基于Ansys的橋梁橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固仿真分析

楊曉東，傅長榮，黃 金，白 石

（1.麗水市公路管理局，浙江 麗水 323000；2.麗水學(xué)院；3.智性纖維復(fù)合加固南通有限公司，江蘇 南通 226000）

1 引言

近年來，裝配式空心板橋經(jīng)常出現(xiàn)沿空心板間企口縫的縱向裂縫、坑槽和塌陷，且空心板間鉸縫處混凝土破碎、脫落、大面積滲漏，致使板間橫向聯(lián)系失效，出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象，嚴重影響行車安全，成為整條公路交通的瓶頸[1-3]。因此，對這類病害橋梁進行加固研究具有重要的工程實用價值。

常用的加固方式有粘鋼及體外預(yù)應(yīng)力。體外預(yù)應(yīng)力的加固效果更好，可以有效改善荷載橫向分布，增加結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系，成為目前研究的熱點。陳淮[4]等采用橫向體外預(yù)應(yīng)力筋來加固空心板橋，對比施加橫向預(yù)應(yīng)力加固空心板橋前后的計算結(jié)果，得出采用施加橫向預(yù)應(yīng)力的方法能有效改善荷載橫向分布，增加空心板結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系，避免單板受力，加固效果明顯。杜紅靜[5]研究了橫向預(yù)應(yīng)力大小、位置等對空心板橋加固效果的影響，得出橫向張拉預(yù)應(yīng)力可以很好的增加結(jié)構(gòu)剛度及承載能力，加固效果良好。韓相宏[6]利用有限元軟件Ansys建立空心板梁橋的有限元模型，以接觸單元模擬鉸縫混凝土的開裂面，計算分析荷載作用下橫向預(yù)應(yīng)力、板間摩擦系數(shù)、板梁豎向撓度三者之間的相互關(guān)系。宋宇鋒等[7]將有限元方法和全尺寸模型試驗得出的空心板梁橋橫向分布結(jié)果與現(xiàn)行設(shè)計方法采用的鉸接板法計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)鉸接板法在計算空心板梁橋橫向分布時存在較大誤差，鉸縫實際受力方式與設(shè)計方法所假設(shè)的受力方式有很大區(qū)別。但上述研究未說明在一定的鉸縫損傷工況下，橫向預(yù)應(yīng)力加固使得鉸縫梁端一定距離范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力值超限后如何處理。另外，目前所用的大多數(shù)加固材料均采用鋼絞線，容易受到服役環(huán)境的腐蝕，影響加固效果。

本文將根據(jù)上述研究現(xiàn)狀，采用有限元分析軟件Ansys 對水口殿大橋空心板梁橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固進行建模分析，研究在最不利荷載掛車-100 級中載加載下，碳纖維板加固前后鉸縫底緣橫向正應(yīng)力和撓度的變化情況[8，9]，并分析在一定的鉸縫損傷工況下橫向預(yù)應(yīng)力加固使得鉸縫梁端一定距離范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力值超限后如何進行處理，為實際橋梁結(jié)構(gòu)的橫向預(yù)應(yīng)力加固分析提供參考。

2 橋梁空心板梁建模

利用有限元軟件Ansys，參照水口殿大橋空心板梁橋標準圖的相關(guān)數(shù)據(jù)進行建模。加固模型中鉸縫和空心板材料為C40 混凝土，采用Solid65 實體單元進行模擬，在鉸縫開裂失效位置處添加僅受壓的link10 單元，模擬橫向預(yù)應(yīng)力加固后鉸縫混凝土恢復(fù)的受壓性能，縱向預(yù)應(yīng)力束采用15.2mm 高強鋼絞線，橫向預(yù)應(yīng)力材料采用截面尺寸為100mm×2mm 的碳纖維板，主要材料特性及模擬方式見表1。

表1 加固模型材料參數(shù)

截面幾何尺寸如圖1所示，7 塊板有限元模型如圖2 所示，從左到右依次為1 號～7 號板。7 塊板之間共6個鉸縫，即板與板之間相接的部分，從左往右依次為1號～6 號鉸縫。根據(jù)國內(nèi)外研究進展，建模時考慮梁體自重、預(yù)應(yīng)力鋼絞線和橋面二期恒載的影響，在最不利荷載掛-100級中載加載下分析碳纖維板加固前后鉸縫底緣橫向正應(yīng)力和撓度的變化情況，單根預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉噸位19.6t，橋面鋪裝采用C40 混凝土，厚15cm，每片板受力5.98 kN/m，護欄一側(cè)受力為8kN/m，不考慮橋面鋪裝層的剛度影響，直接將其作為二期恒載加載在空心板梁上。采用橫向碳纖維板加固時，布置位置分別為0.5L-5m、0.5L-3m、0.5L-1m、0.5L、0.5L+1m、0.5L+3m、0.5L+5m 位置處，單條碳板采用100mm 寬、2mm 厚，單端張拉力為20t；縱向碳纖維板的加固位置在每個空心板梁下方的縱向中心線上，單端張拉力為15t。

圖1 水口殿大橋空心板梁橫截面標準圖（cm）

圖2 水口殿大橋有限元模型

3 有限元計算結(jié)果分析

3.1 未損傷工況下加固分析

由于結(jié)構(gòu)的對稱性，只給出了1號～3號鉸縫的分析數(shù)據(jù)，有限元仿真模型計算結(jié)果如圖3、圖4所示。分析數(shù)據(jù)表明，在鉸縫未損傷情況下，空心板梁橋的縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固對鉸縫底緣橫向正應(yīng)力的改善作用不明顯，而對跨中截面的撓度改善較為明顯。當采用7道15t 的縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板和7 道張拉力為20t 的橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固時，除各鉸縫距離梁端0.1m 范圍內(nèi)出現(xiàn)少許拉應(yīng)力外（峰值小于0.4MPa），其余橋梁縱向長度范圍內(nèi)均未出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力，橫向預(yù)應(yīng)力加固使得邊板產(chǎn)生一定的下?lián)希虼思庸毯罂缰袛嗝媪喉數(shù)臋M向拉應(yīng)力呈現(xiàn)出邊梁增大中梁減小的趨勢，加固后裸梁狀態(tài)下跨中梁頂?shù)淖畲髾M向拉應(yīng)力為0.825MPa，小于C40 混凝土的抗拉強度設(shè)計值1.71MPa。

圖3 未損傷工況加固前后鉸縫橫向正應(yīng)力對比

圖4 未損傷工況下加固前后對跨中撓度與梁頂橫向應(yīng)力影響

因此，在鉸縫未損傷情況下，各項關(guān)鍵指標均符合設(shè)計要求。說明采用7道15t的縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板和7 道張拉力為20t 的橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固是可行的。

3.2 各鉸縫損傷工況下加固分析

根據(jù)水口殿大橋的實際情況及建模分析，確定鉸縫損傷比例在45%～65%之間，以此作為鉸縫損傷模型的建立標準。

由圖5、圖6 可以看出，在各鉸縫損傷工況下，空心板梁橋的縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固對鉸縫底緣橫向正應(yīng)力的改善作用不明顯，而對跨中截面的撓度改善較為明顯。當采用7道15t的縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板和7道張拉力為20t的橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固時，各鉸縫在距離梁端一定范圍內(nèi)的橫向正應(yīng)力反而增大，各鉸縫在距離梁端1.6m 范圍內(nèi)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力（距離梁端一定范圍內(nèi)甚至超出C40 混凝土的抗拉強度設(shè)計值1.71MPa），其余橋梁縱向長度范圍內(nèi)出現(xiàn)的橫向拉應(yīng)力值得到改善且均未超限。在各鉸縫損傷工況下，橫向預(yù)應(yīng)力加固同樣使得邊板產(chǎn)生一定的下?lián)希虼思庸毯罂缰袛嗝媪喉數(shù)臋M向拉應(yīng)力呈現(xiàn)出邊梁增大中梁減小的趨勢，加固后裸梁狀態(tài)下跨中梁頂?shù)淖畲髾M向拉應(yīng)力為0.867MPa，小于C40 混凝土的抗拉強度設(shè)計值1.71MPa。

圖5 損傷工況下加固前后鉸縫橫向正應(yīng)力對比

圖6 損傷工況下加固前后對跨中撓度與梁頂橫向應(yīng)力影響

因此，各鉸縫損傷嚴重到一定程度時，即在各鉸縫損傷比例為45%～65%的工況下，僅采用7道15t的縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板和7道張拉力為20t的橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固是不可行的，它會使鉸縫梁端一定距離范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力值超限。

通過分析及文獻參考[8-10]，小鉸縫空心板梁橋加固時，需要確保鉸縫底部施工縫距梁底30cm左右高度范圍內(nèi)封閉密實，可使得鉸縫橫向拉應(yīng)力不超限。

3.3 施工縫30cm密實填充前后各鉸縫損傷工況下加固分析

將小鉸縫底部施工縫30cm 高度范圍內(nèi)填充密實后，得到的各鉸縫損傷工況下加固前后鉸縫橫向正應(yīng)力、撓度對比如圖7、圖8所示。

圖7 30cm密實灌漿后各鉸縫損傷工況下加固前后鉸縫橫向正應(yīng)力對比

圖8 30cm密實灌漿后加固前后對跨中撓度與梁頂橫向應(yīng)力影響

由圖7、圖8中可以看出，在各鉸縫損傷工況下，將小鉸縫底部施工縫30cm 高度范圍內(nèi)填充密實后，同樣采用7 道15t 的縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板和7 道張拉力為20t的橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固時，各鉸縫橫向正應(yīng)力均小于0.2MPa，橫向預(yù)應(yīng)力加固使得邊板產(chǎn)生一定的下?lián)希虼思庸毯罂缰袛嗝媪喉數(shù)臋M向拉應(yīng)力呈現(xiàn)出邊梁增大中梁減小的趨勢，加固后裸梁狀態(tài)下跨中梁頂?shù)淖畲髾M向拉應(yīng)力為0.52MPa，小于C40混凝土的抗拉強度設(shè)計值1.71MPa，滿足加固設(shè)計要求。

通過上述分析可知，為了解決空心板橋橫向預(yù)應(yīng)力加固時鉸縫橫向拉應(yīng)力超限的問題，將空心板橋小鉸縫底部施工縫30cm 高度范圍內(nèi)填充密實，提高鉸縫摩擦系數(shù)，可以有效減小鉸縫及梁頂橫向正應(yīng)力，減小跨中撓度，提高加固效果并保證橋梁的安全運營。

4 結(jié)語

本文主要對空心板橋橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固設(shè)計進行有限元仿真模擬，建立空心板橋橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維加固模型，主要分析了鉸縫未損傷工況下、鉸縫損傷工況下以及施工縫30cm 密實填充工況下的橋梁結(jié)構(gòu)加固前后跨中撓度、梁頂橫向應(yīng)力和鉸縫底緣正應(yīng)力的影響。

結(jié)果表明，采用7道15t的縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板和7道張拉力為20t的橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固是有效的，但此時需要特別注意的是鉸縫底緣和跨中截面頂緣的橫向拉應(yīng)力是否已經(jīng)超限，如果超限將影響結(jié)構(gòu)安全。將鉸縫底部施工縫30cm 高度范圍內(nèi)填充密實，可以有效提高鉸縫摩擦系數(shù)，減小鉸縫及梁頂橫向應(yīng)力，減小跨中撓度，提高加固效果并且保證橋梁的安全運營。