橋梁加固方法及其優(yōu)化設計研究與應用研究

張家順 安 斌 孫 瑩

（1.山東省青州市中晨藝術小鎮(zhèn)畫廊城鳳凰藝術學院 262500）（2.日照交通規(guī)劃設計院有限公司 276800；3.濰坊工程職業(yè)學院 262500）

0 引言

當代時期各地建設橋梁的高峰期即將過去，人們的目光漸漸轉到加固和維修橋梁上。特別是最近20年以來，因為拖掛運輸方式和集裝箱運輸方式的大量使用，橋梁負載日趨加重，結構出現(xiàn)疲勞損傷的現(xiàn)象，問題非常嚴重。對原橋進行加固維修能在保證經濟性的前提下使橋梁重新滿足正常使用的需求，使橋梁滿足正常工作的要求。因此對舊橋進行加固維修是當今橋梁建設工作中亟待解決的問題。

1 連續(xù)剛構橋粘貼鋼板加固設計及分析

1.1 有限單元法概述

有限元法（或稱有限單元法）是目前工程界中應用最為普遍的數(shù)值計算分析方法。由于它的通用性和有效性較強，在工程領域受到高度的關注。隨著計算機科技的發(fā)展，其已成為計算機輔助制造（CAM）和計算機輔助設計（CAD）的重要組成部分，現(xiàn)已發(fā)展成為計算機輔助工程（CAE）。

航空航天和核工業(yè)對結構安全性要求較高，其是最早將有限元分析（FEA）用與結構安全性分析的領域。近20年以來，隨著計算機科技的發(fā)展，有限元分析方法已經不僅僅運用在結構安全分析上，現(xiàn)有的有限元商業(yè)軟件已經可以解決非常復雜的分析問題。

1.2 方法運用

有限元分析應用于對已有產品的優(yōu)化設計和新產品的設計，用于驗證在制造或建設前期過程中的設計規(guī)范，還用于調整現(xiàn)有的產品或結構形式，使其能滿足新的設計要求。

用簡單形狀的細小網(wǎng)格單元細分待分析的結構，在每個單元內部，用簡單的多項式圖形函數(shù)和節(jié)點位移確定位移變量的假定。由未知的節(jié)點位移進一步求得應力和應變方程。將平衡方程假定為矩陣的形式，這種形式的矩陣可在計算機上通過編程求解。節(jié)點位移可以通過剛度矩陣方程進行求解。一旦得到了節(jié)點位移，單元應力和應變也能夠被求解。

2 有限元模型及參數(shù)選擇

2.1 單元選取

2.1.1 混凝土單元

混凝土為非均質的材料，它的力學性能會對實驗模擬結果產生很大影響。本文有限元分析將選用SOLID95 單元作為混凝土單元進行建模。

SOLID95 是SOLID45（3 維8 節(jié)點）高階單元形式，此單元可以完成不規(guī)則幾何形狀的建模任務，但不會對計算的準確性造成影響；同時此單元的兼容性很好，SOLID95 有20 個經過定義的節(jié)點，每個節(jié)點都有3 個方向的自由度（X,Y,Z 方向），此單元在空間的方位不受限制，具有大變形、輻射膨脹、塑性、蠕變、應力剛度以及大應變的能力，并且提供不同的輸出項。

2.1.2 鋼筋單元

三維桿單元Link8 是軸向的拉伸-壓縮桿件單元，此單元具有兩個節(jié)點，每個節(jié)點有三個自由度，可用來模擬兩端鉸接的空間桿件的具體受力情況，而不必考慮桿件的扭曲和彎曲帶來的影響。

2.2 建立分析模型

建模過程如下：（1）根據(jù)圖3.3 所示的橫斷面和圖3.4 所示的縱斷面圖進行模型的建立。（2）由于本橋模型的梁的高度是采用二次拋物線模擬的，所以可以利用關鍵點沿拋物線復制的方法來組合成小的體積（按施工階段將各個階段的體積定義成組），再將所有小體積進行粘合。（3）采用工作平面切分實體，切出預應力鋼筋的具體方位。（4）將鋼筋線單獨篩選出分別賦予每個施工階段的屬性。（5）將體選出賦予每個施工階段的特性。（6）將鋼筋直線劃分單元。（7）將體劃分單元（映射網(wǎng)格劃分）。（8）將每一階段選出，定義成組。（9）根據(jù)施工階段，分別殺死不需要的單元。（10）分析各個施工階段的應力及內力變化。

2.3 劃分網(wǎng)格及加載求解

ANSYS 網(wǎng)格的劃分對數(shù)值模擬分析至關重要。網(wǎng)格劃分的好壞直接影響后續(xù)結果質量的優(yōu)劣，網(wǎng)格劃分不合理會導致結果不收斂。所以在實際應用中一定要遵守網(wǎng)格劃分的原則：網(wǎng)格的數(shù)模程度直接影響到計算結果的精確，但是網(wǎng)格加密會增加CPU 計算時間和需要更大的存儲空間。理想的網(wǎng)格密度是結果不再隨著網(wǎng)格的變化而改變的密度，即隨著網(wǎng)格細化后，解沒有發(fā)生顯著的變化。網(wǎng)格幾何形狀要合理。質量太差的網(wǎng)格可能會終止運算。

3 模型設計與運用分析

3.1 損傷模型

結構損傷模擬有多種方式，本文主要考慮損傷引起的截面剛度降低，通過將部分單元的剛度折減20%[48]來實現(xiàn)。應用粘貼鋼板法對損傷模型進行加固設計，由于粘貼鋼板的厚度，粘貼鋼板的形狀以及粘貼加固位置的不同會對加固結果產生影響，因此設計了3 組構件，比較各個構件的加固效果，從而得到相對優(yōu)化的加固方案。鋼板厚度的改變會給加固效果帶來影響。相同荷載作用下，隨著粘貼鋼板厚度的增加，梁的撓度逐漸減小，最大主應力隨之減小，經過加固的鋼筋混凝土梁的承載力有所提高，與文獻所得結論相同。

3.2 不同寬高比粘鋼加固模型

第二組L5 和L6 為在L1 的基礎上鋼板寬度和厚度分別增加為原來的2 倍。

增加粘鋼的厚度要比增加粘鋼的寬度加固效果明顯。所以，在實際加固維修工程中，優(yōu)先考慮增加粘鋼的厚度。

3.3 不同位置粘鋼加固模型

在梁柱節(jié)點附近粘貼鋼板加固，在加固材料完全相同的情況下，加固效果更好。與文獻中試驗結論一致。鋼板厚度的改變對加固效果有影響，隨著粘貼加固的鋼板厚度的增加，經過加固的結構的承載力有所提高；增加粘貼鋼板厚度比增加粘貼鋼板寬度效果明顯；在梁柱節(jié)點附近粘貼鋼板加固，加固材料完全相同的情況下，加固效果更好。對比分析的結果可以為今后相關橋梁加固工程提供參考。

4 結語

利用ANSYS 合理建立連續(xù)剛構橋模型，能夠有效地揭示結構的薄弱部位，比較真實的模擬構件的內力和變形，提高加固的效率。在梁柱節(jié)點附近粘貼鋼板加固，加固材料完全相同的情況下，加固效果更顯著。本文得到的有限元解比參考文獻的實驗結果小一些，其原因是在有限元分析中作出了一系列的假設，沒有考慮實際工程中可能出現(xiàn)的多種情況，比如有限元分析中假設鋼板與混凝土的接觸表面黏結充分，導致兩者結果之間存在差異。