超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固中的應(yīng)用分析

許秀穎，賈 影，時國松

（1.北京交通大學(xué) 海濱學(xué)院，河北 黃驊 061100； 2.北京交通大學(xué) 土建學(xué)院，北京 100000）

0 引言

目前，我國大量在役橋梁達(dá)到或超過使用年限，急需要對橋梁進(jìn)行維修和加固處理［1］。如采用簡支梁連續(xù)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換加固法對各類中、小跨徑的簡支梁橋的加固，有效提升了梁橋的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但該類方法導(dǎo)致支座負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂，影響橋梁耐久性［2-4］。隨著技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)加固方法的基礎(chǔ)上，一些新型的加固材料被應(yīng)用于橋梁加固與檢測領(lǐng)域中［5-7］。纖維復(fù)合材料，因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、工藝簡單的優(yōu)勢，被用于提高混凝土的使用性能［8-10］。在普通混凝土中加入適量鋼纖維或其他金屬纖維增強(qiáng)材料［11］，能夠有效提升普通混凝土的抗拉、抗剪和抗沖擊強(qiáng)度［12-14］，橋梁的抗疲勞、開裂后韌性也能大幅提高［15］。本文選擇我國數(shù)量龐大的T型簡支梁橋為對象，通過有限元方法建立鋼纖維混凝土橋梁構(gòu)造的塊體數(shù)值模型，分析不同鋼纖維設(shè)計參數(shù)下橋梁的應(yīng)力狀態(tài)，獲得鋼纖維混凝土鋪裝加固層合理的設(shè)計長度和厚度。

1 鋼纖維橋面段構(gòu)造分析

1.1 梁端橋面連續(xù)段構(gòu)造

簡支梁橋面連續(xù)段是由不同簡支主梁根據(jù)相同主梁跨徑，將相同類型的主梁鋪裝層連接成連續(xù)構(gòu)造形式，僅在橋臺或過渡墩設(shè)置少量伸縮縫來實現(xiàn)連續(xù)梁橋面的平順［16］。橋面連續(xù)構(gòu)造處于簡支梁橋變形較大處，受力形式復(fù)雜，且在實際設(shè)計施工過程中，橋面連續(xù)構(gòu)造往往受限于設(shè)計人員的主觀性，導(dǎo)致使用過程中容易出現(xiàn)拉應(yīng)力過大而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，造成橋面鋪裝層破壞［17］。針對于此，采用鋼纖維混凝土作為簡支梁橋面連續(xù)加固材料，最大程度的減小墩頂處橋面鋪裝的開裂程度，保證橋面平順特性。如圖1為橋面連續(xù)段示意圖。

圖1 橋面連續(xù)構(gòu)造示意圖Figure 1 Schematic diagram of continuous construction of bridge deck

圖1中，在主梁和橋面鋪裝層鋪設(shè)塑料薄膜隔離，其中S為隔離長度，d為鋼纖維混凝土鋪裝厚度，h為主梁高度。在橋面連續(xù)段鋪裝層梁端2～3 m縱向鋼筋包扎柔性材料墊層來隔離鋼筋和混凝土，兩片主梁接縫處鋼筋網(wǎng)片連續(xù)不斷開，并在混凝土最表層鋪設(shè)一定厚度瀝青混凝土作為磨耗層，避免伸縮部位形成的開裂傳到混凝土面層。這種結(jié)構(gòu)大大提高了橋面抵抗梁端變形程度，降低了應(yīng)力集中現(xiàn)象。但是對于主梁二期鋪裝和汽車荷載作用下引起的應(yīng)力未知，因此需要確定鋼纖維混凝土加鋪層具體結(jié)構(gòu)長度和厚度。基于此，選擇部分代表長度的T型梁橋分析不同鋼纖維橋面加鋪層長度和厚度下橋梁的應(yīng)力狀態(tài)。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)模型建立

采用公路結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用較多的MIDAS／Civil建立簡支梁橋的有限元模型。該軟件提供了不同類型的單元個建立三維實體模型。本文中考慮到簡支梁橋結(jié)構(gòu)特征和計算量，采用SOLID45塊體單元模擬。橋梁縱向×橫向×豎向單元尺寸為0.2 m×0.1 m×0.1 m。全橋共劃分為45 245個單元，64 325個節(jié)點，如圖2為建立的簡支梁結(jié)構(gòu)離散圖。

圖2 簡支梁結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖Figure 2 Grid diagram of simply supported beam structure

由于鋼纖維混凝土鋪裝測和主梁橋面板隔離，采用受壓彈簧單元模擬鋼纖維混凝土層和主梁的鏈接方式，單元體只傳遞軸向壓力，不形成彎曲剛度，連接點上無旋轉(zhuǎn)自由度，因此采用剛性連接。模型的材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表Table 1 Material parameter table

1.3 橋梁加載形式

根據(jù)鋼纖維自適應(yīng)力混凝土加固橋梁情況。設(shè)計：一期荷載、二期荷載、三期荷載。其中一期荷載為原T梁自重荷載；二期荷載為T梁荷載＋鋪裝層自重＋防撞墻、護(hù)欄、燈飾＝72 kN／m。三期荷載為二期荷載＋車輛動荷載，其中車輛荷載根據(jù)JTG D60-2004規(guī)定中選定車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值。可以看出，一期、二期荷載均為靜荷載，三期荷載為動荷載。

2 結(jié)果與討論

采用鋼纖維混凝土沿跨度方向長度L，鋪設(shè)厚度d，預(yù)制梁高度h為變量，分析兩跨間鋼纖維混凝土鋪裝層產(chǎn)生的拉應(yīng)力狀態(tài)分析。獲得L、d和h間的關(guān)系。對于跨徑10 m，對應(yīng)梁高h(yuǎn)＝0.9 m；相應(yīng)的有跨徑14 m，h＝1.3 m；跨徑20 m，h＝1.5 m；跨徑30 m，h＝2 m；跨徑40 m，h＝2.5 m。

2.1 加鋪層長度的影響

首先加鋪層厚度一定，即d＝8 m時，跨徑10 m時，獲得不同鋼纖維混凝土鋪設(shè)長度L下模型的應(yīng)力狀態(tài)，如表2所示。

表2 跨徑10 m的鋼纖維混凝土加鋪層應(yīng)力參數(shù)表Table 2 Stress parameter table of steel fiber reinforced concrete overlay with span of 10 m

從表2中可以看出，當(dāng)d＝8 cm時，隨著裝鋪層長度L的增加，各向應(yīng)力均逐漸減小。當(dāng)加鋪層長度在較小值內(nèi)增加時，應(yīng)力減少值明顯，L＞50 cm后，隨著加鋪層長度增加，各應(yīng)力值的降幅逐漸縮小，最后趨于平緩。當(dāng)L＝50 cm時，獲得的加鋪層有效應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼纖維混凝土的極限拉應(yīng)力3 MPa，如圖3所示。此時再增加L時，對應(yīng)力狀態(tài)的影響幅度相對較小，但增加加鋪層長度導(dǎo)致成本上升，從使用性能和安全狀態(tài)考慮，L＝50 cm時能獲得較為理想的結(jié)果。

圖3 L＝50 cm加鋪層拉應(yīng)力云圖Figure 3 Tensile stress cloud diagram of L＝50 cm overlay

表3為d＝8 m時，跨徑20 m時，獲得不同鋼纖維混凝土鋪設(shè)長度L下，模型各位置方向的應(yīng)力狀態(tài)。

表3 鋼纖維混凝土加鋪層應(yīng)力參數(shù)表Table 3 Table of stress parameters of steel Fiber reinforced concrete overlay

當(dāng)d＝8 cm，跨徑為20 m時，各向應(yīng)力隨著裝鋪層長度L的增加均逐漸減小，且后期減小幅度逐漸趨緩。當(dāng)L＝75 cm時，獲得的加鋪層有效應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼纖維混凝土的極限拉應(yīng)力3 MPa，如圖4所示，此時從使用性能和安全狀態(tài)考慮，L＝75 cm時能獲得較為理想的結(jié)果。

圖4 L＝75 cm加鋪層拉應(yīng)力云圖Figure 4 Tensile stress cloud diagram of L＝75 cm overlay

表4為d＝8 m，跨徑30 m時，獲得不同鋼纖維混凝土鋪設(shè)長度下模型的應(yīng)力狀態(tài)。

表4 鋼纖維混凝土加鋪層應(yīng)力參數(shù)表Table 4 Stress parameter table of steel fiber reinforced concrete overlay

當(dāng)d＝8 cm，跨徑為30 m時，各向應(yīng)力隨著裝鋪層長度L的增加均逐漸減小，且后期減小幅度逐漸趨緩。當(dāng)L＝100 cm時，獲得的加鋪層有效應(yīng)力滿足安全使用要求，此時從使用性能和安全狀態(tài)考慮，L＝100 cm時能獲得較為理想的結(jié)果。

當(dāng)d＝8 cm時，比較跨徑分別為10、20、30 m下鋼纖維混凝土加鋪層對應(yīng)的理想長度分別為50、75、100 cm可以看出，隨著跨徑的增大，對應(yīng)的加鋪層長度也在不斷增加。

圖5 L＝100 cm加鋪層拉應(yīng)力云圖Figure 5 L＝100 cm overlay layer tensile stress nephogram

2.2 加鋪層厚度的影響

跨徑10 m，加鋪層長度為50、75、100 cm時，獲得不同鋼纖維混凝土鋪設(shè)厚度下模型各位置方向的應(yīng)力狀態(tài)，如表6所示。從表中可以看出，不同的跨徑下的各應(yīng)力均保持在一定范圍內(nèi)較小的變化，整體趨于平緩。

表5 不同加鋪層長度的加鋪層應(yīng)力Table 6 Stress of overlay layer with different length of overlay layer

對于相同鋼纖維混凝土厚度梁橋，在三期荷載作用下，鋼纖維混凝土連續(xù)梁端附近產(chǎn)生最大拉應(yīng)力。分析鋼纖維混凝土厚度d＝8、10、12 cm，獲得對應(yīng)梁高下的鋼纖維混凝土板有效應(yīng)力如圖6所示。

可以看出，當(dāng)鋼纖維混凝土厚度一定時，在相同跨徑下，隨著鋪裝長度的增大，有效應(yīng)力逐漸較小，最終趨于平緩。當(dāng)加鋪層厚度一定時，有效拉應(yīng)力隨著跨徑的增加而不斷增大；當(dāng)鋼纖維混凝土長度、跨徑一定時，隨著鋪裝厚度的增加，有效應(yīng)力呈現(xiàn)出一個逐漸下降的變化趨勢，橋面連續(xù)厚度越大，跨徑越大，則隨著鋪裝長度的增大，梁橋的有效應(yīng)力收斂也就越快。因此，根據(jù)相應(yīng)的模型數(shù)據(jù)，針對不同鋼纖維混凝土鋪裝厚度下，推薦相應(yīng)的鋪裝長度見表6。

圖6 不同鋪裝厚度下的加鋪層有效應(yīng)力云圖Figure 6 Effective stress cloud diagram of overlay layer with different pavement thickness

表6 不同跨徑下的鋼纖維混凝土設(shè)計長度Table 6 Design length of steel fiber concrete under different span

3 結(jié)論

a.對于T型簡支梁，當(dāng)鋼纖維混凝土鋪裝長 度和厚度一定時，隨著跨徑增加，鋼纖維鋪裝橫截面拉應(yīng)力逐漸增加；當(dāng)厚度和跨徑一定時，隨著加鋪層長度增加，橫截面拉應(yīng)力下降，最終趨于平穩(wěn)。

b.根據(jù)T型簡支梁結(jié)構(gòu)，考慮安全性能和經(jīng)濟(jì)性價比，確定鋼纖維混凝土加鋪層長度取值為50～100 cm，加鋪層厚度為8～12 cm。