双曲拱桥始建于20世纪60年代, 是在继承传统圬工拱桥特点的基础上, 发展演变出的一种时代特色鲜明的桥梁结构。由于其施工便捷、便于就地取材等, 在物资相对匮乏的年代被广泛应用。据统计, 在20世纪60—80年代修建的双曲拱桥数量达4 000余座, 占同期桥梁总数的25%左右^[1,2]。由于此类桥梁修建时间早、设计荷载低, 且随着材料老化、基础沉降等问题的出现, 结构承载力不足, 不能满足现行荷载标准, 但拆除新建耗资巨大, 且中断交通时间长, 因此对状况良好的双曲拱桥进行加固是最有效的方法。

公路桥梁目前常用的加固方法有增大截面法、粘贴钢板法、粘贴碳纤维布法等^[3], 其中增大截面法能够有效地提高结构承载力、刚度及稳定性, 且加固后结构长期性能稳定, 因此被广泛应用于中小跨径圬工拱桥的加固^[4]。但采用常规的钢筋混凝土增大截面法加固圬工双曲拱桥主拱肋存在以下3方面问题:①原主拱肋截面尺寸较小, 特别是圬工拱肋, 植筋施工对主体原结构承载力影响无法量化, 容易对原结构造成不可逆的破坏;②普通混凝土加固要求截面厚度大, 易对原拱肋产生较大附加应力;③普通混凝土流动性较差、施工难度大, 且新浇筑混凝土与原桥拱肋难以紧密结合。针对上述问题, 学者不断探索新材料、新工艺, 对此方法进行改进, 出现了锚喷法、填芯法等加固方法。随着UHPC (超高性能混凝土) 理论体系的不断完善, 本文以此为基础, 提出基于UHPC的圬工双曲拱桥主拱圈加固方法, 通过一座目前正在服役的双曲圬工拱桥实例, 验证此加固方法的有效性。

UHPC是具有超高性能的水泥基复合材料, 因其具有强度高、韧性好、收缩低、耐腐蚀等特点, 被广泛应用于各工程领域。目前UHPC常用的基本原材料包括水泥、硅灰、高效减水剂、细骨料、纤维等, 国内外具有代表性的配合比如表1所示^[5], 目前各机构制备的UHPC配合比略有差异, 尤其在细骨料和掺和料方面。

超高强度是UHPC的基本特性之一, 但单纯的超高抗压强度往往伴随着超高脆性, 并不意味着具有超高性能。UHPC的超高性能更体现在超高抗拉强度和高韧性, 随着短纤维和细骨料的加入, UHPC混凝土收缩徐变小, 且具有良好的黏结性能^[6], UHPC与普通混凝土及韧性高强钢材力学性能指标对比如表2所示。

由于原结构上部无法完全卸载, 因此采用增大截面法加固的结构属于二次受力, 新增加截面的应力、应变滞后于原结构。加固前, 原结构承受荷载N₁和M₁, 加固后组合结构共同承受荷载N₁+ N₂和M₁+ M₂, 结构加固前后受力如图1所示^[7,8], 因此对结构进行验算需考虑结构不同的受力阶段。UHPC增大截面法加固圬工拱桥拱肋的受力机理与常规加固方法相同, 根据JTG/T J22—2008《公路桥梁加固设计规范》^[3]的规定, 结构受力分2个阶段完成:第1阶段为新浇筑部分在达到强度标准值前, 构件仍按原截面计算, 荷载效应考虑包括原构件在内的恒载、现浇部分自重 (根据情况, 若为支架施工时可不考虑, 若为吊架施工时需考虑) 及施工荷载;第2阶段为新浇筑部分达到强度标准值后, 构件按照加固后整体截面进行计算, 作用效应考虑包括加固后构件自重在内的恒载、二期作用的恒载及使用阶段的可变作用。与常规增大截面法相比, UHPC抗压强度远大于常规混凝土, 因此可减小加固截面尺寸, 降低加固截面附加自重对结构受力的影响。

UHPC加固后的组合截面验算按照砌体偏心受压构件进行。根据JTG D61—2005《公路圬工桥涵设计规范》^[9]规定, 对于圬工拱桥拱肋强度验算需先确定结构偏心距, 偏心距限值按表3规定取值, 其中s为截面或换算截面重心轴至截面偏心方向边缘的距离。

当e≤0.6s时, 结构强度按式 (1) 计算:

$\gamma {}_0{\rm N}{}_{\text{d}}\le \psi Af{}_{\text{c}\text{d}}(1)$

式中:γ₀为结构重要性系数;N_d为结构轴向力设计值;ψ为砌体偏心受压构件承载力影响系数 (计算时不考虑长细比的影响, 即结构2个方向长细比均取3) ;A为构件截面面积, 对于组合截面, 按照强度比进行换算;f_cd为结构抗压强度设计值, 对于组合截面应采用标准层轴心抗压强度设计值。

当e>0.6s时, 结构强度按式 (2) 计算:

$\gamma {}_0{\rm N}{}_{\text{d}}\le \phi \frac{Af{}_{\text{t}\text{m}\text{d}}}{\left(\frac{Ae{}_x}{W{}_y}+\frac{Ae{}_y}{W{}_x}-1\right)}(2)$

式中:W为截面弹性抵抗矩;f_tmd为受拉边层材料抗拉强度设计值;e为结构偏心距。

对于圬工结构, 由于结构材料抗拉强度值一般较低, 因此在加固过程中, 尽量保证结构偏心距限制在0.6s以内, 保证结构处于全截面受压状态, 充分利用圬工材料抗压强度远大于抗拉强度的特点, 以提高结构承载力。

圬工拱肋的稳定性验算采用“强度-稳定”的计算方法, 计算公式同式 (1) , 但与强度计算不同的是稳定验算考虑结构长细比因素, 将式 (1) 整理可得式 (3) , 1/ψ为结构弹性屈曲稳定系数最小值。

$\frac{1}{\psi }\le \frac{Af{}_{\text{c}\text{d}}}{{\rm N}{}_{\text{d}}}(3)$

拱肋轴向力设计值N_d按式 (4) 考虑, 轴向力偏心距可取与水平推力计算时同一荷载布置的拱跨1/4处弯矩设计值M_d与N_d比值。

${\rm N}{}_{\text{d}}=\frac{{\rm H}{}_{\text{d}}}{\cos \phi {}_{\text{m}}}(4)$

式中:H_d为拱的水平推力设计值;φ_m为拱顶、拱脚连线与跨径的夹角。

圬工拱肋挠度按照JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》规定的作用短期效应组合进行验算, 在一个桥跨范围内的正负挠度绝对值之和最大值不应大于计算跨径的1/1 000。

某乡村道路上一座双曲拱桥始建于1976年, 为单跨上承式无铰双曲拱桥, 全桥长48m, 原设计荷载为汽车-15级。上部结构由三肋两波组成, 主拱肋为50cm×32cm截面的浆砌块石, 拱波材料为浆砌块石, 主拱两侧各设4个腹拱, 材料为浆砌块石;下部结构桥台为U形重力式桥台, 下部基础位于基岩。桥梁宽度组成为:0.6m (栏杆) +4.6m (行车道) +0.6m (栏杆) =5.8m, 净跨径为29.0m, 矢高3.38m。由于修建年代久远且设计荷载较小, 桥梁出现多处病害, 目前该桥限载5t, 已无法满足当地居民通行的需求。

为充分了解该桥的运行状况, 当地交通部门于2017年对该桥梁进行检测, 检测结果显示:该桥梁外观检测评定等级为3类;荷载试验结果显示挠度校验系数不满足JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》^[10]中规定≤1的要求, 但加载过程未出现新增裂缝;动载试验结果表明, 结构总体刚度较好, 传递振动能力及均质性较好, 但冲击系数不满足规范要求。桥梁技术状况综合评定等级为3类桥梁, 因此需对桥梁进行加固处理。结合桥梁检测报告及交通部《关于印发农村公路建设指导意见的通知》文件的要求, 拟对该桥进行加固, 加固目标荷载为公路-Ⅱ级车道荷载效应的0.8倍, 车辆荷载效应的0.7倍。桥梁横断面如图2所示。

采用MIDAS/Civil建立空间模型, 对结构进行模拟, 全桥共382个单元, 其中梁单元322个, 板单元60个, 如图3所示。

根据有限元分析计算结果, 对圬工双曲拱桥进行承载力验算。按照式 (1) , 采用0.8倍的公路-Ⅱ级荷载进行结构强度验算, 计算结果表明, 旧桥承载力不满足规范要求。采用UHPC增大截面法进行主拱圈加固, 加固后截面如图4所示, 全桥加固共利用UHPC 18m³, 加固后约86%的荷载效应由UHPC拱肋承担, 结构承载力完全满足现行规范及条文要求 (见表4) 。

根据拱的整体“强度-稳定”计算方法, 对主拱肋加固前后进行稳定性验算, 验算结果如表5所示, 加固前后拱肋稳定性均满足规范要求, 但加固后结构稳定系数明显提升, 增加了安全储备。

采用0.8倍的公路-Ⅱ级荷载对结构进行挠度验算, 验算结果如表6所示, 采用UHPC增大截面法加固后主拱肋最大挠度为24mm, 小于规范规定的L/1 000 (=29mm) , 挠度满足规范要求。

本文在传统加固方法的基础上, 以UHPC为基础, 提出了针对圬工双曲拱桥主拱肋的UHPC增大截面法。以某低等级道路上的一座圬工双曲拱桥为依托, 采用UHPC增大截面法对主拱肋进行加固, 并对加固前后拱肋的受力进行详细分析。结果表明, 此方法能有效地提高圬工拱桥的承载力、稳定性及挠度, 满足现行低等级公路荷载要求, 为UHPC在圬工双曲拱桥加固中的应用提供了借鉴。