢高 結(jié)構(gòu)為圓弧線形鋼筋混凝土箱形拱，拱寬 7 . 6 m ，高 1 . 6 m 。拱圈邊孔、上腹孔等為矩形實(shí)體板。為提高整體質(zhì)量，滿足汽車-超20級(jí)荷載要求，工程中擬采用超高性能混凝土加固。主要方案包括：（1）橋面系超高性能纖維混凝土加固；（2）拱圈壓力灌注修復(fù)裂縫；（3）更換護(hù)欄并防腐處理泄水系統(tǒng)。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí)，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60—2015），其設(shè)計(jì)車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)軸重為 加固后需滿足[1]：

式中， —設(shè)計(jì)彎矩（ k Nm， ）； —極限承載力彎矩（kNm）； ——抗彎承載力抗力分項(xiàng)系數(shù)，取0.95。

2超高性能纖維混凝土加固材料與配合比設(shè)計(jì)

2.1 鋼纖維選擇

該工程選用剪切鋼纖維作為加固材料。剪切鋼纖維優(yōu)點(diǎn)：（1）抗拉強(qiáng)度高，可達(dá) 2 0 0 0 M P a 以上；（2）與基體黏結(jié)性能好，提高抗裂性；（3）彈性模量高，增強(qiáng)抗彎、抗沖擊性能。試驗(yàn)對(duì)比顯示，剪切鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度提高 30 % ，抗折強(qiáng)度提高 50 % 。而熔抽鋼纖維僅能提高 1 5 % ～ 2 5 % 。考慮橋梁復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，選用直徑 0 . 5 m m 、長度 3 0 m m 剪切鋼纖維。纖維長徑比 λ 計(jì)算如下：

式中， λ -纖維長徑比； —纖維長度（mm）； —纖維直徑（mm）。

長徑比60可確保纖維與基體充分黏結(jié)，同時(shí)避免成團(tuán)。纖維臨界長度 （mm）計(jì)算：

式中， （20 纖維抗拉強(qiáng)度（MPa）； 纖維直徑（mm）； τ 界面剪切強(qiáng)度（MPa）。

當(dāng) 時(shí)，纖維可充分發(fā)揮增強(qiáng)作用。經(jīng)計(jì)算，該工程選用纖維長度滿足要求。

2.2 鋼纖維添加量設(shè)計(jì)

鋼纖維添加量對(duì)混凝土性能影響顯著，需優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)研究表明，隨纖維量增加，坍落度下降，原因是：（1）增加比表面積，材料與水接觸更充分；（2）纖維橋接增強(qiáng)摩擦力，降低流動(dòng)性。進(jìn)行 0 . 5 % ～ 3 % 不同含量試驗(yàn)，結(jié)果如表1[2]。

分析可知， 0 . 5 % 以下改性效果不明顯，隨含量增加，強(qiáng)度上升但增幅減小。考慮性能和造價(jià)，確定添加量為 2 % 。此時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高 2 8 . 1 % ，抗折強(qiáng)度提高5 2 . 6 % ，計(jì)算如下：

抗壓強(qiáng)度提高率 = （ 8 3 . 5 - 6 5 . 2 ） / 6 5 . 2 × 1 0 0 % = 2 8 . 1 % 抗折強(qiáng)度提高率 = （ 1 1 . 9 - 7 . 8 ） / 7 . 8 × 1 0 0 % = 5 2 . 6 %

該含量下混凝土具有良好和易性，同時(shí)顯著提高力學(xué)性能。

2.3 鋼纖維長徑比設(shè)計(jì)

鋼纖維的長徑比對(duì)混凝土增強(qiáng)效果至關(guān)重要。通過對(duì)比不同長徑比的鋼纖維（42、52、62），測試其對(duì)抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響。表2展示了測試結(jié)果。

從表中可以看出，長徑比為62的鋼纖維在抗壓、抗剪和抗彎強(qiáng)度方面表現(xiàn)最佳。例如：

強(qiáng)度提升率 = （ 3 2 . 9 - 3 0 . 1 ） / 3 0 . 1 × 1 0 0 % = 5 . 9 8 % 抗剪強(qiáng)度提升率 = （ 6 . 6 4 - 5 . 6 ） / 5 . 6 × 1 0 0 % = 1 8 . 5 7 % 抗彎強(qiáng)度提升率 = （ 4 . 2 - 3 . 2 ） / 3 . 2 × 1 0 0 % = 3 1 . 2 5 %

因此，最終確定選用長徑比62的鋼纖維，以獲得更好的力學(xué)性能。

2.4 鋼纖維分布均勻性

鋼纖維在混凝土中的分布均勻性直接影響其增強(qiáng)效果。為了確保纖維均勻分布，需在攪拌過程中嚴(yán)格控制攪拌時(shí)間和轉(zhuǎn)速。研究發(fā)現(xiàn)，攪拌時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致纖維聚集，而攪拌時(shí)間過長則可能破壞纖維結(jié)構(gòu)[3]。因此，推薦攪拌時(shí)間為 5 m i n ，轉(zhuǎn)速控制在 6 0 ～ 8 0 r / m i n 。通過試驗(yàn)得出不同攪拌時(shí)間對(duì)混凝土性能的影響，如表3所示。

2.5超高性能混凝土（UHPC）拱圈加固設(shè)計(jì)

拱圈加固采用超高性能混凝土（UHPC）技術(shù)，該材料具有極高的抗壓和抗折強(qiáng)度，可顯著提升橋梁的承載力和耐久性。加固設(shè)計(jì)的核心是確保拱圈在承受車輛荷載時(shí)不發(fā)生過度變形。為此，需要對(duì)拱圈的極限承載力進(jìn)行校核。設(shè)計(jì)思路如下：

計(jì)算橋梁原始結(jié)構(gòu)的承載力，確定是否滿足當(dāng)前規(guī)范要求。根據(jù)加固后的UHPC力學(xué)性能參數(shù)，重新計(jì)算加固后結(jié)構(gòu)的承載力。假設(shè)拱圈結(jié)構(gòu)的荷載為均布荷載 q 拱圈彎矩的計(jì)算公式為：

式中， M 彎矩 ； q -均布荷載 （ N/ m） ；L 一跨度（m）。

UHPC加固后的極限承載力計(jì)算時(shí)，考慮到UHPC的抗彎強(qiáng)度 則加固后的承載力為：

式中， —加固后承載力（N·m）； UHPC的抗彎強(qiáng)度（MPa）； S —拱圈的截面模量（ ）。

通過承載力對(duì)比，即滿足設(shè)計(jì)要求：

式中， —實(shí)際設(shè)計(jì)彎矩 ， 加固后承載力 ）。經(jīng)過計(jì)算和校核，橋梁加固后在各類荷載工況下滿足設(shè)計(jì)要求。

3超高性能纖維混凝土加固施工

3.1混凝土拌和

在橋梁加固中，超高性能纖維混凝土（UHPC）的拌和過程對(duì)材料性能至關(guān)重要。UHPC拌和時(shí)使用高效攪拌設(shè)備，以確保纖維、骨料和其他組分充分混合。典型的UHPC配合比中，水膠比較低，纖維含量較高，這要求更長的攪拌時(shí)間。通常，攪拌時(shí)間應(yīng)達(dá)到10分鐘以上，攪拌時(shí)應(yīng)注意避免骨料的分層現(xiàn)象。控制好攪拌溫度也是關(guān)鍵，過高的溫度可能影響混凝土的流動(dòng)性和性能。攪拌完成后，應(yīng)迅速將混凝土倒入運(yùn)輸設(shè)備，避免因時(shí)間延誤而影響混凝土質(zhì)量。

3.2 混凝土運(yùn)輸

UHPC的運(yùn)輸同樣需要嚴(yán)格控制。由于其流動(dòng)性較好，長時(shí)間的運(yùn)輸可能導(dǎo)致材料分離，因此應(yīng)盡量減少運(yùn)輸時(shí)間。UHPC的保溫和密封性能必須得到保障，以防止外界氣溫影響其拌和質(zhì)量，尤其是在長距離運(yùn)輸中，外界溫度的波動(dòng)可能影響其凝固速度和最終性能。通常，UHPC運(yùn)輸時(shí)間應(yīng)控制在 6 0 m i n 以內(nèi)，并采用專用混凝土運(yùn)輸車，配備攪拌功能，以防止混凝土在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)離析[5]。

3.3混凝土攤鋪

攤鋪是UHPC施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，直接影響到橋梁加固的質(zhì)量。攤鋪時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的厚度和均勻性。通常，使用專業(yè)攤鋪機(jī)進(jìn)行施工，并應(yīng)盡量避免手工操作，保證攤鋪過程中的精確度。攤鋪時(shí)還要避免混凝土過分暴露在空氣中，特別是在高溫或低溫環(huán)境下，需采取保溫或降溫措施。為了確保攤鋪后的混凝土表面平整，應(yīng)在攤鋪后進(jìn)行初步找平工作。攤鋪后的混凝土應(yīng)迅速進(jìn)行后續(xù)工序，如振搗和表面處理，確保混凝土在凝固前達(dá)到最佳狀態(tài)[5]。

3.4結(jié)構(gòu)表面及切縫處理

在UHPC施工完成后，表面處理和切縫是保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)表面應(yīng)在混凝土初凝階段進(jìn)行抹平，避免出現(xiàn)不均勻的表面紋理。在高溫或低溫環(huán)境下，表面處理時(shí)需特別注意防止水分過度蒸發(fā)或凍融現(xiàn)象。切縫處理方面，橋梁加固后應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行合理切縫，以避免后期結(jié)構(gòu)在溫度或荷載變化下產(chǎn)生裂縫。通常，切縫深度應(yīng)控制在結(jié)構(gòu)厚度的1/4至1/3，并采用專用切割設(shè)備進(jìn)行精確切割，確保切縫質(zhì)量。

4基于荷載試驗(yàn)的加固后橋梁承載能力評(píng)定

4.1靜載試驗(yàn)方案

4.1.1荷載橫向分布系數(shù)

在橋梁結(jié)構(gòu)加固后，荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算對(duì)評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)受力均勻性有重要意義。對(duì)于該項(xiàng)目的大橋，其結(jié)構(gòu)由7片空心板梁組成，每片板通過企口縫和鉸縫連接。根據(jù)計(jì)算得到的截面剛度參數(shù)為0.0136，采用雙車道布置的荷載模型，并基于影響線理論，推導(dǎo)出各片梁在荷載作用下的橫向分布系數(shù)（見表4）。其中，3號(hào)板梁的荷載橫向分布系數(shù)最大，為0.3012，表明其承受的荷載比例最高。相反，1號(hào)板梁的荷載橫向分布系數(shù)最小，為0.2924，這使得1號(hào)板梁成為橫向最不利位置。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，可以得出橋梁不同截面的橫向分布特性。在后續(xù)設(shè)計(jì)中，通過合理優(yōu)化荷載分配方案，能夠提升橋梁的整體承載性能，減少局部應(yīng)力集中對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。

4.1.2承載能力綜合評(píng)定

橋梁的承載能力評(píng)定是通過靜載試驗(yàn)結(jié)合理論計(jì)算來進(jìn)行的。在靜載試驗(yàn)中，通過加載測定橋梁關(guān)鍵截面的位移、應(yīng)力等參數(shù)，并將其與理論值進(jìn)行對(duì)比。綜合評(píng)定過程中，采用如下公式來量化靜載和動(dòng)力性能的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)：

式中，n綜合 -靜載和動(dòng)力性能的綜合評(píng)定結(jié)果； η 靜靜載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)均值；？測、？規(guī)范—實(shí)測和規(guī)范中的沖擊系數(shù)。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)和規(guī)范值，表5給出了不同荷載工況下的沖擊系數(shù)和綜合評(píng)定結(jié)果。

由表5的評(píng)定結(jié)果可知，各工況下的綜合評(píng)定結(jié)果均小于1，表明橋梁在CFRP加固后，其承載能力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過這種綜合評(píng)定方法，能夠有效地考慮橋梁的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，確保加固后的橋梁能夠在實(shí)際荷載下安全工作。

4.2 加固效果分析

4.2.1 撓度變化規(guī)律及分析

撓度是衡量橋梁在荷載作用下的變形能力的重要指標(biāo)。在CFRP加固后，使用有限元仿真工具ANSYS對(duì)不同工況下的撓度進(jìn)行模擬分析，得出加固前后跨中截面的最大撓度變化情況（見表6）。最大撓度的降低表明橋梁的整體剛度增加，尤其是在工況2下，撓度降低率達(dá)到

4.2.2 應(yīng)力分析

重點(diǎn)分析了預(yù)應(yīng)力筋、混凝土以及CFRP材料的應(yīng)力變化情況（見表7）。結(jié)果表明，加固后梁底混凝土的最大拉應(yīng)力顯著降低，而最大壓應(yīng)力略有上升。

5結(jié)語

該文通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的全面分析，提出了以超高性能纖維混凝土加固橋梁的技術(shù)方案。研究結(jié)果表明：經(jīng)過鋼纖維增強(qiáng)混凝土的加固后，橋梁的整體承載力得到了明顯提升，各類荷載工況下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。尤其是橋梁的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及剛度均有顯著提高，確保了其在汽車一超20級(jí)荷載下的長期安全運(yùn)行。該文的研究為類似橋梁的加固設(shè)計(jì)提供了有效的技術(shù)參考。

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