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(tuán)科技發(fā)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(huán)境的作用易老化、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高、交通事故造成開裂損傷等需進(jìn)行加固[1]。對于鋼筋混凝土橋梁抗彎性能分析，國內(nèi)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(nèi)力分析主要以彈性分析法和塑性分析法為主，其核心是驗(yàn)算組合橋的截面應(yīng)力、變形等指標(biāo)，以確保結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度和穩(wěn)定性。在這些計(jì)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(yīng)。而有效剛度法的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果較少，難以印證其計(jì)算的有效性和準(zhǔn)確性。因此，本研究采用折減剛度法對橋梁的抗彎性能進(jìn)行分析計(jì)算。

2 板材黏結(jié)加固技術(shù)原理

橋梁設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料和施工建設(shè)方法不完善等常引發(fā)開裂、損傷等安全隱患問題，同時(shí)，橋梁在氣候溫度、自然災(zāi)害、酸堿環(huán)境等因素的影響下也容易發(fā)生變形開裂[3]。因此，為了滿足現(xiàn)代社會(huì)對橋梁工程的應(yīng)用要求，需對橋梁進(jìn)行加固。在橋梁的梁底板粘貼板材進(jìn)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(xiàn)梁底裂縫時(shí)，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(qiáng)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(dāng)橋面底板破損時(shí)，可在底板部粘貼板材補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)，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(gòu)件的強(qiáng)度。

3 板材黏結(jié)加固方法在鋼筋混凝土橋梁阻裂加固中的應(yīng)用

本研究采用ANSYS 軟件進(jìn)行橋梁數(shù)據(jù)仿真，并設(shè)計(jì)了10 根鋼筋混凝土梁，對其中9 個(gè)加固樣本和1 個(gè)未加固樣本進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)。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(shí)混凝土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)對每組加固樣本模擬了3種預(yù)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(zhuǎn)180°，并將加固板材黏結(jié)在梁頂部，以此模擬橋梁在預(yù)應(yīng)力荷載等于梁體自重情況下產(chǎn)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(chǎn)生的恒定荷載和非恒定荷載對橋梁的作用。實(shí)驗(yàn)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(xì)集料723 kg/m3、粗集料1 130 kg/m3、水膠比為0.37。同時(shí)，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(jìn)行了抗壓強(qiáng)度測試，發(fā)現(xiàn)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為41.2 MPa 和3.5×104MPa。

本次仿真試驗(yàn)的步驟如下：以負(fù)載控制的速度施加負(fù)載，其中在負(fù)載達(dá)到7.5 kN 之前，加載步長設(shè)為2.5 kN，在負(fù)載達(dá)到7.5 kN 之后將負(fù)載步長變?yōu)? kN。在出現(xiàn)第一個(gè)裂紋后，施加負(fù)載步長變回2.5 kN，直到試驗(yàn)結(jié)束。每次載荷加載步驟在5 min 內(nèi)完成，直到達(dá)到每個(gè)加載步驟的指定值。通過直線位移傳感器測量兩個(gè)支架、中跨以及距離中跨30 mm 處的撓度。

在試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)在ANSYS 軟件中進(jìn)行有限元分析，有限元模型的網(wǎng)格元素尺寸為25 mm，荷載由位移控制，采用力收斂準(zhǔn)則，誤差為5%。該梁共有7 040 個(gè)單元，包括772 個(gè)鋼單元、225 個(gè)樹脂單元和225 個(gè)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(jìn)行分析。應(yīng)注意的是，有幾個(gè)樣本在張力作用下破裂失敗。失效樣本通過最大拉應(yīng)力理論和最終拉伸強(qiáng)度來判斷。試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)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(shí)，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(fù)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(shí)極限載荷比率高于其他樣本。

圖2 試驗(yàn)樣本的載荷比例及中心撓度

表1 顯示了試驗(yàn)值和有限元模型中的開裂載荷、 屈服載荷和極限載荷的數(shù)值分析結(jié)果的比較。需注意的是，對于CFRP 加固和鍍鋼加固樣本中，試驗(yàn)在內(nèi)部鋼筋屈服之前就已經(jīng)失效。從表中可以看出，鍍鋼加固下橋梁的開裂載荷于無負(fù)載時(shí)為17.2 kN，5 kN 持荷時(shí)載荷高達(dá)15.8 kN，高于其他材料加固下的載荷能力。同時(shí)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(yù)測結(jié)果與實(shí)際的橋梁載荷結(jié)果差距較小。表明本次研究構(gòu)建的橋梁有限元模型的預(yù)測性能準(zhǔn)確，試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果和分析結(jié)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(shí)際情況下的誤差

4 結(jié)語

研究針對橋梁的開裂變形問題提出了優(yōu)化的板材黏結(jié)加固技術(shù)，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(biāo)中驗(yàn)證了3 種材料的加固性能。在橋梁的抗裂性能和橋梁修復(fù)效果標(biāo)膠中，鍍鋼加固的方法均優(yōu)于其他加固材料。