UHPC在桥梁加固工程中的研究现状及应用
梁鹏昆
西安公路研究院有限公司 陕西省西安市 710065
摘要：UHPC是一种新型水泥基复合材料，具备优异的力学性能及耐久性，采用UHPC加固桥梁是国内外领域的研究热点，本文综合分析近年来国内外学者的研究成果，分析了不同结构形式及界面处理方式的优缺点，并列举了UHPC加固技术的应用现状。
关键词：UHPC；桥梁加固；界面处理
引言
超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）是一种依照最大密实度原理构件的新型水泥基复合材料，具有超高强度、超高韧性及超长耐久性的特点。最具代表性的超高性能混凝土材料为活性粉末混凝土（RPC），由法国学者于1993年提出，主要由硅灰、水泥、细集料及钢纤维等材料组成。1994年，法国学者De Larrard第一次提出了超高性能混凝土（UHPC）的概念，因能更好表达这种超高性能水泥基纤维增强材料的优越性能，逐步被广泛接受和采用。
UHPC材料组分内不包含粗集料，颗粒粒径一般小于1mm，因良好的致密性而具有超高强度及优异的耐久性，抗压强度通常在150MPa以上，耐久性可达200年以上，同时，UHPC中散布的钢纤维可大大减缓材料内部微裂缝的扩展，使得UHPC具有超高的韧性和延性性能。超高性能混凝土（UHPC）优异的力学性能使其在桥梁工程领域具有广阔的应用前景。过去的十多年，UHPC在法国丹麦建筑、瑞士维修加固、马来西亚桥梁、欧洲风电和北美桥梁结构连接、中国钢桥面等应用快速发展。
我国桥梁建设事业起步较晚，由于当时技术和材料的限制，大部分桥梁都是混凝土结构，随着时间的推移，在环境以及车辆荷载双重作用下，桥梁结构出现了不同程度的损伤，进而影响了桥梁结构的承载力，为恢复及提高这些桥梁在使用年限内的承载力和可靠度，亟需对这些桥梁进行加固改造。UHPC优异的力学及耐久性能，使其可以完美的运用于桥梁加固工程中，本文拟对UHPC在国内外桥梁加固领域的研究及应用现状进行简单介绍，同时对该领域现有的问题进行简单的讨论。
1 UHPC在国内外桥梁加固中的研究现状
采用UHPC加固桥梁的基本思路是体现其超高强度、延性及耐久性，综合传统粘贴法及增大截面法的特点，目前UHPC加固桥梁主要采用薄层加固法。
采用UHPC加固桥梁结构，加固层薄，自重增加小，强度高，对截面的高度变化影响小，不影响结构外观尺寸，对基础的承载力要求基本无影响。对比普通混凝土UHPC具有快速凝固，因此对在适宜环境下1到2天就可以达到80MPa和100Mpa，利用这一优点可以保证施工效率和速度。对比其他混凝土，成熟的RPC具有更高的动模量、粘结强度以及优异的黏结耐久性，在加固中其抗压和抗弯性能能够得到充分的发挥，表现出极好的修复和改造能力。
目前，国内外学者对UHPC加固构件的性能提升的研究主要集中在两个方面，一是UHPC结构形式，二是 UHPC-NC界面处理方式。
1.1 UHPC结构形式
经笔者整理国内外相关资料，国内外主要成果为：
（1）相比较素UHPC层，配筋的UHPC层能更好的协助原结构抗拉、抗剪。
（2）仅在梁底设置UHPC层对NC结构的加固效果有限，采用U型套箍加固可以在提升结构承载力的同时大幅减少梁的跨中下挠，同时可有效提升被加固梁的抗剪承载力。
（3）UHPC+钢筋网的加固结构，能有效抑制被加固结构中裂缝的开展，在大幅提升结构承载力的同时显著增强结构的整体延性。
1.2 UHPC-NC界面处理方式
UHPC-NC之间是否具有足够的界面黏结强度及稳定性，是影响UHPC加固效果的重要因素。目前国内外研究主要集中于以下三个方面：
1）UHPC-NC之间界面不协调变形对其黏结性能的影响
由于被加固NC结构的徐变及收缩已基本完成，对于现浇UHPC的加固方式，UHPC早期收缩较大，会引起的截面附加应力较大，经国内外学者研究，可采用增大钢纤维掺量与配筋率抑制UHPC早期收缩。
2）旧混凝土强度对界面黏结强度的影响
综合国内外近年来对UHPC-NC界面黏结性能的研究，可以得出，被加固构件的界面抗剪强度与劈裂抗拉强度均随就混凝土强度的增大而增大但是其fb/fc会随旧混凝土强度增加而缓慢下降，说明随着旧混凝土强度的提高，其对UHPC-NC界面黏结强度的影响变小。原有旧混凝土强度是计算界面黏结强度的重要参数。
3）界面处理方式对黏结强度的影响
UHPC-NC的界面黏结强度主要为抗拉及抗剪两部分，由近年研究成果可知，提高抗拉强度主要是采用在界面处涂抹界面剂的方式，常见的界面剂主要有环氧树脂胶及聚合物水泥砂浆。提高界面抗剪强度主要有两种方式，其一为表面凿毛式，其二为剪力键式。
表面凿毛式是最简易的处理方式，但通常结合界面剂、植筋等其他形式综合使用。它的原理主要是通过清除旧混凝土表面的薄弱及松动层，增大新旧材料间的接触面积，同时使后续浇筑的UHPC与旧混凝土中的骨料形成嵌锁效应，从而增强界面的抗剪强度。常规的凿毛方法施工便利，设备简单，成本较低，但缺点是施工中冲击力过大，会在原有混凝土结构上造成微裂缝，一定程度上会削弱界面的抗剪强度，目前新型的喷砂法、高压射流法等方法，在实现传统凿毛方法效果的同时，不会对原混凝土表层施加过大的冲击力，原混凝土结构表层完整性好，界面黏结强度更高，缺点是设备成本较高，施工难度稍大。
剪力键式是直接在UHPC-NC黏结面上设置横向抗剪结构，通过横向抗剪结构维持界面抗剪能力，相比于表面凿毛，剪力键式的抗剪强度普遍更高，受力形式简单，计算方便。目前主要有两种形式，一为在原混凝土表面进行切槽处理，在界面处形成UHPC与NC交替的齿状结构，该方法成本较低，施工较易，但对原结构扰动大；二为设置剪力筋（植筋），通过钢筋抗剪维持界面黏结性能，该方法相比于切槽法，抗剪强度更高，且具有更好的破坏延性，但成本稍高，施工稍麻烦。
目前工程实际中，对于预制粘贴式的加固方法，通常采用界面剂、植筋等方式保证界面黏结强度，一般不进行凿毛处理；而对于现浇UHPC的加固方法，通常采用界面剂、凿毛、植筋等综合处理方法，以获得更稳定的界面黏结强度。
2 UHPC在国内外桥梁加固中的应用
UHPC第一次应用于桥梁加固是2004年瑞士采用30mm配筋UHPC薄层加固旧钢筋混凝土桥面板，同时还被用于加固桥墩及板式梁交接处，通过在交接处浇筑65mm厚的UHPC层，减小其应力集中效应，提升该处板梁的抗剪强度。2017年，美国联邦公路局采用UHPC对一处公路桥工字钢梁进行了加固，加固后承载力提升明显。
国内首次在桥梁加固工程中采用UHPC是2011年肇庆马房大桥钢箱梁桥面板中，在采用50mmUHPC层加固后，其钢-UHPC桥面系至今为止，运行良好。其后国内陆续有近20座桥梁采用了钢-UHPC桥面。
2016年，沪嘉高速蕴藻浜大桥采用在其槽型梁之间现浇UHPC层进行加固，加固效果良好。
2020年，中铁桥研科技有限公司完成了宜城汉江大桥的UHPC湿接缝加固工程，原接缝层凿除，采用UHPC湿接缝浇筑改造，宽度分别为80cm、40cm，接缝厚度为10cm。
3 结语
UHPC目前在国内外桥梁加固中的研究及应用已取得丰硕的成果，但尚有几个方面仍需进一步完善：
1）目前大部分桥梁加固仍采用现浇UHPC的方式，对UHPC早期收缩导致的界面附加应力重视程度不足。
2）不同加固形式对UHPC-NC界面黏结强度的要求不同，在计算界面的抗拉及抗剪强度从而推断加固结构安全性上理论仍不足。
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