PC空心板梁橋粘貼鋼板加固法研究

張 海

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

PC空心板梁橋粘貼鋼板加固法研究

張 海

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

以PC空心板梁橋的加固為研究對象，探討了運用粘貼鋼板來提高PC空心板梁強度和剛度的方法。采用有限元軟件建立PC空心板梁橋模型，分析了不同加固鋼板厚度的橋梁的加固效果，闡述了粘貼鋼板法在PC空心板梁橋加固中的優缺點及應用前景。

橋梁加固；粘貼鋼板；PC混凝土空心板橋；鋼板厚度

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0 引言

截至2014年年底，全國公路總里程446.39萬公里，公路橋梁75.71萬座。橋梁在運營中，受超載等現象影響，易出現不同程度的損傷，威脅橋梁的正常使用。對于已受損的橋梁，采用加固措施相比于重新建造，可以很好的節約投資。PC空心板簡支梁橋在公路建設中的應用十分廣泛，而粘貼鋼板加固技術是提高該類型橋梁承載力的重要方法，對該方法的研究具有重要的現實意義。

1 研究現狀及優點

粘貼鋼板加固法雖然運用于橋梁工程的時間不長，但是發展十分迅速，應用越來越廣泛[1]。歸納起來，此方法主要有以下優點[2]：

(1)加固性能良好

利用高粘結力的結構膠將鋼板粘貼在鋼筋混凝土構件表面并采用可靠的錨固方式，可以讓鋼板和混凝土構件形成一個整體協同工作，很好地共同受力，減緩構件上裂縫的發展速度，加強混凝土構件的抗裂性能，達到提高構件的承載力和剛度的目的。

(2)占用空間較小

粘貼鋼板法中，作為加固材料的鋼板厚度一般為3～10mm，粘貼鋼板層數一般不超過兩層，所粘貼鋼板材料厚度遠小于被加固構件截面厚度，幾乎不會影響原有使用空間，也不會影響加固后構件的外觀。

(3)施工時間較短

從材料進場到完成粘貼鋼板，通常僅需2～3d。在這之后，加固鋼板便能與被加固構件共同參與受力，結構物即可投入使用。

(4)經濟合理

施工準備階段可對加固所需鋼板進行切割，無需購入大塊鋼板材料，且施工周期較短，對結構物的正常使用影響較小。

(5)施工工藝簡單

粘貼鋼板加固工藝簡單，施工方便，簡單且易于操作。與其他加固方法相比，施工過程中無需配備專門的高級技術人員進行操作，對于此加固方法的普及和廣泛應用有著顯著的現實意義。

2 有限元分析

有限單元方法是從上世紀40年代發展起來的，它是一種桿系結構的矩陣位移法[3]。本次有限元模擬采用一片20m PC空心板梁的粘貼鋼板加固作為分析模型，由Midas Civil對其進行初步整體分析，并采用Midas FEA進行細部分析。20m PC空心板梁廣泛應用于公路橋梁建設中，因此對其的有限元模擬具有一定的代表性。

2.1 材料本構關系

本文鋼材本構模型采用理想彈塑性模型，其應力-應變關系曲線如圖1所示，從圖中可以看出，此模型由斜直線和水平線組成 ，即當鋼材達到屈服應力后，不再具有承載能力。

圖1 鋼材應力-應變關系曲線

本文混凝土受壓區段采用E.Hongnestad于1951年提出的二次拋物線加斜直線模型，它在一定程度上反映了混凝土在軟化段應力一應變曲線的下降趨勢。受拉區段則采用雙斜線模型，此模型由兩條直線與橫軸圍成三角形，當達到極限拉應變時，混凝土的應力為零，且其受拉區段的斜率與受壓彈性區段的斜率一致。本文所采用的混凝土應力-應變關系曲線如圖2所示：

圖2 混凝土應力-應變關系曲線

2.2 有限元模型建立

本文擬采用橫斷面由5片空心板梁組成的簡支梁橋模型進行分析。空心板梁底滿貼鋼板，通過分析不同鋼板厚度對被加固PC空心板梁帶來的影響，來評價粘貼鋼板在PC空心板梁橋加固中的作用。

空心板橫斷面詳細尺寸如圖3所示：

圖3 空心板橫斷面尺寸

預應力鋼束采用兩端同時張拉，錨下控制應力為0.75fpk=1395MPa。 預應力鋼束布置位置如圖4、圖5所示：

圖4 板端鋼束布置圖

圖5 板中鋼束布置圖

界面單元一般用來模擬相同材料上的凹凸面之間的接觸或不同材質材料之間的接觸，并可以用來描述混凝土不均勻的離散式開裂、鋼筋和混凝土之間的滑移、接觸等的接觸形式，本文通過定義界面單元來模擬所粘貼的鋼板與空心板之間的粘結。界面單元使用一般的有限元公式，但單元的厚度均取為0。數值分析則是通過采用罰函數方法定義相對位移和界面力的關系來進行。該方法的不足之處是粘貼鋼板的受力存在應力滯后現象，且施工時原結構的荷載越大，應力滯后越多。本文旨在分析加固的粘結鋼板厚度的變化對結構受力影響，故暫不考慮應力滯后問題。

邁達斯Civil建立的整體模型中，構件的受力位置隨荷載形式和荷載布置位置的不同而變化。本文按汽車雙車道對稱加載，對鉸接空心板橫向分布系數的計算則通過邁達斯Civil用梁格法進行模擬。

本次梁格法模型全橋共分189個節點，268個單元。梁格法中[4]，為了準確的模擬橫向構件剛度，虛擬橫梁截面擬采用工字型截面，上下翼緣板厚度等同于空心板頂板和底板厚度，腹板取一個很小的值0.01mm，且不能考慮剪切變形。縱向構件則是采用主梁自身的截面特性。邊界條件的模擬至關重要，簡支橋梁，一般只需約束三個平動剛度即可，支座一端釋放縱橋向的約束，橫橋向的約束只需將中梁約束。

通過以上方法模擬得到的梁格模型，計算得到中梁橫向分布系數最大為0.404。后面結構細部分析，均只對中梁板進行模擬，將汽車荷載乘以橫向分布系數以靜力荷載形式加載到構件上。邁達斯Civil桿系模型如圖6、圖7所示：

圖6 Midas Civil 模型計算圖

圖7 Midas Civil 模型消隱圖

中梁則采用Midas FEA建立實體模型進行模擬。粘貼鋼板空心板的模擬，屬于組合結構的模擬，模擬的難點是鋼板與混凝土的粘結模擬。

單元采用軟件所帶的自動劃分網格，空心板實體四邊形四節點單元，鋼板劃分矩形四節點平面單元。模型總共17813個單元，計算模型如圖8～9所示：

圖8 粘鋼板空心板有限元計算模型

圖9 空心板底部所粘貼鋼板模型

2.3 計算結果分析

通過該有限元模型，分析了不同厚度的粘結鋼板(1mm～6mm)對被加固PC空心板梁結構受力影響，對比了不粘貼鋼板的空心板和粘鋼梁的撓度、應力和鋼束應力，以及不同厚度之間受力性能。有限元數值分析對比的空心板梁號及各板梁參數見表1：

表1 有限元數值分析梁的參數

在工況分析欄中定義三個工況：

工況1，預應力荷載，這是一個虛擬的工況，用于分析粘貼不同厚度鋼板對板梁預拱度和預應力荷載下局部應力的影響；

工況2，自重+二期鋪裝荷載+預應力荷載；

工況3，自重+二期鋪裝荷載+預應力荷載+汽車荷載效應。

后處理數據提取分析時，每個模型在每個工況下提取四個后處理參數：板梁的撓度值、板的頂底軸應力(正應力)、板梁最大主拉應力、考慮彈性變形損失后的鋼束應力。

由于梁片在粘貼鋼板后在3個工況下的受力均遠未達到界限破壞的水平，梁片的變形均在彈性范圍內。而從Midas軟件分析的直觀來看，S1～S6梁片的位移圖及等效云圖等圖形的形狀非常相似。梁片的位移圖及等效云圖如圖10所示：

綜合前面S0～S6七根空心板梁的參數數據，可得到各梁有限元計算參數統計表，詳見表2～4：

c 板梁最大主應力云圖 d 板梁鋼絞線預應力云圖

表2 各梁有限元計算參數統計(工況1，預應力)

表3 各梁有限元計算參數統計(工況2，自重+二期鋪裝荷載+預應力荷載)

表4 各梁有限元計算參數統計(工況3，自重+二期鋪裝荷載+預應力荷載+汽車荷載效應)

圖11 梁板撓度隨粘鋼厚度的變化曲線

圖12 梁板底緣正應力隨粘鋼厚度的變化曲線

由表2～4可看出，在3種工況作用下，20m PC空心板梁跨中撓度、底緣混凝土應力及鋼板主應力均隨鋼板厚度增加而有所減小。除去虛擬工況的工況1，在工況2和工況3中，工況3(自重+二期鋪裝荷載+預應力荷載+汽車荷載效應)最接近空心板梁運營工況，各參數隨鋼板厚度增加的變化也最明顯，對其進行分析將更有利于指導工程實際應用。相關參數在工況3下隨鋼板厚度變化曲線圖如圖11～13所示：

圖13 鋼板主應力隨厚度的變化曲線

由上表和變化曲線圖可以看出，粘貼鋼板加固空心板，對空心板的剛度和混凝土的正截面承載能力有相應的提升：

PC板梁剛度提高量(mm)(以PC板梁跨中撓度減少量來衡量)見表5。

PC板梁強度提高量(Mpa)(以PC板梁底緣混凝土應力減少量來衡量)見表6。

PC板梁承載特性逐級提高百分比見表7。

表5 板梁剛度逐級提高量統計(mm)

表6 板梁強度逐級提高量統計(MPa)

表7 板梁承載特性逐級提高百分比(%)

圖14 各梁板剛度提高比率曲線

圖15 各梁板強度提高比率曲線

具體各個參數提高的百分比見圖14和圖15所示比率曲線。鋼絞線預應力影響微小，可以忽略不計。

由以上剛度和強度提高比率曲線圖可以看出，20m PC空心板梁在工況3條件下，當粘貼的鋼板厚度從1mm增大至5mm時，梁體的剛度提高比率基本呈線性增大，鋼板厚度再提高至6mm時，剛度提高比率變化不再明顯。而梁體的強度隨著粘貼鋼板厚度從1mm增大至6mm，其提高比率的變化趨勢則越發變緩。但從總體而言，20m PC空心板梁的剛度和強度隨粘貼鋼板厚度的增大而不斷增大。

3 結論

在粘貼鋼板加固受彎構件的理論基礎上，提出了通過采用梁底粘貼鋼板應用于加固PC空心板梁。并運用Midas軟件對20m PC空心板梁進行建模計算，得出以下結論：

(1)粘貼鋼板在加固20m PC空心板梁中能起到顯著的作用，其實質是增大截面受拉區的面積，使受壓區混凝土高度增加，從而使梁體的強度和剛度都能得到一定幅度的提升。

(2)隨粘貼鋼板厚度的增加，結構的剛度和強度相應提高，但當厚度超過某一段取值范圍后，受壓區混凝土高度逐漸逼近界限高度，此時梁體撓度的限制和剛度的提升都不明顯，卻反而增大加固成本和結構自重。從有限元結果分析可以得出，20m跨徑和具體特性的PC空心板梁的加固，粘貼鋼板為3.5mm至5mm厚度左右時，會達到較為理想的效果。

[1]楊琪.高速公路橋梁加固成套技術與工程實踐[M].人民交通出版社, 2010.

[2]孫會.舊橋檢測及加固方法研究與應用[D].長安大學, 2013.

[3]王勖成.有限單元法[M].清華大學出版社有限公司, 2003.

[4]朱巍志, 張哲, 梅秀道, 等.預應力異型曲線箱梁橋的設計與計算方法研究[J].公路交通科技, 2008, 25(11): 92-96.

張 海(1982.7- )，男，工程師，主要從事路橋方面的工作。

Research of Bonding Steel Plate on Reinforcement of PC Slabs Bridges

ZHANGHai

(Fujian provincial institute of architecture design and research, Fuzhou 350001)

In this paper, reinforcement in PC Slabs bridges is taken for the research object, and the method of reinforcing PC slabs by pasting steel plate is described. By using finite element software, models of PC Slabs bridges are built to analysis the effect of different thickness of steel plate using in reinforcement in PC Slabs bridges. Finally, this paper discusses the advantages and disadvantages and the application prospect of bonding steel plate on reinforcement of PC slabs bridges.

Bridge Reinforcement; Bonding Steel Plate; PC Slabs Bridges; Thickness of Steel Plate

張海(1982.7- )，男，工程師。

2015-10-10

U445

A

1004-6135(2015)12-0085-06