鋼筋混凝土橋梁抗彎性能分析及阻裂方法研究

孫凱亮

（中建路橋集團科技發展有限公司，石家莊 050000）

1 鋼筋混凝土橋梁抗彎性能分析

橋梁往往由于受外界環境的作用易老化、設計標準提高、交通事故造成開裂損傷等需進行加固[1]。對于鋼筋混凝土橋梁抗彎性能分析，國內外多采用換算截面法、折減剛度法、有效剛度法等方法[2]。橋梁的內力分析主要以彈性分析法和塑性分析法為主，其核心是驗算組合橋的截面應力、變形等指標，以確保結構的承載能力、剛度和穩定性。在這些計算理論中，換算截面法的缺陷是忽視了組合橋中混凝土板與鋼梁截面上、下兩種材料接觸面間的滑移效應。而有效剛度法的應用實驗結果較少，難以印證其計算的有效性和準確性。因此，本研究采用折減剛度法對橋梁的抗彎性能進行分析計算。

2 板材黏結加固技術原理

橋梁設計基礎資料和施工建設方法不完善等常引發開裂、損傷等安全隱患問題，同時，橋梁在氣候溫度、自然災害、酸堿環境等因素的影響下也容易發生變形開裂[3]。因此，為了滿足現代社會對橋梁工程的應用要求，需對橋梁進行加固。在橋梁的梁底板粘貼板材進行加固可以提高梁的抗彎能力，如板梁橋或T 梁橋正截面承載力不足而出現梁底裂縫時，可在梁底粘貼板材； 在梁腹粘貼斜向板材可以使板材與混凝土共同受力，提高梁的整體剛度和抗剪強度；在牛腿處或主梁靠近支座處梁腹粘貼加固，可提高橋梁的整體剛度；當橋面底板破損時，可在底板部粘貼板材補強受拉部位，并與原面板形成整體，以對橋面板的鋼筋不足予以補強，防止橋面板混凝土脫落；在拱橋拱肋、立柱、橋墩等受壓部位粘貼板材可提高構件的強度。

3 板材黏結加固方法在鋼筋混凝土橋梁阻裂加固中的應用

本研究采用ANSYS 軟件進行橋梁數據仿真，并設計了10 根鋼筋混凝土梁，對其中9 個加固樣本和1 個未加固樣本進行對照實驗。鋼筋混凝土梁的截面為矩形，長寬高分別為2 200 mm、120 mm、200 mm。同時混凝土的設計抗壓強度為40 MPa。加固的板材尺寸為長1 800 mm、寬100 mm，加固方式為黏合底部加固。在研究中，實驗對每組加固樣本模擬了3種預載條件，分別是卸荷、持荷5 kN、持荷10 kN。在卸荷樣本中，鋼筋混凝土梁被翻轉180°，并將加固板材黏結在梁頂部，以此模擬橋梁在預應力荷載等于梁體自重情況下產生的凸起。而兩種持荷加固樣本，則是用于模擬橋梁加固后產生的恒定荷載和非恒定荷載對橋梁的作用。實驗中，不同加固樣本的加固材料分別選擇鍍鋼、鍍碳纖維及CFRP 鍍層。

橋梁混凝土材料的混合比例為： 膠凝材料436 kg/m3、水161 kg/m3、細集料723 kg/m3、粗集料1 130 kg/m3、水膠比為0.37。同時，混凝土的坍落度為81 mm，在尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體樣本上進行了抗壓強度測試，發現混凝土28 d抗壓強度和彈性模量分別為41.2 MPa 和3.5×104MPa。

本次仿真試驗的步驟如下：以負載控制的速度施加負載，其中在負載達到7.5 kN 之前，加載步長設為2.5 kN，在負載達到7.5 kN 之后將負載步長變為1 kN。在出現第一個裂紋后，施加負載步長變回2.5 kN，直到試驗結束。每次載荷加載步驟在5 min 內完成，直到達到每個加載步驟的指定值。通過直線位移傳感器測量兩個支架、中跨以及距離中跨30 mm 處的撓度。

在試驗過程中，收集并分析了所有試樣的開裂荷載以及極限荷載的撓度。本次實驗在ANSYS 軟件中進行有限元分析，有限元模型的網格元素尺寸為25 mm，荷載由位移控制，采用力收斂準則，誤差為5%。該梁共有7 040 個單元，包括772 個鋼單元、225 個樹脂單元和225 個板單元。在模擬中考慮了大變形的影響，并使用了牛頓-拉斐森（NR）方法進行分析。應注意的是，有幾個樣本在張力作用下破裂失敗。失效樣本通過最大拉應力理論和最終拉伸強度來判斷。試驗結果如圖1 所示。

圖1 不同材料下橋梁的殘余撓度曲線

從圖1a 中可以看出，在未加固情況下，鋼筋混凝土樣本出現了彎曲破壞，撓度約為23 mm。從圖1b 中可以看出，與未加固樣本相比，CFRP 材料加固樣本在梁中心的撓度有所減小。同時，卸荷情況下橋梁的變形情況最小。其中心最大撓度為13 mm。從圖1c 中可以看出，與未加固樣本相比，碳纖維材料加固樣本在對梁的修復效果較差，卸荷情況下橋梁的變形情況最小。其中心最大撓度為17 mm。從圖1d 中可以看出，鍍鋼材料的板材樣本加固情況最好，在卸荷情況下變形情況最小，其中心最大撓度為10 mm。

圖中，A 表示未加固樣本；B 表示CFRP 材料加固樣本；C表示鍍碳纖維加固樣本；D 表示鍍鋼加固樣本。1～3 分別表示卸荷、5 kN 持荷及10 kN 持荷情況。從圖2 可以看出，鍍鋼加固樣本的撓度更大，表明變形程度小，同時極限載荷比率高于其他樣本。

圖2 試驗樣本的載荷比例及中心撓度

表1 顯示了試驗值和有限元模型中的開裂載荷、 屈服載荷和極限載荷的數值分析結果的比較。需注意的是，對于CFRP 加固和鍍鋼加固樣本中，試驗在內部鋼筋屈服之前就已經失效。從表中可以看出，鍍鋼加固下橋梁的開裂載荷于無負載時為17.2 kN，5 kN 持荷時載荷高達15.8 kN，高于其他材料加固下的載荷能力。同時鍍鋼加固下極限載荷最高為85.4 kN，高于鍍碳纖維加固和CFRP 加固。

表1 不同材料加固及載荷情況下的撓度比較

從圖3 中可以看出，本次研究采用的有限元分析模型得出的橋梁開裂載荷、極限載荷預測結果與實際的橋梁載荷結果差距較小。表明本次研究構建的橋梁有限元模型的預測性能準確，試驗結果具備有效性。總的來說，除了鍍鋼加固樣本的開裂荷載的情況外，試驗結果和分析結果之間顯示出良好的一致性。

圖3 不同樣本在有限元模擬和實際情況下的誤差

4 結語

研究針對橋梁的開裂變形問題提出了優化的板材黏結加固技術，比較了CFRP 加固、鍍碳纖維加固及鍍鋼加固的性能。研究從開裂載荷、屈服載荷和極限載荷以及開裂變形撓度等指標中驗證了3 種材料的加固性能。在橋梁的抗裂性能和橋梁修復效果標膠中，鍍鋼加固的方法均優于其他加固材料。