老舊橋梁結構加固中高性能纖維增強材料應用

摘要：隨著城市化進程的加快和交通運輸負荷的增加，許多老舊橋梁結構面臨著嚴重的安全隱患和使用壽命問題。本文以老舊橋梁鋼結構為研究對象，針對高性能纖維增強材料的加固效果展開系統分析。在模擬分析高性能纖維增強材料加固軸心受力構件的數值研究中，需關注材料結構，包括鋼材和結合膠的性能特點。選擇適當的單元類型以準確模擬材料的行為，并建立構件內部的接觸關系。進行精細的網格劃分以確保計算精度，并設定合理的邊界條件和加載方式。完成以上步驟后，進行結果分析，評估加固效果。還需針對高性能纖維增強材料加固鋼梁的數值進行模擬研究，建立精確的有限元模型，并通過實驗數據或其他驗證手段對模型進行驗證。通過參數分析，探討不同因素對加固效果的影響，優化加固設計，提高老舊鋼橋的承載能力和結構穩定性。通過精確的有限元模型和實驗驗證，優化設計的HPFRP加固方案能夠有效延長橋梁的使用壽命并增強其安全性，為進一步提高橋梁結構穩定性奠定堅實基礎。

關鍵詞：高性能纖維；增強材料；老舊橋梁；鋼結構；加固效果

中圖分類號：U447"""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""" 文章編號：

Analysis on the Reinforcement Effect of High-Performance Fiber Reinforced Material on the Old Bridge Structure

HAO Shuai，WANG Kaiyu，WANG Xi，ZHAO Yang

（Jilin Architectural Science Research and Design Institute，Changchun Jilin 130011，China）

Abstract：With the acceleration of urbanization process and the increase of transportation load， many old bridge structures are gradually faced with serious safety risks and service life problems.In this paper，taking the steel structure of the old bridge as the research object，we systematically analyze the reinforcement effect of high performance fiber reinforced materials.In the simulation analysis of the reinforcement axial bearing components of high performance fiber reinforced materials，we should pay attention to the material structure，including the performance characteristics of steel and combined rubber.The appropriate cell type is chosen to accurately simulate the material behavior and to establish contact relationships within the components.Make fine mesh division to ensure calculation accuracy， and set reasonable boundary conditions and loading methods.After completing the above steps，the results were analyzed to evaluate the reinforcement effect.It is also necessary to study the numerical simulation of high-performance fiber reinforced materials，establish a precise finite element model， and verify the model through experimental data or other verification means.Through the parameter analysis，the influence of different factors on the reinforcement effect is discussed，and the reinforcement design is optimized，so as to improve the bearing capacity and structural stability of the old steel bridge.With the help of accurate finite element model and experimental verification， the optimal design of HPFRP reinforcement scheme can effectively extend the service life of the bridge and enhance its safety， laying a solid foundation for further improving the stability of the bridge structure.

Keywords： high-performance fiber;reinforced materials;old bridge;steel structure;reinforcement effect

0 引言

高性能纖維增強材料（High-performance fiber-reinforced materials，簡稱HPFRP）是一種由高強度纖維（如碳纖維、玻璃纖維等）與高性能樹脂（如環氧樹脂、聚酯樹脂等）復合而成的復合材料，具有優異的力學性能，包括高強度、高模量、輕質、耐腐蝕、抗疲勞等特點，常用于工程結構的加固、修復和增強，如橋梁、建筑物、水利水電工程等領域，可提高結構的承載能力、耐久性和抗震性能。通過分析高性能纖維增強材料對老舊橋梁結構的加固效果，不僅可以深入了解HPFRP材料在橋梁結構加固中的作用機理，為橋梁加固設計提供科學依據，還能針對不同類型和狀況的老舊橋梁結構，探索合理的HPFRP加固方案，提高結構的安全性和可靠性，為相關技術標準和規范的修訂提供參考，推動HPFRP材料在橋梁加固領域的應用和推廣，促進城市橋梁結構的維護與更新。

1 高性能纖維加固軸心構件數值模擬研究

ABAQUS是一種廣泛應用于工程領域的有限元分析軟件，可以模擬和分析各種工程結構的力學行為和應力分布情況。在本文研究中，通過建立合適的數值模型，模擬高性能纖維增強材料加固后，構件在靜載加載條件下的受力情況，評估加固效果并優化設計方案。

1.1 材料結構

1.1.1鋼材

在模擬分析中，高性能纖維增強材料的結構是其中關鍵的一部分，該材料通常由纖維和基質組成。纖維通常是碳纖維、玻璃纖維或其他合成纖維，具有高強度和剛度；基質則是固化劑和填料的復合物，用于固定和支撐纖維。在模擬分析中，需要考慮材料的組成比例、層序、纖維取向，以及纖維和基質之間的界面效應等因素。通過調整這些參數，更準確地模擬高性能纖維增強材料在受力條件下的行為，評估其加固效果和結構性能，其計算公式：

（1）

式（1）中：εn為試驗中的應變值，%；ΔL為物體在受到拉伸力作用下的長度增量，mm；L0為物體的初始長度，mm。

（2）

式（2）中：σn為試驗中的應力，N/m？；F為加載的力量，N；A0為初始的截面積，m？。試驗中得到的應力和應變需要經過換算，變為真實的應力σ和應變ε，這個換算過程是必要的，因為試驗中測量的應力和應變通常是相對于初始尺寸和幾何形狀的，真實應力和應變需要考慮到材料的變形和變化，因此，需要進行相應的校正，計算公式如下，應力應變曲線如圖1所示。

（3）

（4）

通過拉伸試驗，獲得鋼材流動應力-應變曲線，其中應力基于載荷與原始截面積之比計算，應變則基于變形長度與原始長度之差與原始長度之比。曲線反映了材料從彈性到塑性變形的全過程，是金屬材料性能分析的重要依據。

1.1.2 結合膠

根據相關文獻的研究，大多數結合膠在鋼材破壞之前仍處于未破壞狀態且呈現彈性行為，因此，可以將其應力-應變曲線視為線性關系，結合膠應力-應變曲線如圖2所示[1]。

1.2 單元類型選取

對于橋梁結構中的主要受力構件，如梁柱等，選擇采用鋼管單元類型C3D8R，這種單元類型適用于描述復雜的三維幾何形狀和非線性材料行為，能夠準確地模擬構件的受力情況，鋼管單元具有較高的剛度和強度，適用于模擬高性能纖維增強材料在橋梁結構中的加固效果。針對高性能纖維增強材料的結構特性，選擇使用膜單元類型進行分析，膜單元類型能夠更好地描述材料的薄膜特性和拉伸行為，適用于模擬高性能纖維增強材料在加固過程中的應力傳遞和變形情況[2]。

1.3 接觸關系建立

在模擬分析過程中，根據實際情況選擇合適的接觸模型，對于高性能纖維增強材料加固軸心受力構件，采用內聚力模型來描述接觸行為，內聚力模型能夠考慮到相與相之間的微觀力學行為，包括接觸面的形變、應力分布以及接觸面之間的摩擦力等因素，能更加準確地模擬接觸關系。在模擬分析中，考慮材料的力學性質、表面粗糙度、接觸面積等因素，根據實驗數據或文獻資料確定接觸模型的參數，如表面間摩擦系數、界面強度等。對模擬結果與實驗數據對比分析，驗證模擬過程中所建立的接觸關系是否準確，如果模擬結果與實驗數據存在差異，需對接觸模型的參數進行調整，使模擬結果更加符合實際情況。根據B-K條件，當接觸之間發生破壞時，即可認定膠結失效，在模擬分析中，監測接觸面之間的應力狀態，并根據破壞準則來判斷是否發生膠結失效，建立接觸關系并進行膠結失效監測，準確評估高性能纖維增強材料對老舊橋梁結構的加固效果，為工程實踐提供可靠的參考依據[3]。

1.4 網格劃分

針對加固結構的幾何形狀和結構特征，進行合理的網格劃分，如圖3所示，對于軸心受力構件這類結構，采用四邊形單元或六面體單元進行網格劃分，在確定網格大小時，考慮到結構的局部細節和全局特征，保證在局部區域有足夠的網格密度以捕捉結構的變形和應力集中情況，同時在全局區域保證計算效率。結合加固材料的特性和加固方式，對加固區域進行特殊的網格劃分，對于高性能纖維增強材料的加固區域，采用特殊的網格類型或者增加網格密度，確保模擬過程中能夠準確反映材料的力學行為。根據結構的受力情況，對載荷作用區域和邊界條件進行合理劃分，保證在受力區域和邊界處有足夠的網格密度和合適的約束條件，從而得到準確的模擬結果。為了驗證網格劃分的合理性和準確性，需要進行網格收斂性分析，逐步增加網格密度，觀察模擬結果的變化情況，確定合適的網格密度和網格劃分方式，確保模擬結果的收斂性和準確性[4]。

1.5 邊界條件與加載

針對邊界條件的設定，考慮到受力構件兩端的支撐情況，可將兩端簡化為兩個約束點進行加載，這種簡化模型能夠準確反映結構的整體受力情況，同時簡化計算復雜度。設定約束點時，需考慮到支撐點的位置和約束方式，確保能夠真實反映結構的受力邊界條件。可采用位移控制的加載方式，即按照實際工況加載到固定位移后停止加載，然后進行求解，這種加載方式能夠更好地模擬實際工程中的加載情況，使模擬結果更貼近實際情況。在設定加載位移時，需關注到結構的受力情況和加載的持續時間，以保證加載過程的合理性和模擬結果的準確性[5]。

1.6 結果分析

根據模擬分析的結果，結合膠在鋼結構上承受荷載時表現出較為均勻的受力分布，沒有出現應力集中的現象，符合建筑工程的要求，同時，與普通鋼結構材料相比，結合膠表現出更高的承載力和強度，為老舊橋梁結構的加固提供了可靠的支持，模型應力云圖如圖4所示。通過模擬分析，發現結合膠的層數對其承載能力有明顯的影響，但隨著層數增加，增加的極限荷載并非線性增長，當結合膠的層數超過4層時，繼續增加層數并不會顯著增加極限荷載的承載能力，反而收益遞減，這意味著在設計加固方案時，需要綜合考慮結合膠層數的選擇，避免不必要的材料浪費，并確保最佳的加固效果，結合膠層數和極限荷載的關系如圖5所示。對于結合膠的性能評估，還需考慮其在實際工程中的可行性和經濟性，雖然結合膠表現出良好的承載性能，但其具體應用還需綜合考慮諸多因素，如材料成本、施工工藝等，因此，模擬分析的結果不僅提供了對結合膠加固效果的定量評估，也為工程實踐中的材料選擇和設計提供了重要參考，為老舊橋梁結構的加固和維護提供了技術支持和指導[6]。

2 高性能纖維增強材料加固鋼梁數值模擬研究

2.1 建立有限元模型

在進行高性能纖維增強材料對老舊橋梁結構加固效果的模擬分析時，應結合試件模擬參數（見表1），建立有限元模型，確定模型的幾何形狀和尺寸，包括老舊橋梁結構的幾何參數、高性能纖維增強材料的加固部位和尺寸，選擇合適的材料模型和單元類型，鋼梁通常使用梁單元進行建模，高性能纖維增強材料可以采用殼單元或彈性單元進行建模，結合模擬參數表，確定材料的力學性質，如彈性模量、泊松比等。根據實際情況設定邊界條件和加載方式，在模擬過程中，考慮到老舊橋梁結構的實際工作狀態，可以簡化兩端為兩個約束點進行加載，并使用位移控制，即按照實際工況加載到固定位移后停止加載，然后進行求解，這種加載方式能夠更好地模擬實際工程中的加載情況，提高模擬結果的準確性和可靠性[7]。在模型建立完成后，需要進行網格劃分，網格劃分的精細程度對模擬結果的準確性和計算效率都有重要影響，對于老舊橋梁結構和高性能纖維增強材料加固部位，應結合實際情況進行合理的網格劃分，確保模型的穩定性和收斂性。進行模擬計算并分析結果，通過有限元軟件進行模擬計算，得到結構在不同加載情況下的應力、應變分布等結果，評估高性能纖維增強材料對老舊橋梁結構加固效果的影響，在分析過程中，需要綜合考慮各種因素，如結構的安全性、穩定性、剛度等，為實際工程提供科學的參考依據[8]。

2.2 有限元模型的驗證

為驗證高性能纖維增強材料對老舊橋梁結構加固效果模擬分析結果的準確性和可靠性，需要進行有限元模型的驗證，將模擬得到的應力、應變等結果與實驗值進行對比分析，如圖6所示，通過對比評估模擬結果的準確程度，如果模擬值與試驗值之間的誤差在控制范圍內，則可以認定使用ABAQUS對加固梁進行有效模擬。驗證過程中，需對比模擬值與試驗值的主要參數，如應力、應變、位移等，分析它們之間的偏差和一致性，考慮加載情況下結構的響應特性，包括載荷大小、加載速率等因素對模擬結果的影響，對模擬過程中使用的材料參數和邊界條件進行審查，確保其與實際工程情況一致，進行靈敏度分析，評估不同參數對模擬結果的影響程度，以確定模型的可靠性和穩定性[9]。

2.3 參數分析

圖7展示了結合膠層數與極限荷載的關系，通過對加固梁的結構參數進行分析，包括結合膠的層數、膠結長度等因素，根據實驗結果，發現加入結合膠后的加固梁承擔極限荷載的能力大幅提升，且第二層結合膠對極限荷載的影響較第一層小一些。對其他影響因素進行分析，如鋼梁的尺寸、材料參數等[10]。通過參數分析，確定不同參數對加固效果的影響程度，并進一步優化設計方案，例如，通過調整結合膠的層數和膠結長度來提高加固效果，或者選擇合適的鋼材尺寸和材料參數，優化加固結構的性能。考慮不同加載條件下的參數變化情況，模擬不同加載條件下的加固效果，評估結構在不同工況下的承載能力，為實際工程應用提供參考依據[11]。

3 結語

借助HPFRP材料對老舊橋梁結構進行加固，不僅可以延長橋梁的使用壽命，提高結構的抗震性能和承載能力，還可以減少維修周期和成本，有效解決城市橋梁老化和安全問題，有效提升城市橋梁結構的安全性和可持續發展能力，實現橋梁結構的延壽和優化更新。希望本研究能夠為橋梁工程領域的技術創新和工程實踐提供有益的借鑒和啟示，為城市交通運輸安全和發展做出貢獻。

參考文獻

[1]宋赳鋒.高性能纖維增強材料應用于鋼結構構件加固性能研究[J].建筑技術開發，2022，49（14）：74-77.

[2]邵方誠，李秀領.基于Open Sees綠色高性能纖維增強水泥基復合材料柱抗震性能研究[J].混凝土，2020（4）：78-83，88.

[3]李言，李秀領.綠色高性能纖維增強水泥基復合材料梁柱節點抗震性能研究[J].建筑結構，2021，51（15）：88-93.

[4]吳超，譚力豪，馮鵬，等.高性能復合材料助力“新基建”——“高性能纖維增強復合材料的多尺度結構與性能研究”專欄序言[J].復合材料學報，2022，39（11）：5047-5048.

[5]麻鵬飛，程寶軍，高育欣，等.高性能纖維增強水泥基復合材料及其墻材制品性能試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2021（7）：47-51.

[6]劉斌，王虎勝，楊家琦，等.跨中頂撐預應力碳纖維增強復合材料板加固鋼筋混凝土梁的試驗研究[J].工業建筑，2023，53（3）：21-28.

[7]呂相蓉，李秀領，郭強，等.纖維增強水泥基復合材料裝配式節點抗震性能研究[J].建筑科學，2021，37（9）：80-89.

[8]李如博，蔣隆敏，王球.CFRP網復合砂漿加固短肢剪力墻連梁抗震性能試驗研究[J].湖南工業大學學報，2020，34（3）：49-55.

[9]吳應雄，鄭新顏，黃偉，等.超高性能混凝土-既有普通混凝土界面黏結性能研究綜述[J].材料導報，2023，37（16）：140-150.

[10]翟夢超，王景全，姚一鳴.織物增強混凝土的纖維協同等代效應對約束混凝土的影響分析[J].建筑科學與工程學報，2021，38（4）：110-117.

[11]薛文遠，胡翔，薛偉辰.玻璃纖維增強復合材料筋與超高性能混凝土之間黏結-滑移本構模型[J].哈爾濱工程大學學報，2023，44（5）：698-707.

編輯：楊 洋

收稿日期：2024-03-15

作者簡介：郝 帥（1992～），男，吉林省長春市人，助理工程師，從事土木工程工作。