有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)的理論分析及模擬計(jì)算

摘 要：有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系在施加預(yù)應(yīng)力階段，唯一和結(jié)構(gòu)有聯(lián)系的地方是在被加固結(jié)構(gòu)的錨固區(qū)域，并通過錨固區(qū)域的粘結(jié)力傳遞預(yù)應(yīng)力完成張拉階段的施工，此階段屬于體外預(yù)應(yīng)力加固。而在體外預(yù)應(yīng)力加固完成后噴注高性能復(fù)合砂漿，通過砂漿的粘結(jié)力形成有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力體系，此階段屬于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的范疇。因此有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力加固其實(shí)是兩種體系，兩種施工階段的疊加，它具有體外預(yù)應(yīng)力加固主動加固的優(yōu)點(diǎn)，同時有具有了有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的受力特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：有粘結(jié)；預(yù)應(yīng)力；橋梁；加固

有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)以其簡單的施工工藝和耐久性的優(yōu)勢越來越受到國內(nèi)工程界的重視。該技術(shù)適用于中等跨徑的鋼筋混凝土橋和預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，對提高橋梁加固后的補(bǔ)強(qiáng)材料利用率、提高結(jié)構(gòu)的耐久性和橋梁的使用壽命方面對我國現(xiàn)有的橋梁加固設(shè)計(jì)理論有著指導(dǎo)意義。

1 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系

有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系在施加預(yù)應(yīng)力階段，唯一和結(jié)構(gòu)有聯(lián)系的地方是在被加固結(jié)構(gòu)的錨固區(qū)域，并通過錨固區(qū)域的粘結(jié)力傳遞預(yù)應(yīng)力完成張拉階段的施工，此階段屬于體外預(yù)應(yīng)力加固。而在體外預(yù)應(yīng)力加固完成后噴注高性能復(fù)合砂漿，通過砂漿的粘結(jié)力形成有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力體系，此階段屬于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的范疇。因此有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力加固其實(shí)是兩種體系，兩種施工階段的疊加，它具有體外預(yù)應(yīng)力加固主動加固的優(yōu)點(diǎn)，同時有具有了有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的受力特點(diǎn)。

本文的試驗(yàn)基本組成分為：預(yù)應(yīng)力鋼絞線、預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、體外有粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)材料，如圖所示。

2 有限元模擬分析

2.1 計(jì)算模型

本文使用ANSYS來進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算模型采用鋼筋混凝土分離式模型，即將混凝土簡化為實(shí)體單元，鋼筋簡化為梁單元。混凝土采用Solid65單元，鋼筋采用Link8單元。在模擬中把鋼筋作為線單元考慮，不考慮橫向抗剪強(qiáng)度，在鋼筋和混凝土之間加粘結(jié)單元來模擬實(shí)際的鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移。由于材料的物理性能不同，當(dāng)裂縫產(chǎn)生時兩種材料間變形效果不同，會導(dǎo)致粘結(jié)失效，出現(xiàn)滑移效果。而作為實(shí)體單元的混凝土可以有效的模擬出三個正交方向的拉裂、壓碎、塑性變形和蠕變的能力。

2.2 材料模型

本文模擬的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塑性變形階段，因此材料模型采用Hognestad模型來表現(xiàn)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

2.3 裂縫的模擬

混凝土的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小很多，多數(shù)情況下是帶裂縫工作的。裂縫的出現(xiàn)會引起裂縫周圍混凝土應(yīng)力重分布，本文采用分布裂縫模型，其實(shí)質(zhì)是將混凝土裂縫分布到整個單元中，把混凝土材料看成各向異性材料，利用混凝土的本構(gòu)關(guān)系來模擬裂縫。

3 計(jì)算模型分析

有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固橋梁結(jié)構(gòu)的受力變形分為3個階段，用于計(jì)算的梁分別模擬了這3個階段。

3.1 施加預(yù)應(yīng)力階段

在施加預(yù)應(yīng)力前，構(gòu)件的自重和恒載均由原梁獨(dú)立承擔(dān)，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生反向彎矩，使原結(jié)構(gòu)受拉去受壓，受壓區(qū)受拉，裂縫閉合，但預(yù)應(yīng)力筋仍屬于體外配筋，與梁變形不協(xié)調(diào)。

3.2 成橋階段

通過噴射高性能復(fù)合砂漿，將預(yù)應(yīng)力筋與梁體結(jié)合，形成組合截面。此時，體外預(yù)應(yīng)力體系轉(zhuǎn)變?yōu)橛姓辰Y(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系，砂漿產(chǎn)生的恒載仍由原梁獨(dú)立承擔(dān)。

3.3 運(yùn)營階段

車輛荷載等由加固后的組合截面承擔(dān)，橋梁受力同普通受彎梁基本相同。

4 ANSYS模擬計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?組共6矩形梁，混凝土梁跨度4m，截面為200×300mm，材料為C30混凝土，彈性模量3.0×104MPa。其中1-1和2-1是未加固梁，底部受拉鋼筋分別為2根20mm鋼筋；1-2和2-2是加固梁，采用1×2股8.6mm鋼絞線錨固，并噴注高性能復(fù)合砂漿形成有粘結(jié)力預(yù)應(yīng)力體系的梁；1-3和2-3分別是加固完成后投入使用階段的受力模擬。

試驗(yàn)梁模擬計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)束語

本文對有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系進(jìn)行了有限元模擬受力分析，建立了符合力學(xué)假定的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停贸鼋Y(jié)論：

5.1 有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系在施加預(yù)應(yīng)力階段，屬于體外預(yù)應(yīng)力加固，在噴注高性能復(fù)合砂漿以后，通過砂漿的粘結(jié)力形成有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力體系，此階段屬于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的范疇。因此有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力加固其實(shí)是兩種體系、兩種施工階段的疊加，具有橋梁加固主動加固的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。

5.2 加固構(gòu)件的承載力一般以原梁鋼筋屈服控制設(shè)計(jì)，最終破壞都是以鋼筋屈服變形過大為最終破壞形態(tài)；極限狀態(tài)下后加預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力原則上應(yīng)按其變形確定，極限狀態(tài)下后加預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變與原梁的配筋率和預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力及應(yīng)力損失有關(guān)。

5.3 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固受彎構(gòu)件的使用階段應(yīng)力驗(yàn)算，其實(shí)質(zhì)是構(gòu)件的承載能力計(jì)算，其內(nèi)容包括使用階段正截面混凝土的法向壓力和鋼筋拉應(yīng)力的驗(yàn)算，應(yīng)力計(jì)算也應(yīng)考慮分階段受力特點(diǎn)。

5.4 有限元模擬計(jì)算的極限承載能力值均高于理論計(jì)算值。

參考文獻(xiàn)

[1]李晨光.體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在工程加固改造中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，1999.128（2）：30-32.

[2]邱青云.體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的發(fā)展現(xiàn)狀及探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2000，20（5）：19-20.

[3]盧文良，等.體外預(yù)應(yīng)力加固鐵路混凝土梁設(shè)計(jì)方法[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23（4）：22-25.