梁橋碳纖維板與增大截面聯合加固不同順序加固效果研究

石皓帆　王江豪　劉子利　劉鵬程

摘 要：本文以貴州某橋為研究背景，采用有限元分析軟件MIDAS/FEA針對現有的加固方法：增大截面、普通碳纖維板與預應力碳纖維板等，建立了不同加固順序的梁橋模型。通過對比分析梁橋在不同加固順序下模型的受力變形和裂縫的擴展情況。結果表明：先碳纖維板后增大截面加固的順序與先增大截面后碳纖維板加固和同時增大截面及碳纖維板加固相比，加固效果較優。在實際工程中，當兩種加固方法的加固作業面不沖突時，可以不考慮加固方法的先后順序而采用兩種加固方法同時施工的加固方法，在幾乎不影響加固效果的同時，可以節省施工作業時間。

關鍵詞：公路橋梁;聯合加固;施工順序;增大截面;碳纖維板

中圖分類號：U445? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0115-03

1工程背景

本文以貴州省某預應力混凝土簡支箱梁橋為背景，全橋長35m，計算跨徑為34m，設計荷載為公路Ⅱ級，具體尺寸如圖1所示。為提高橋梁承載能力，擬采用梁底面粘貼2mm碳纖維板、橋面原11.5cm二期鋪裝鑿除替換的聯合加固方法，對簡支梁加固。通過對橋梁聯合加固過程中，碳纖維板及疊合層替換加固順序的不同，建立有限元計算模型，對加固效果進行分析。

2模型建立

本文以簡支梁橋為研究對象，假定其截面平均應變基本符合平截面假定，且各種材料結合良好不發生粘結或分層剝離破壞以及不考慮梁橋的剪切破壞。在MIDAS/FEA中主梁混凝土采用6面體實體，鋼筋單元統一取植入式桿式鋼筋，采用四節點四邊形平面應力單元來模擬碳纖維板單元，增大截面疊合層采用四節點四邊形板單元模擬保證在施工過程中的增大截面疊合層和主梁混凝土單元變形協調，采用八節點實體單元模擬梁橋的支座。通過單元的激活鈍化功能完成對加固過程的模擬，為減少計算時間，建模時只建立某一榀小箱梁進行計算。該簡支梁橋設計采用的主要混凝土、鋼絞線及加固材料特性見表1，有限元模型如圖2所示。

本文模擬了從成橋、二期、預加車道荷載、車道荷載及二期卸載、加固、車道荷載二次加載等過程，其中二期荷載包括原橋鋪裝荷載和人行道、欄桿等;車道荷載分為集中荷載和均布荷載;碳纖維的預應力通過升溫降溫的方法施加。MIDAS/ FEA通過荷載子步完成加固施工階段模擬，各加固方案荷載步的設置情況：對于梁3-1～6前四荷載步為自重加預應力、二期加車道、卸載車道荷載、卸載二期;梁3-1第五～七荷載步分別為激活疊合層、激活碳纖維板、荷載因子乘以車道荷載;梁3-2第五～七荷載步分別為激活碳纖維板、激活疊合層、荷載因子乘以車道荷載;梁3-3第五、六荷載步分別為同時激活疊合層和碳纖維板、荷載因子乘以車道荷載;梁3-4在梁3-1荷載步的基礎上增加激活碳纖維預應力荷載步;梁3-5同梁3-4荷載步數相同，但是先激活碳纖維板及其預應力，后激活疊合層;梁3-6第五荷載步同時激活疊合層、碳纖維板單元并施加碳纖維板預應力;由車道荷載因子的變化來確定加固后簡支梁和連續梁加固跨的開裂荷載、鋼筋屈服荷載及極限荷載。

3計算結果及分析

3.1簡支梁橋受力性能對比分析

由圖3可得，梁3-5和梁3-6開裂彎矩相同，梁3-2與梁3-1、梁3-3比較，開裂彎矩分別提高0.1%、0.05%;梁3-5、梁3-6與梁3-4比較，開裂彎矩分別提高0.09%、0.09%。梁3-2和梁3-3鋼筋屈服彎矩相同，梁3-4和梁3-6鋼筋屈服彎矩相同，梁3-2、梁3-3與梁3-1比較，鋼筋屈服彎矩分別提高0.03%、0.03%;梁3-5與梁3-4、梁3-6比較，鋼筋屈服彎矩分別提高0.03%、0.03%。同時可看出六片簡支梁極限彎矩均相同，六片連續梁加固跨極限彎矩均相同。

3.2簡支梁橋變形性能對比分析

由圖4可得，不同加固順序簡支梁的荷載因子-撓度曲線，梁3-1，梁3-2，梁3-3基本一致;梁3-4，梁3-5，梁3-6基本一致。如圖5所示，在跨中彎矩為7270kN·m時，各簡支梁橋跨中撓度，梁3-2與梁3-1、梁3-3比較，分別降低了0.19mm、0.14mm，降低幅度分別為0.55%、0.41%;梁3-5與梁3-4、梁3-6比較，分別降低了0.13mm、0.09mm，降低幅度分別為0.47%、0.33%。由圖6可得，簡支梁的位移延性系數，梁3-1與梁3-2、梁3-3比較，分別提高了0.004、0.001，提高幅度分別為0.22%、0.05%;梁3-4與梁3-5、梁3-6比較，分別提高了0.004、0.003，提高幅度分別為0.26%、0.19%。

3.3簡支梁橋裂縫擴展對比分析

3.3.1梁橋裂縫沿梁縱向及梁高方向擴展對比分析

在跨中彎矩為9524kN·m時，各簡支梁橋裂縫擴展如圖7（a～f）所示。

從圖7（a～f）可得，梁3-1、梁3-2、梁3-3比較，梁3-4、梁3-4、梁3-6比較，裂縫擴展均無明顯差異，且裂縫沿梁縱向及梁高方向擴展幾乎無影響。

3.3.2梁橋裂縫最大寬度對比分析

在跨中彎矩為9524kN·m時，各簡支梁橋裂縫最大寬度如表2所示。

由表2可得，簡支梁的裂縫最大寬度，梁3-2與梁3-1、梁3-3比較，分別降低了0.003mm、0.002mm，降低幅度分別為0.42%、0.28%;梁3-5與梁3-4、梁3-6比較，分別降低了0.003mm、0.002mm，降低幅度分別為0.54%、0.36%。同時加固順序的不同對梁橋裂縫最大寬度會產生影響，其中先碳纖維板后增大截面的加固順序效果最好，但影響不大。

4結論

梁橋在聯合加固中采用不同的加固順序，對梁橋開裂彎矩、鋼筋屈服彎矩、結構剛度等有略微提高，而對梁橋延性、裂縫最大寬度等略微降低，對梁橋裂縫沿梁縱向及梁高方向擴展幾乎無影響，對梁橋極限彎矩沒有影響。

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