橋梁加固薄弱受彎構(gòu)件承載力極限狀態(tài)計算的研究

時黎明 （安徽省建筑設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230092）

0 前言

橋梁作為我國交通的主要設(shè)施，其承載力關(guān)乎到社會人群出行的安全，因此為了避免安全事故，對于橋梁的極限承載力進行計算具有十分現(xiàn)實的意義。橋梁承載力的最低限體現(xiàn)在橋梁的薄弱受彎構(gòu)件上，因為此部分本身的承載能力就相對較弱，所以需要加固，而為了保障加固之后薄弱受彎構(gòu)件的承載力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，就需要通過相應(yīng)的計算方法來得出結(jié)果。

1 橋梁加固薄弱受彎構(gòu)件正截面抗彎承載力計算

1.1 加筋類加固薄弱受彎構(gòu)件正截面承載力計算

因為現(xiàn)代橋梁建設(shè)通常采用帶載加固方法，在此基礎(chǔ)上本文首先構(gòu)建計算基礎(chǔ)，具體如下。

①橋梁帶載加固需要考慮到分階段受力特性。具體來說，一期荷載效應(yīng)主要受力點在于原梁，原梁受力之后會表現(xiàn)出彈性狀態(tài)，此時其截面應(yīng)力需要依照材料力學(xué)公式來進行計算。此外，二期荷載效應(yīng)主要以加固后截面作為受力點[1]。

②平截面假設(shè)。為了保障計算能夠順利開展，所有受力階段的截面變形都需要與平截面假設(shè)保持一致。

③極限狀態(tài)計算公式。首先，結(jié)合前人研究結(jié)果得知，在極限狀態(tài)下，橋梁截面受壓邊緣的混凝土應(yīng)變極限值為εcu=0.0033，那么受壓部分的混凝土應(yīng)力就需要依照矩形應(yīng)力圖來進行計算；受壓部分的混凝土強度假定為fcd；矩形應(yīng)力圖高度為x2=βx02，矩形應(yīng)力圖高度公式當(dāng)中，x02代表二期荷載下的截面變形零點至截面受壓邊緣的距離；β代表受壓區(qū)高度折減系數(shù)，通常如果混凝土強度在C50以下，那么β=0.8。

其次，根據(jù)上述分析技術(shù)，本文構(gòu)建了加筋類橋梁加固薄弱受彎構(gòu)件正截面抗彎承載力計算圖式，如圖1所示。

圖1 加筋類橋梁加固薄弱受彎構(gòu)件正截面抗彎承載力計算圖式

在上述基礎(chǔ)上進行計算，首先，原梁構(gòu)件作為一期荷載效應(yīng)的受力點，其截面幾何特征值可以按照開裂的換算截面來進行計算，計算主要分為兩個部分，即上緣混凝土的壓應(yīng)變、原梁受拉鋼筋的拉應(yīng)變，兩部分的計算公式如下。

①上緣混凝土的壓應(yīng)變。

②原梁受拉鋼筋的拉應(yīng)變。

上述兩公式中，εc1代表上緣混凝土的壓應(yīng)變；εs1代表原梁受拉鋼筋的拉應(yīng)變；Md1代表一期荷載效應(yīng)；x01、J01代表原梁的換算截面幾何性質(zhì)。

假設(shè)原梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，那么在計算其截面應(yīng)力時，就需要考慮加力影響，其截面幾何特征值，需要按照全截面在工作狀態(tài)下的狀態(tài)進行換算。之后對加筋類加固薄弱受彎構(gòu)件正截面的極限承載力進行計算，計算圖式如圖1所示。

1.2 加固配筋設(shè)計的計算方法

加固配筋設(shè)計的計算方法及步驟如下。

①對原梁的換算截面幾何性質(zhì)x01、h01進行計算。

②在荷載恒定的情況下，對原梁上緣混凝土的壓應(yīng)變εc1、原梁受拉鋼筋的拉應(yīng)εs1進行計算。

根據(jù)上述計算步驟了解到，加固后的原梁最大承載力與原梁的截面尺寸存在密切聯(lián)系，如果尺寸過大，則會導(dǎo)致原梁應(yīng)力分散，將不利于其極限承載力；加固后的原梁承載力漲幅受鋼筋配筋率約束，如果在設(shè)計當(dāng)中出現(xiàn)了盲目配筋，就可能導(dǎo)致原梁截面尺寸大幅度增加，因此，如果在設(shè)計當(dāng)中出現(xiàn)了這種現(xiàn)象，就說明這種設(shè)計存在較大的安全隱患。此外，在盲目加筋之下，還會導(dǎo)致原梁的脆性提高，脆性提高的同時其韌性將會降低，則同樣會導(dǎo)致其極限承載力下降，從而進一步擴張設(shè)計的危險性。

1.3 加混凝土類加固薄弱受彎構(gòu)件計算特點

對上述計算方法進行總結(jié)分析：通常在一些橋面加厚的橋梁設(shè)計當(dāng)中，對其加固薄弱構(gòu)件極限承載力進行計算時，需要考慮到分階段受力的特點，需要依照兩階段受力迭合梁進行計算。但是在實際設(shè)計時，因為不同橋面存在不同的標(biāo)高限制，所以不可能實現(xiàn)無限制的加厚，因此在一般情況下在對橋面進行加固后，截面的中心軸不會與加厚的新混凝土連接面相互融合，使得新舊混凝土同時承受壓力，而因為新舊混凝土在性能上必然存在一些差距，所以會導(dǎo)致橋梁的極限承載力出現(xiàn)一定的減弱，在此條件下進行計算時，應(yīng)當(dāng)考慮到新舊混凝土的塑性影響，并對加固后的混凝土層在極限狀態(tài)下的應(yīng)力表現(xiàn)進行計算，此時依照此計算結(jié)果，即可使橋梁的極限應(yīng)力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

此外，混凝土加厚橋梁在上述計算基礎(chǔ)上，對其加固后的薄弱構(gòu)件的最大厚度進行計算時，需要考慮到原梁的配筋率，因為過大的厚度會增加橋梁的自重，自重會帶來相應(yīng)的向下應(yīng)力，此時如果原梁配筋率不足，使得向下應(yīng)力超過原梁的極限承載力，就會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)坍塌現(xiàn)象。

2 橋梁加固薄弱構(gòu)件斜截面承載力計算

通常情況下，橋梁加固薄弱構(gòu)件是指粘貼鋼板，其主要目的在于彌補橋梁的斜筋、箍筋的截面面積，以此在面積增大的前提下，即可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)加固。在此前提下，結(jié)合前人的研究成果可了解到，后加的鋼板只會承受活載的剪力影響，所以在設(shè)計當(dāng)中，還應(yīng)當(dāng)對橋梁的分階段受力情況進行綜合考慮。下文將介紹加固薄弱受彎構(gòu)件斜截面抗剪承載力計算的一般表達(dá)式，之后介紹更具實際作用的改良式。

2.1 一般表達(dá)式

結(jié)合理論，在一期荷載Vd1效應(yīng)的影響之下，橋梁加固薄弱構(gòu)件會進入彈性狀態(tài)，此條件下一期荷載效應(yīng)會對構(gòu)件斜截面頂部形成剪力，剪力主要由此部分的混凝土、箍筋、彎起鋼筋承擔(dān)，表達(dá)式：Vd1=Vc1+VsV1+Vsb1[3]。

在二期荷載Vd2效應(yīng)的影響之下，會導(dǎo)致后期加固鋼板受到剪力，此剪力主要作用于混凝土、箍筋、彎起鋼筋以及后期加固鋼板，由此可見在二期荷載效應(yīng)當(dāng)中，其承載力得到了提升，因此說明極限承載力的上限得到了提高。

為了證實一般表達(dá)式的適用性，本文對其進行以下抗剪實驗分析。

①選擇9根被粘貼鋼板加固后的小梁作為實驗基礎(chǔ)。

②實驗分為三個階段，一階段：模擬橋梁結(jié)構(gòu)帶載加固受力后的模型；二階段：在一期荷載條件下，采用環(huán)氧砂漿粘貼斜鋼板參數(shù)對模型進行加固；三階段：統(tǒng)計一期荷載模型的承載力，之后在施加二期荷載，再統(tǒng)計模型的承載力。

實驗主要采用兩點對稱加載法、對比法來得出結(jié)果。流程上，在模擬條件下先運作兩點對稱加載法，模擬手動千斤頂參數(shù)來施加荷載，在通過電阻應(yīng)片來對模型當(dāng)中的箍筋、彎起鋼筋、后加鋼板的應(yīng)變進行量測，此時即可得到9根被粘貼鋼板加固后的小梁各自的應(yīng)力系數(shù)，之后將所有結(jié)果進行對比，即可得到箍筋、彎起筋、后加補強鋼板和混凝土的極限承載力。由此可見，通過一般表達(dá)式確實能夠得到橋梁加固薄弱構(gòu)件斜截面的極限承載力，但是因為現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)形式的多樣化，同時為了增加公式的實用性，可對一般表達(dá)式進行如下改良。

2.2 改良表達(dá)式

根據(jù)上述分析，本文對一般表達(dá)式進行改良，具體如下所示：

Y0Vd≤βcVc+VsV+Vsd+準(zhǔn)VR。式中 VC、VV、Vb代表混凝土、箍筋和彎起鋼筋的抗剪承載力。根據(jù)《公路橋梁鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》了解到，本文的改良式完全符合規(guī)范規(guī)定，說明本文改良后公式的有效性。

3 結(jié)語

本文主要對橋梁加固薄弱受彎構(gòu)件承載力極限狀態(tài)的計算方法進行了研究。首先對加筋類加固薄弱受彎構(gòu)件正截面承載力計算，構(gòu)建了抗彎承載力計算圖式，在圖式中，可以對橋梁加固薄弱受彎構(gòu)件的斷面承載力、應(yīng)變力、一期荷載、二期荷載應(yīng)力進行計算。其次，結(jié)合理論介紹了橋梁加固薄弱構(gòu)件斜截面承載力的一般表達(dá)式，最終為了保證實用性，提出了相關(guān)的改良式，結(jié)合相關(guān)規(guī)范證實了其有效性。