預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋梁加固方法對比分析

楊雪峰

(云南省石林公路分局，云南 昆明 652200)

近年來，交通運(yùn)輸行業(yè)作為國家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展迅速。根據(jù)2018年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，全國公路橋梁已達(dá)85.15萬座，里程約5 568.59萬m，發(fā)展迅速。橋梁經(jīng)過長期運(yùn)營，承載力出現(xiàn)不同程度的下降，特別對于混凝土橋梁，受到混凝土老化的影響，橋梁出現(xiàn)不同程度的開裂。目前，橋梁加固技術(shù)多集中于單種加固方法的承載力計(jì)算分析上，對橋梁加固方法的對比研究較少。黃僑、方世成等分析了預(yù)應(yīng)力碳纖維加固過程中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，并以RC簡支梁為例，計(jì)算了預(yù)應(yīng)力碳纖維加固過程中參數(shù)的取值;李隆、任更鋒等考慮RC梁式橋承載能力衰減的特點(diǎn)，提出了基于損傷退化模型的加固方法，并采用增大截面的方法對某一實(shí)橋進(jìn)行加固，計(jì)算了加固后的橋梁結(jié)構(gòu)承載能力；張樹仁、宋建永等對采用粘貼鋼板加固的RC梁橋進(jìn)行加固后橋梁承載能力計(jì)算及試驗(yàn)研究，給出了粘貼鋼板加固法的RC梁斜截面設(shè)計(jì)計(jì)算方法；孫林、檀永剛對一五跨連續(xù)拱橋進(jìn)行技術(shù)狀況評定后，綜合采用增大截面法、粘貼鋼板法進(jìn)行加固分析，并對加固后結(jié)構(gòu)采用有限元計(jì)算，結(jié)果表明加固方案合理。也有學(xué)者對采用粘貼碳纖維布、增大截面等加固方法后力學(xué)性能進(jìn)行分析，采用不同加固方法后結(jié)構(gòu)承載力均有不同程度的提高。然而，隨著基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，橋梁加固研究仍是一個(gè)值得關(guān)注的問題，對受損橋梁進(jìn)行各加固方法對比分析，從而針對病害，選擇最佳加固方法，可以節(jié)省資源，創(chuàng)造效益。

該文依托某20 m空心板橋，基于有限元軟件，對結(jié)構(gòu)分別建立采用不同加固方式加固后的有限元模型，在相同外部荷載作用下，對比分析不同加固方式對PC空心板力學(xué)性能的貢獻(xiàn)值，進(jìn)而得出相關(guān)結(jié)論。

1 橋梁結(jié)構(gòu)加固方法

1.1 粘貼碳纖維加固法

碳纖維利用了其很高的抗拉強(qiáng)度，并通過環(huán)氧樹脂浸涂而形成增強(qiáng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。在垂直于裂縫或受力方向粘貼于受損結(jié)構(gòu)，環(huán)氧樹脂作為黏結(jié)劑，成為剪力連接媒介，使原有鋼筋和增強(qiáng)貼片形成新的復(fù)合結(jié)構(gòu)同時(shí)受力，進(jìn)而增大結(jié)構(gòu)抗拉及抗剪能力，一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的延性、剛度、強(qiáng)度和抗裂性，有效地控制了裂縫及撓度的進(jìn)一步發(fā)展。碳纖維材料具備強(qiáng)度高重量輕、耐腐蝕、施工便捷、抗疲勞性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，普遍適用于加固抗剪、抗壓(偏心受壓)、抗彎和抗震等各種形式。該方法普遍適用于混凝土梁橋、板橋的結(jié)構(gòu)抗彎和抗剪加固。其加固效果尤其對于結(jié)構(gòu)配筋率很低或鋼筋銹蝕嚴(yán)重的老橋十分顯著；同時(shí)也適用于橋梁墩柱抗剪切能力的提高、加強(qiáng)抗壓能力和增強(qiáng)抗地震的延性。

1.2 增大截面法

增加截面法即對不能滿足正常運(yùn)營需要的橋梁結(jié)構(gòu)采取措施，使橋梁截面積增大，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)承載能力的一種方法。目前，在PC空心板加固工程中，運(yùn)用較為廣泛的增大截面法是在結(jié)構(gòu)表層進(jìn)行加固，鑿除既有橋面后，對空心板表層進(jìn)行拉毛處理，通過布置縱橫向鋼筋、剪力釘?shù)龋剐陆蛎驿佈b與原PC空心板形成整體，進(jìn)而起到增加截面面積的目的。另一種是加大主梁肋的高度和寬度，即通過增加梁肋截面剛度，提高主梁抗彎剛度，從而提高結(jié)構(gòu)承載能力。

1.3 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板是當(dāng)交通量增加造成主梁承載力不足，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受力裂縫，甚至結(jié)構(gòu)鋼筋因開裂而出現(xiàn)銹蝕時(shí)，在結(jié)構(gòu)受力部位，使用黏結(jié)劑或錨栓在梁或板(底、頂或肋)等主要部位，把鋼板牢固地黏結(jié)、錨固在需要補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受壓、受剪及受拉的部位，使鋼板和原結(jié)構(gòu)牢固地形成一個(gè)整體，同時(shí)受力。此加固法一般用機(jī)械固定(螺栓固定)，結(jié)合化學(xué)粘貼(建筑結(jié)構(gòu)膠或者環(huán)氧樹脂)，在原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的病害缺陷和受力薄弱部位用抗拉強(qiáng)度高、受力性能很好的鋼板、型鋼等高強(qiáng)度材料進(jìn)行粘貼，使原結(jié)構(gòu)與所用的粘貼材料形成一個(gè)整體，使原混凝土與鋼板共同受力，進(jìn)而起到增加補(bǔ)強(qiáng)鋼筋的作用，有效地提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎及抗剪能力，也起到了控制構(gòu)件裂縫繼續(xù)擴(kuò)展的作用。

2 有限元模型

2.1 依托工程

以河北省某20 mPC空心板橋?yàn)橐劳泄こ蹋招陌甯?.95 m，單片空心板寬1.59 m。空心板橫斷面及立面布置如圖1、2所示。

圖1 20 mPC空心板立面布置圖(單位：cm)

圖2 PC空心板橫斷面構(gòu)造圖(單位：cm)

2.2 有限元模型

利用Ansys軟件對空心板進(jìn)行模擬分析。為對比不同加固方法作用下結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化，分別建立正常運(yùn)營狀態(tài)下PC空心板模型O-model、粘貼鋼板加固空心板模型、增大截面加固后空心板模型I-model及碳纖維加固后空心板模型。其中，混凝土、碳纖維及鋼結(jié)構(gòu)分別采用實(shí)體單元Solid65、殼單元Shell41及實(shí)體單元Solid45模擬。為了定性分析碳纖維加固法及粘貼鋼板加固方法施工材料的增加對結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)分別建立采用0.15、0.30、0.45 mm厚碳纖維加固空心板下緣形式的有限元模型C-model1、C-model2、C-model3，分別建立采用0.4、0.6、0.8 cm厚鋼板加固空心板下緣形式的有限元模型S-model1、S-model2、S-model3。采用增加截面面積的方法對PC空心板表層進(jìn)行加固(I-model)。

為得出不同加固形式下PC空心板正常使用狀態(tài)下空心板抗裂性能以及結(jié)構(gòu)極限承載力，需對有限元模型荷載進(jìn)行逐步增加，該文設(shè)置結(jié)構(gòu)荷載步如表1所示。

表1 加載步數(shù)

3 加固方案對比

3.1 極限承載能力對比分析

定性分析碳纖維加固法及粘貼鋼板加固方法加固后結(jié)構(gòu)承載能力的響應(yīng)，讀取O-model、C-model1、C-model2、C-model3、S-model1、S-model2、S-model3、I-model計(jì)算結(jié)果，PC空心板加固后極限承載力如圖3所示。

圖3 極限彎矩對比

對比I-model與O-model計(jì)算結(jié)果可知：對空心板采用增加截面法加固法，極限承載力由3 441.50增加至3 499.66 kN·m，強(qiáng)度相對提高1.69%。由圖3可知：在結(jié)構(gòu)承載能力提高方面，粘貼鋼板法較碳纖維加固法更為明顯，并隨著鋼板厚度的增加，結(jié)構(gòu)承載能力有較大提高，粘貼鋼板法加固效率較高。隨著碳纖維厚度的增加，結(jié)構(gòu)承載力有一定的提高，但效率較低，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，0.45 mm碳纖維比0.15 mm碳纖維在承載能力方面貢獻(xiàn)率僅提高1.08%。

3.2 撓度對比分析

依據(jù)前文定義加載步數(shù)，對PC空心板進(jìn)行逐步加載，求得加固后空心板結(jié)構(gòu)極限彎矩，分別計(jì)算極限彎矩作用下結(jié)構(gòu)跨中撓度，各模型對應(yīng)的跨中撓度示意圖見圖4。

圖4 加固后跨中撓度對比

對比I-model與O-model計(jì)算結(jié)果可知：對空心板采用增加截面法加固，極限荷載作用下，結(jié)構(gòu)跨中撓度為68.68 mm，說明PC空心板加固后結(jié)構(gòu)剛度明顯增大，延性減弱。由圖4可知：空心板承受極限荷載作用下，結(jié)構(gòu)撓度指標(biāo)方面，碳纖維加固法較粘貼鋼板法更為明顯，并隨著碳纖維厚度的增加，結(jié)構(gòu)延性有較大提高，粘貼碳纖維法加固效率較高。隨著鋼板厚度的增加，結(jié)構(gòu)延性有一定的提高，但效率較低，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，0.8 cm鋼板比0.4 cm鋼板在結(jié)構(gòu)延性方面貢獻(xiàn)率僅提高4.52%。

3.3 抗裂性能對比分析

PC空心板正常使用狀態(tài)下經(jīng)不同方式加固后，裂縫寬度見表2。

表2 正常使用狀態(tài)下裂縫寬度

由表2可知：隨著碳纖維厚度的增大，裂縫寬度減小，但幅度較小，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，PC空心板縱、橫向裂縫擴(kuò)展區(qū)域相應(yīng)變小，但效果不明顯；粘貼鋼板較碳纖維在結(jié)構(gòu)抗裂性能上效果較好，鋼板厚度增加，PC空心板縱橫向裂縫擴(kuò)展區(qū)域減小較為明顯；作用同等大小外部荷載，增加空心板表層截面積后，跨中裂縫擴(kuò)展區(qū)域明顯減小，同時(shí)裂縫寬度降低，增大截面加固法效果較為顯著。

4 結(jié)論

(1)粘貼鋼板法對空心板橋承載能力影響最為顯著，粘貼碳纖維以及增大截面法對承載力貢獻(xiàn)次之。

(2)當(dāng)外界荷載達(dá)到結(jié)構(gòu)極限荷載時(shí)，粘貼碳纖維可大大增加結(jié)構(gòu)延性，粘貼鋼板法及增大截面法對結(jié)構(gòu)延性提升較小。

(3)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后，裂縫在一定程度上均被抑制，但增大截面加固空心板后，效果最為明顯。