預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋加固方法對(duì)比分析

錢 竹

長沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410007

隨著中國的快速化發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)。中國橋梁數(shù)量已然躍居第一[1]。經(jīng)過數(shù)十年的運(yùn)營，部分橋梁出現(xiàn)承載力下降、裂縫等病害。為保證結(jié)構(gòu)的安全，橋梁加固不可或缺。根據(jù)實(shí)際也不少加固方法的研究，本文在前人研究理論的基礎(chǔ)上，依托某20mT梁橋，利用有限元分析，對(duì)采用增大截面法、粘貼碳纖維法、粘貼鋼板加固法后結(jié)構(gòu)響應(yīng)問題進(jìn)行定性分析，對(duì)比分析采用以上幾種方法后結(jié)構(gòu)剛度、延性及抗裂性能的變化。

1 常用加固方法

1.1 增大截面法

增大加固法，在原受彎構(gòu)件的部分區(qū)域新澆筑一層混凝土并補(bǔ)加相應(yīng)的鋼筋，目的是提高原構(gòu)件承載能力。加固處理的位置通常是受力比較明顯的地方：跨中受拉區(qū)和梁頂受壓區(qū)，針對(duì)這兩個(gè)部位，一般采用加大梁肋高度和厚度，加厚橋面板的方式處理。通過提高剛度達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的效果。

1.2 粘貼碳纖維加固法

碳纖維加固碳纖維布和碳纖維板加固。與增大截面或粘鋼補(bǔ)相比，具有節(jié)省空間、施工簡(jiǎn)便、施工質(zhì)量易保證、耐腐蝕、耐久性好等特點(diǎn)。主要工作原理是將復(fù)合增強(qiáng)材料，通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，補(bǔ)強(qiáng)于結(jié)構(gòu)受拉方向或垂直于裂縫的方向，使之形成一個(gè)新復(fù)合結(jié)構(gòu)，使兩者共同受力增大結(jié)構(gòu)的抗剪或抗裂性能，從而提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、抗裂性及延伸性。

結(jié)合其原理，該方法主要適用于混凝土梁板、板橋的抗剪和抗彎加固。鋼筋嚴(yán)重銹蝕的舊橋，加固效果顯著。因其抗剪修復(fù)能力強(qiáng)，墩柱的抗剪、抗壓補(bǔ)強(qiáng)，經(jīng)常采用此方法。

1.3 粘貼鋼板加固法

粘鋼加固是利用高性能環(huán)氧類粘結(jié)劑將鋼板粘結(jié)于混凝土構(gòu)件表面，使兩者形成統(tǒng)一的整體，利用鋼板的抗拉性能來增強(qiáng)構(gòu)件承載能力及剛度的一種加固方法。主要適用于受彎及受拉構(gòu)件。

2 有限元建模

本文以某20mT梁橋?yàn)槔?，T梁高1.4m，兩片梁間距2.0m，腹板寬0.18m，端部增至0.54m。T梁縱橫向尺寸示意圖如圖1、2所示。

圖1 T梁縱向尺寸

圖2 T梁截面尺寸

2.1 有限元模型

利用有限元分析軟件ANSYS建立正常使用狀況（未加固）下的T梁有限元模型（如圖3），混凝土單元使用SOLID65。之后建立使用碳纖維加固、粘貼鋼板加固、增大截面加固后的有限元模型（基于ANSYS的結(jié)構(gòu)粘鋼加固分析，粘貼碳纖維加固混凝土板橋ANSYS仿真計(jì)算分析）。定義碳纖維單層為0.15mm，分別建立單層、雙層及三層碳纖維加固的T梁模型，碳纖維加固位置為梁底加固，碳纖維單元采用SHELL41；定義厚度分別為4、6、8mm鋼板，粘貼鋼板加固為梁底加固，鋼板單元采用SOLID45單元；采用增大截面法進(jìn)行T梁加固時(shí)，本文采用上表面加固。采用Solid45單元模擬支座及預(yù)應(yīng)力錨固墊板。

圖3 T梁有限元模型圖

為得到梁開裂初期及破壞階段的有效數(shù)據(jù)，本文通過調(diào)整荷載步數(shù)，控制收斂精度為5%以內(nèi)，得到收斂數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 加載步數(shù)

3 加固方案對(duì)比分析

3.1 加固后結(jié)構(gòu)極限承載能力分析（見圖4）

圖4 極限彎矩對(duì)比

分別建立粘貼單層、雙層、三層碳纖維的T梁加固模型，粘貼4、6、8mm鋼板T梁加固模型，增大上表面15cm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)T梁加固模型，對(duì)加固后結(jié)構(gòu)極限承載能力進(jìn)行計(jì)算分析，如圖4所示。

如圖4表明：（1）粘貼碳纖維對(duì)結(jié)構(gòu)的極限承載能力有較大提高，但碳纖維的厚度對(duì)承載能力的增加幅度不明顯，從單層到三層，極限彎矩僅提高了1.2%。（2）粘貼鋼板的厚度決定了承載能力提高的幅度。（3）采用增加截面法加固T梁橋，加固后極限承載力為6020.74kN·m（圖中未示出），強(qiáng)度相對(duì)提高9.91%。

3.2 極限彎矩作用下?lián)隙确治?/h3>

對(duì)加固后T梁結(jié)構(gòu)作用極限彎矩，矩，分析極限彎矩作用下結(jié)構(gòu)的撓度，不同加固方式作用下，結(jié)構(gòu)撓度對(duì)比如圖5。

圖5 加固后跨中撓度對(duì)比

圖5表明：（1）碳纖維在改善梁板承載力的同時(shí)，大大提高了梁的延展性。（2）粘貼鋼板對(duì)結(jié)構(gòu)承載力顯著提高，同時(shí)保證了結(jié)構(gòu)的剛度不會(huì)隨著承載力的顯著提高而減少。故此法對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的承載力、剛度效果均很明顯。（3）增加截面法加固后作用極限彎矩，結(jié)構(gòu)跨中撓度為63.8mm（圖中未示出），結(jié)構(gòu)延性有所提高。

3.3 加固后結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展分析

經(jīng)有限元計(jì)算，本文研究對(duì)象T梁橋開裂彎矩為3497kN·m。對(duì)采用不同加固方式的T梁結(jié)構(gòu)作用施加荷載，本文僅列出如下裂縫擴(kuò)展圖（圖6）。

圖6 裂縫示意圖

上圖表明：（1）碳纖維作用下，裂縫擴(kuò)展寬度和發(fā)展趨勢(shì)沒有明顯變化，碳纖維加固對(duì)裂縫發(fā)展作用效果不明顯。（2）c圖中裂縫擴(kuò)展區(qū)域和范圍顯著減小，表明粘貼鋼板加固對(duì)裂縫控制效果顯著。（3）對(duì)比分析，增大截面對(duì)裂縫控制有一定的成效，但是效果不如鋼板加固明顯。

4 結(jié)語

通過上述分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）不同加固方法對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力提高貢獻(xiàn)不同，粘貼鋼板法對(duì)T梁橋承載能力提高相對(duì)較大，其他兩者次之。

（2）承受極限荷載時(shí)，粘貼碳纖維對(duì)結(jié)構(gòu)延性提高最為明顯，增大截面法與粘貼鋼板法對(duì)結(jié)構(gòu)延性提升較小。

（3）采用不同的加固方法對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫均有抑制作用，但采用增大截面法加固T梁橋后，相較于其他方法，裂縫明顯減小，效果顯著。

（4）不同的加固方法均可以不同程度的提高結(jié)構(gòu)延性、剛度，并能夠抑制裂縫擴(kuò)展，在實(shí)際工程上，可根據(jù)需要采取不同的加固方式。