基于高性能混凝土与普通混凝土组合桥面结构加固方法的应用研究

许慧

（中铁一局集团有限公司广州分公司）

0 引言

受过往技术的局限，目前建设年代较早的高速公路旧桥箱梁悬臂结构普遍存在以下问题：旧桥箱梁悬臂承载能力不足或裂缝宽度超限；箱梁悬臂的长度普遍较长，结构尺寸偏小，配筋偏弱；旧桥护栏防撞等级低，护栏高度不足，难以保障高速公路上的行车安全。因此对旧桥箱梁悬臂现状改造利用旧路的改造工程，迫在眉睫。

目前对旧箱梁悬臂结构的改造通常采用的方法包括：①将悬臂部分或整体拆除，然后重新进行建造；②在箱梁悬臂结构上加设加固支承结构。

以上两种加固结构虽然加固效果良好，但由于施工过程与操作全程位于悬臂下缘，因而在施工过程中需要借助一定的大型施工设备才能完成，在一定程度上制约施工的效率，无法满足快速改造的需求。

本文结合沈阳至海口国家高速公路阳江至茂名段的两座连续梁箱梁的悬臂结构加固改造，提出一种公路桥梁悬挑结构的改造加固方法，该方法的施工位置主要位于箱梁顶以及桥面之上，施工过程简单，无需依赖大型施工设备，能够加快施工效率，并且加固后的承载能力提高明显，能适应公路发展的需求。

1 工程概况

本工程项目为沈阳至海口国家高速公路阳江至茂名段改扩建项目，由于交通流量的增长，目前公路道路宽度不足以支撑区域交通发展，需要对原有道路进行拓宽为双向八车道设计。原旧桥设计为：阳阳铁路跨线桥（17+27+20+12.268m），南水河大桥（3×20+2×25+2×20）m，主线原桥面28m，双向四车道设计。拼宽桥设计为：采用在旧路两侧拼接加宽的方式进行改扩建，对上部结构进行维修加固与新桥上部结构拼接，下部结构保持分离的方式进行拓宽。将旧桥中分带内侧护栏调整为SAm级F型墙式护栏。旧桥箱梁长悬臂标准断面如图1所示。

图1 旧桥箱梁长悬臂标准断面图（单位：cm）

2 改造前的悬挑结构验算分析

旧桥悬臂采用C40混凝土，护栏采用C30混凝土，其性能参数按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）有关规定确定。旧桥悬臂上下缘分别布置直径为16mm 和12mm 的HRB335 普通钢筋，其性能参数按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）有关规定确定。防撞护栏按荷载和按结构参与受力两种情况来分析受力状况。

2.1 护栏按荷载参与结构受力计算

车辆活载计算按车轮作用平行于悬臂板跨径方向的车轮着地尺寸的外缘，通过铺装层45°分布线的外边线至腹板外边缘的距离lc=2.15m，符合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）第4.2.5条的规定。荷载恒载计算如表1所示，按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）的规定，基本组合下，按“1.2×恒载+1.8×（1+0.3）×活载”荷载组合下的计算悬臂结构的设计内力，内力计算如表2所示。

表1 荷载恒载计算

表2 内力计算

每延米悬臂板宽度内，上缘钢筋8 根，下缘钢筋7根，得到截面抗弯承载力约为-168kN·m，抗弯承载能力不满足规范要求，欠缺约6.44%。矩形截面受弯构件计算 截 面 剪 力 为105.45kN，小 于0.50 × 10-3a2ftdbh0= 316.8kN，可不进行斜截面抗剪承载力的验算。按桥梁设计规范，正常使用极限状态下，截面上缘的裂缝宽度约为0.264mm，超过规范容许裂缝宽度0.2mm，不能满足规范要求。

2.2 护栏按结构参与受力计算

采用有限元软件ANSYS 建立了旧桥悬臂在护栏更换后的计算模型。悬臂结构及护栏结构均采用solid45 单元模拟，结构自重按照结构的实际尺寸进行计算，钢筋混凝土材料的容重取为26kN/m3。同时，计入桥梁中分带处盖板重量，盖板高度以8cm 计入。桥面铺装采用10cm 厚沥青混凝土，沥青混凝土材料的容重取为24 kN/m3。采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中的车辆荷载，并计入冲击系数0.3。

计算旧桥侧悬臂根部截面，截面的纵桥向长度取为1m，提取截面高度上各节点应力计算结果。基本组合下，模型的应力分布情况如图2、图3所示。旧桥悬臂根部截面位置上缘受拉，最大拉应力值约为5.42MPa；下缘受压，最大压应力值约为4.68MPa。

图2 旧桥悬臂上缘应力分布（单位：Pa）

图3 旧桥悬臂下缘应力分布（单位：Pa）

根据相关规范要求，考虑结构重要性系数1.1，采用荷载组合“1.2×结构自重+1.8×(1+0.3)×活载”，得到截面在各工况下的承载能力验算，如表3所示。

表3 承载能力验算

计算结果表明，旧桥侧悬臂根部截面的承载能力不满足相关规范要求，欠缺约7.98%。

综合将护栏作为荷载考虑和将护栏作为结构考虑两种情况的结构验算，悬臂根部的承载能力均不满足规范要求。

3 基于高性能混凝土加固悬挑结构的加固方法

箱梁翼缘板的承载力不足，主要原因为翼缘板顶部原有的普通钢筋配筋率过低、翼缘板根部尺寸偏小。一般可采用顶部粘贴钢板解决此问题，但是粘贴钢板加固后，与桥面沥青铺装的粘结性差，易出现桥面病害。本项目采用了一种基于高性能混凝土与普通混凝土组合桥面结构加固方法。高性能混凝土有超强的抗拉能力以及与普通混凝土和桥面沥青铺装的良好粘结性能，可以很好地解决翼缘板承载力不足的问题，且其具备免高温蒸汽养生的性能。该方法可利用旧桥悬臂，不改变桥面铺装形式，在原有结构基础上进行加固。具体方法为：先刨除沥青砼铺装层，再凿除箱梁顶板2cm 砼，铺设10×10mm 的钢筋网，在挑臂390cm（根据计算需要可调整）上表面铺设6～8cm 厚的高性能混凝土。该改造加固方法的施工位置主要位于箱梁顶以及桥面之上，施工过程简单，无需依赖大型施工设备，能够加快施工效率，并且加固后的承载能力提高明显。箱梁悬臂加固护栏改造一般构造和钢筋构造布置图如图4、如图5所示。

图4 箱梁悬臂加固护栏改造一般构造示意图（单位：cm)

图5 箱梁悬臂加固护栏改造钢筋构造布置示意图（单位：cm)

3.1 悬臂结构承载能力验算和裂缝宽度分析

3.1.1 材料参数

旧桥悬臂采用C40 混凝土，其性能参数按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）有关规定确定。

旧桥悬臂上下缘分别布置直径为16mm的HRB335普通钢筋，高性能混凝土中布置直径为12mm 的HRB400 普通钢筋。其性能参数按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）有关规定确定。

根据上文“改造前的悬挑结构验算分析计算结果”，计算内力效应，叠加高性能混凝土重量，得到板端最终效应值为188.84kN.m/m。

3.1.2 有限元计算分析

采用非线性有限元软件ABAQUS 建立混凝土悬臂板和高性能混凝土加固板计算模型，普通混凝土和高性能混凝土使用C3D8R 单元模拟，钢筋使用T3D2 单元模拟。高性能混凝土和加固板有限元模型如图6 所示。在均布荷载作用下，使用混凝土悬臂板加固悬臂板模型正应力分布情况如图7所示。

图6 高性能混凝土和加固板计算模型

图7 混凝土悬臂板和加固板应力图

⑴加固板使用C40混凝土

不同加载时间时，应力和应变如图8所示：

根据图8可以得出：

图8 混凝土悬臂板加固计算结果

加载至0.4s 时，均布荷载值为24kN/m2，固定端弯矩为87.84kN·m/m，混凝土加固板开始出现裂缝。

加载至0.6s 时，均布荷载为36kN/m2，固定端弯矩为131.22kN·m/m，混凝土悬臂板开始产生裂缝。

加载至1.7s 时，均布荷载为102kN/m2，固定端弯矩为371.79kN·m/m，此时混凝土悬臂板底部被压碎且钢筋开始屈服。

⑵加固板使用高性能混凝土

在均布荷载作用下，使用高性能混凝土板加固悬臂板模型正应力分布情况如图9所示。

图9 高性能混凝土加固板正应力

不同加载时间时，应力和应变如图10所示：

根据图10可以得出：

图10 高性能混凝土板加固悬臂板计算结果

加载至1.25s 时，均布荷载值为68.86N/m2，固定端弯矩为251.00kN·m/m，开始出现裂缝。

加载至1.75s 时，均布荷载为103.78kN/m2，固定端弯矩为378.28KN·m/m，此时高性能混凝土开始产生裂缝。

加载至2.45s 时，均布荷载为143.73kN/m2，固定端弯矩为523.445kN·m/m，此时混凝土悬臂梁下端被压碎。

加载至2.55s 时，均布荷载为148kN/m2，固定端弯矩为537.962kN·m/m，此时悬臂板和高性能混凝土中的钢筋均出现屈服。

3.2 验算结果

⑴使用高性能混凝土加固的悬臂板，弯矩达到251kN·m/m 时混凝土才会出现裂缝，相对于使用普通混凝土加固的悬臂板，出现裂缝时的弯矩大了三倍。说明使用高性能混凝土加固可以增强混凝土的抗裂能力，极限抗力是普通混凝土材料加固的1.45 倍，极大地增加了极限承载能力。

⑵在短期组合荷载作用下板端弯矩为92.85kN·m/m，而使用高性能混凝土加固后，悬臂板在弯矩达到251kN·m/m 时才会出现裂缝。说明在短期荷载作用下，用高性能混凝土加固悬臂板并未出现裂缝，能够大幅度提高耐久性能。

⑶使用高性能混凝土加固后悬臂板极限承载力为537.962kN·m/m，是基本组合荷载效应的2.8 倍，具有充分的抗力富余。

综上所述，悬臂板采用高性能混凝土加固方式，悬臂板的承载能力和抗裂能力明显提高。

4 结束语

本项目在利用旧桥悬臂和不改变桥面铺装形式的前提下，基于高性能混凝土与普通混凝土组合桥面结构的加固方法，取得了良好的施工和经济效果，可为今后同类型桥梁的加固设计和施工提供参考和借鉴。