鋼筋混凝土梁組合加固技術(shù)的仿真分析

王 楠 ,劉 洋,蔡 越

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040；3.武漢港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，武漢 430040)

當(dāng)前我國交通運(yùn)輸事業(yè)隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，交通流量和車輛載重也大幅增長，加上橋梁所處環(huán)境的侵蝕，我國大量橋梁出現(xiàn)了橋梁老化加速、承載力不足的問題[1]。并且由于施工、環(huán)境影響等方面的原因，橋梁保護(hù)層混凝土碳化嚴(yán)重，對(duì)內(nèi)部鋼筋的保護(hù)能力下降，并且伴隨著混凝土表面的裂縫增大，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的腐蝕加快，更加快了橋梁承載力下降的速度[2]。對(duì)于承載力不足的橋梁，利用加固的方法使其繼續(xù)服役是較為經(jīng)濟(jì)可行的?，F(xiàn)有的加固方法主要集中在鋼板加固、碳纖維板加固等單一方面，這類加固是二次受力的加固方法，只有在橋梁承受更大荷載的時(shí)候才能發(fā)揮作用。而現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力碳纖維加固方法存在錨固困難和預(yù)應(yīng)力損失過大等問題[3]。

為提高現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的承載力、剛度及耐久性可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。常用加固方法有：增大截面法、粘貼鋼板法、粘貼纖維組合材料法、體外預(yù)應(yīng)力法、改變結(jié)構(gòu)體系法等[4]。其中前三種方法屬于被動(dòng)加固范疇，其加固效果只有在橋梁結(jié)構(gòu)再次受荷時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)，對(duì)原結(jié)構(gòu)的受力性能無明顯改善作用，提高的承載能力有限；后兩種方法屬于主動(dòng)加固范疇，但受結(jié)構(gòu)形式、錨固或材料特性的影響，均有一定的局限性。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固是對(duì)傳統(tǒng)碳纖維板(布)加固的一次理念提升。它是一個(gè)主動(dòng)受力的過程，能夠在加固施工完成后即對(duì)梁施加作用，對(duì)裂縫有很好的閉合作用[5]。但也有其不足之處，如：預(yù)應(yīng)力碳纖維板的錨固系統(tǒng)不易處理，碳纖維板加固的混凝土梁易出現(xiàn)脆性破壞，此外，目前的碳纖維板張拉設(shè)備比較復(fù)雜，施工時(shí)不方便[6]。

1 加固方式

針對(duì)以上問題，研究提出了一種組合加固技術(shù)，采用鋼板和預(yù)應(yīng)力碳纖維板對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固，在提供承載力的同時(shí)，也屬于主動(dòng)受力的范疇。具體加固步驟如下：

1)混凝土梁表面處理 先對(duì)混凝土梁表面裂縫進(jìn)行封閉或灌封處理，達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后鑿除浮漿層，完全露出混凝土新面；再進(jìn)行鑿毛處理，并清洗表面的浮塵及混凝土渣；最后對(duì)凹凸不平較嚴(yán)重的表面用環(huán)氧樹脂砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。

2)鋼板的下料及處理 先根據(jù)鋼板設(shè)計(jì)尺寸，采用工廠自動(dòng)或半自動(dòng)切割方法進(jìn)行切割，成型后的鋼板的切割邊緣表面光滑、無毛刺、咬口及翹曲的缺陷；再將鋼板粘合面打磨至金屬光澤并具有粗糙度；最后將固定端波形齒板和張拉端的固定塊焊接在鋼板非粘合面相應(yīng)的位置。

3)粘貼和固定鋼板 先涂抹膠粘劑，再將鋼板粘貼于預(yù)定位置，鋼板粘貼好后，需在其表面施加0.05～0.1 MPa的壓力，使膠粘劑恰好從鋼板的邊縫中擠出為宜，然后在 20 ℃以上常溫下使膠粘劑固化24 h；最后，清除鋼板表面污垢和銹斑，在鋼板外露面上涂刷兩遍鐵紅色酚酞防銹漆，再外涂兩遍灰色面漆。

4)粘貼和固定U形鋼板箍 在鋼板的兩端端頭進(jìn)行鉆孔、清孔和注膠，再分別用膠粘劑粘貼U形鋼板箍，并通過螺栓進(jìn)行加強(qiáng)錨固。

5)預(yù)應(yīng)力碳纖維板的張拉和錨固 按照設(shè)計(jì)尺寸要求裁剪預(yù)應(yīng)力碳纖維板，并將裁剪好的預(yù)應(yīng)力碳纖維板的兩端分別置于錨固端波形齒板及張拉端波形齒板的底板與蓋板之間，并使預(yù)應(yīng)力碳纖維板縱向軸線通過波形齒板的中心線，將張拉端波形齒板上的螺桿穿過固定塊上的通孔，在螺桿的伸出端依次套設(shè)固定螺母、反力塊和反力螺母；然后用扳手對(duì)波形齒板的各個(gè)螺母施加相應(yīng)的扭力，確保波形齒板對(duì)碳纖維板的有效錨固又不剪斷碳絲；將千斤頂置于固定塊和反力塊之間，擰緊反力螺母后，逐級(jí)張拉千斤頂至張拉控制應(yīng)力；最后，在預(yù)應(yīng)力碳纖維板表面及波形齒板上粉飾水泥復(fù)合砂漿作為防護(hù)層，完成對(duì)混凝土梁的抗彎加固。

2 仿真分析

項(xiàng)目選用ABAQUS作為主要建模工具，ABAQUS對(duì)材料非線性模擬效果較好，也易于收斂。在ABAQUS中選用concrete damage plastic來模擬混凝土，通過建立二維或三維模型對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行模擬，在模擬試驗(yàn)梁的同時(shí)可以更改不同加固內(nèi)容，修改和完善之前建立的模型。

有限元模型采用的材料及其特性如下：

2)鋼筋：彈性模量為Ec=200 GPa，屈服強(qiáng)度fys=fyc=440 MPa，fyv=596 MPa

3)混凝土墊塊：彈性模量為Ec=28 020 MPa，泊松比ν=0.2

4)碳纖維布Cfrp：理論厚度h=0.167 mm，抗拉強(qiáng)度ft=3 400 MPa，泊松比ν=0.2，彈性模量Ec=240 GPa；

加固方式為以下三種，采用ABAQUS建立有限元模型，加固方式如下描述，結(jié)果如圖1～圖3所示。

加固方式一：無碳纖維板，無鋼板；加固方式二：無碳纖維板，鋼板厚度為3.0 m； 加固方式三：碳纖維板厚度為0.167 mm，鋼板厚度為3.0 m。

從圖可以看出，相比于僅鋼筋混凝土，無加固模型的模型最大等效應(yīng)力僅為19.50 MPa，而采用鋼板加固后，混凝土的最大等效應(yīng)力提高到20.02 MPa，承載力有所提高，但不明顯。而采用鋼板和碳纖維板組合加固后，混凝土最大等效應(yīng)力提高到31.55 MPa。相比于不加固，組合加固后最大等效應(yīng)力提高了63.25%，相較于僅使用鋼板加固，組合加固后最大等效應(yīng)力提高了57.59%。并且，組合加固后結(jié)構(gòu)的裂縫分布更加均勻，遍布于梁體的2/3，說明組合加固后混凝土受力更加均勻，且更具延性。

3 結(jié) 論

從組合結(jié)構(gòu)的原理出發(fā)，對(duì)混凝土受彎構(gòu)件進(jìn)行加固，形成一項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)展的加固技術(shù)，為同類型結(jié)構(gòu)加固提供了一種新的思路。摒棄了之前采用的在鋼板和混凝土梁之間填粘結(jié)劑加固的方式，避免了混凝土不能振搗密實(shí)，無法保證混凝土質(zhì)量，新舊混凝土不能有效共同工作的問題。采用有限元模型驗(yàn)證了該研究提出的組合加固有效性。從結(jié)構(gòu)中可以看出，組合加固后鋼筋混凝土的最大等效應(yīng)力提高了63.25%，并且加固后的鋼筋混凝土延性有大幅度提高，受力更加合理，裂縫分布也更均勻。

[1] 翟愛良，劉春偉，王東海.預(yù)應(yīng)力碳纖維布與鋼板復(fù)合加固混凝土受彎構(gòu)件[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)， 2009， 14(3)：14-20.

[2] 張建仁，唐 皇，彭建新,等.鋼板加固銹蝕RC梁短期撓度計(jì)算方法和試驗(yàn)[J].中國公路學(xué)報(bào)， 2015， 28(10)：41-50.

[3] 尚守平，張寶靜，呂新飛.預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼筋混凝土梁間接剛度試驗(yàn)[J].中國公路學(xué)報(bào)， 2016， 29(11)：74-81.

[4] 周愛軍，黃承逵.CFRP布加固鋼筋混凝土梁抗彎承載力設(shè)計(jì)計(jì)算方法[J].公路交通科技， 2007， 24(8)：78-82.

[5] 李翔，顧祥林.碳纖維布加固低強(qiáng)度混凝土梁的抗彎承載力[J].土木工程學(xué)報(bào)， 2012， 45(1)：23-29.

[6] 高軒能，周期源，陳明華.粘鋼加固RC梁承載性能的理論和試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)， 2006， 39(8)：38-44.