張 海

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

PC空心板梁橋粘貼鋼板加固法研究

張 海

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

以PC空心板梁橋的加固為研究對象，探討了運(yùn)用粘貼鋼板來提高PC空心板梁強(qiáng)度和剛度的方法。采用有限元軟件建立PC空心板梁橋模型，分析了不同加固鋼板厚度的橋梁的加固效果，闡述了粘貼鋼板法在PC空心板梁橋加固中的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用前景。

橋梁加固；粘貼鋼板；PC混凝土空心板橋；鋼板厚度

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0 引言

截至2014年年底，全國公路總里程446.39萬公里，公路橋梁75.71萬座。橋梁在運(yùn)營中，受超載等現(xiàn)象影響，易出現(xiàn)不同程度的損傷，威脅橋梁的正常使用。對于已受損的橋梁，采用加固措施相比于重新建造，可以很好的節(jié)約投資。PC空心板簡支梁橋在公路建設(shè)中的應(yīng)用十分廣泛，而粘貼鋼板加固技術(shù)是提高該類型橋梁承載力的重要方法，對該方法的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究現(xiàn)狀及優(yōu)點(diǎn)

粘貼鋼板加固法雖然運(yùn)用于橋梁工程的時(shí)間不長，但是發(fā)展十分迅速，應(yīng)用越來越廣泛[1]。歸納起來，此方法主要有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：

(1)加固性能良好

利用高粘結(jié)力的結(jié)構(gòu)膠將鋼板粘貼在鋼筋混凝土構(gòu)件表面并采用可靠的錨固方式，可以讓鋼板和混凝土構(gòu)件形成一個(gè)整體協(xié)同工作，很好地共同受力，減緩構(gòu)件上裂縫的發(fā)展速度，加強(qiáng)混凝土構(gòu)件的抗裂性能，達(dá)到提高構(gòu)件的承載力和剛度的目的。

(2)占用空間較小

粘貼鋼板法中，作為加固材料的鋼板厚度一般為3～10mm，粘貼鋼板層數(shù)一般不超過兩層，所粘貼鋼板材料厚度遠(yuǎn)小于被加固構(gòu)件截面厚度，幾乎不會影響原有使用空間，也不會影響加固后構(gòu)件的外觀。

(3)施工時(shí)間較短

從材料進(jìn)場到完成粘貼鋼板，通常僅需2～3d。在這之后，加固鋼板便能與被加固構(gòu)件共同參與受力，結(jié)構(gòu)物即可投入使用。

(4)經(jīng)濟(jì)合理

施工準(zhǔn)備階段可對加固所需鋼板進(jìn)行切割，無需購入大塊鋼板材料，且施工周期較短，對結(jié)構(gòu)物的正常使用影響較小。

(5)施工工藝簡單

粘貼鋼板加固工藝簡單，施工方便，簡單且易于操作。與其他加固方法相比，施工過程中無需配備專門的高級技術(shù)人員進(jìn)行操作，對于此加固方法的普及和廣泛應(yīng)用有著顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

2 有限元分析

有限單元方法是從上世紀(jì)40年代發(fā)展起來的，它是一種桿系結(jié)構(gòu)的矩陣位移法[3]。本次有限元模擬采用一片20m PC空心板梁的粘貼鋼板加固作為分析模型，由Midas Civil對其進(jìn)行初步整體分析，并采用Midas FEA進(jìn)行細(xì)部分析。20m PC空心板梁廣泛應(yīng)用于公路橋梁建設(shè)中，因此對其的有限元模擬具有一定的代表性。

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

本文鋼材本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示，從圖中可以看出，此模型由斜直線和水平線組成 ，即當(dāng)鋼材達(dá)到屈服應(yīng)力后，不再具有承載能力。

圖1 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

本文混凝土受壓區(qū)段采用E.Hongnestad于1951年提出的二次拋物線加斜直線模型，它在一定程度上反映了混凝土在軟化段應(yīng)力一應(yīng)變曲線的下降趨勢。受拉區(qū)段則采用雙斜線模型，此模型由兩條直線與橫軸圍成三角形，當(dāng)達(dá)到極限拉應(yīng)變時(shí)，混凝土的應(yīng)力為零，且其受拉區(qū)段的斜率與受壓彈性區(qū)段的斜率一致。本文所采用的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示：

圖2 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.2 有限元模型建立

本文擬采用橫斷面由5片空心板梁組成的簡支梁橋模型進(jìn)行分析?？招陌辶旱诐M貼鋼板，通過分析不同鋼板厚度對被加固PC空心板梁帶來的影響，來評價(jià)粘貼鋼板在PC空心板梁橋加固中的作用。

空心板橫斷面詳細(xì)尺寸如圖3所示：

圖3 空心板橫斷面尺寸

預(yù)應(yīng)力鋼束采用兩端同時(shí)張拉，錨下控制應(yīng)力為0.75fpk=1395MPa。 預(yù)應(yīng)力鋼束布置位置如圖4、圖5所示：

圖4 板端鋼束布置圖

圖5 板中鋼束布置圖

界面單元一般用來模擬相同材料上的凹凸面之間的接觸或不同材質(zhì)材料之間的接觸，并可以用來描述混凝土不均勻的離散式開裂、鋼筋和混凝土之間的滑移、接觸等的接觸形式，本文通過定義界面單元來模擬所粘貼的鋼板與空心板之間的粘結(jié)。界面單元使用一般的有限元公式，但單元的厚度均取為0。數(shù)值分析則是通過采用罰函數(shù)方法定義相對位移和界面力的關(guān)系來進(jìn)行。該方法的不足之處是粘貼鋼板的受力存在應(yīng)力滯后現(xiàn)象，且施工時(shí)原結(jié)構(gòu)的荷載越大，應(yīng)力滯后越多。本文旨在分析加固的粘結(jié)鋼板厚度的變化對結(jié)構(gòu)受力影響，故暫不考慮應(yīng)力滯后問題。

邁達(dá)斯Civil建立的整體模型中，構(gòu)件的受力位置隨荷載形式和荷載布置位置的不同而變化。本文按汽車雙車道對稱加載，對鉸接空心板橫向分布系數(shù)的計(jì)算則通過邁達(dá)斯Civil用梁格法進(jìn)行模擬。

本次梁格法模型全橋共分189個(gè)節(jié)點(diǎn)，268個(gè)單元。梁格法中[4]，為了準(zhǔn)確的模擬橫向構(gòu)件剛度，虛擬橫梁截面擬采用工字型截面，上下翼緣板厚度等同于空心板頂板和底板厚度，腹板取一個(gè)很小的值0.01mm，且不能考慮剪切變形?？v向構(gòu)件則是采用主梁自身的截面特性。邊界條件的模擬至關(guān)重要，簡支橋梁，一般只需約束三個(gè)平動剛度即可，支座一端釋放縱橋向的約束，橫橋向的約束只需將中梁約束。

通過以上方法模擬得到的梁格模型，計(jì)算得到中梁橫向分布系數(shù)最大為0.404。后面結(jié)構(gòu)細(xì)部分析，均只對中梁板進(jìn)行模擬，將汽車荷載乘以橫向分布系數(shù)以靜力荷載形式加載到構(gòu)件上。邁達(dá)斯Civil桿系模型如圖6、圖7所示：

圖6 Midas Civil 模型計(jì)算圖

圖7 Midas Civil 模型消隱圖

中梁則采用Midas FEA建立實(shí)體模型進(jìn)行模擬。粘貼鋼板空心板的模擬，屬于組合結(jié)構(gòu)的模擬，模擬的難點(diǎn)是鋼板與混凝土的粘結(jié)模擬。

單元采用軟件所帶的自動劃分網(wǎng)格，空心板實(shí)體四邊形四節(jié)點(diǎn)單元，鋼板劃分矩形四節(jié)點(diǎn)平面單元。模型總共17813個(gè)單元，計(jì)算模型如圖8～9所示：

圖8 粘鋼板空心板有限元計(jì)算模型

圖9 空心板底部所粘貼鋼板模型

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過該有限元模型，分析了不同厚度的粘結(jié)鋼板(1mm～6mm)對被加固PC空心板梁結(jié)構(gòu)受力影響，對比了不粘貼鋼板的空心板和粘鋼梁的撓度、應(yīng)力和鋼束應(yīng)力，以及不同厚度之間受力性能。有限元數(shù)值分析對比的空心板梁號及各板梁參數(shù)見表1：

表1 有限元數(shù)值分析梁的參數(shù)

在工況分析欄中定義三個(gè)工況：

工況1，預(yù)應(yīng)力荷載，這是一個(gè)虛擬的工況，用于分析粘貼不同厚度鋼板對板梁預(yù)拱度和預(yù)應(yīng)力荷載下局部應(yīng)力的影響；

工況2，自重+二期鋪裝荷載+預(yù)應(yīng)力荷載；

工況3，自重+二期鋪裝荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+汽車荷載效應(yīng)。

后處理數(shù)據(jù)提取分析時(shí)，每個(gè)模型在每個(gè)工況下提取四個(gè)后處理參數(shù)：板梁的撓度值、板的頂?shù)纵S應(yīng)力(正應(yīng)力)、板梁最大主拉應(yīng)力、考慮彈性變形損失后的鋼束應(yīng)力。

由于梁片在粘貼鋼板后在3個(gè)工況下的受力均遠(yuǎn)未達(dá)到界限破壞的水平，梁片的變形均在彈性范圍內(nèi)。而從Midas軟件分析的直觀來看，S1～S6梁片的位移圖及等效云圖等圖形的形狀非常相似。梁片的位移圖及等效云圖如圖10所示：

綜合前面S0～S6七根空心板梁的參數(shù)數(shù)據(jù)，可得到各梁有限元計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)表，詳見表2～4：

c 板梁最大主應(yīng)力云圖 d 板梁鋼絞線預(yù)應(yīng)力云圖

表2 各梁有限元計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)(工況1，預(yù)應(yīng)力)

表3 各梁有限元計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)(工況2，自重+二期鋪裝荷載+預(yù)應(yīng)力荷載)

表4 各梁有限元計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)(工況3，自重+二期鋪裝荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+汽車荷載效應(yīng))

圖11 梁板撓度隨粘鋼厚度的變化曲線

圖12 梁板底緣正應(yīng)力隨粘鋼厚度的變化曲線

由表2～4可看出，在3種工況作用下，20m PC空心板梁跨中撓度、底緣混凝土應(yīng)力及鋼板主應(yīng)力均隨鋼板厚度增加而有所減小。除去虛擬工況的工況1，在工況2和工況3中，工況3(自重+二期鋪裝荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+汽車荷載效應(yīng))最接近空心板梁運(yùn)營工況，各參數(shù)隨鋼板厚度增加的變化也最明顯，對其進(jìn)行分析將更有利于指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)參數(shù)在工況3下隨鋼板厚度變化曲線圖如圖11～13所示：

圖13 鋼板主應(yīng)力隨厚度的變化曲線

由上表和變化曲線圖可以看出，粘貼鋼板加固空心板，對空心板的剛度和混凝土的正截面承載能力有相應(yīng)的提升：

PC板梁剛度提高量(mm)(以PC板梁跨中撓度減少量來衡量)見表5。

PC板梁強(qiáng)度提高量(Mpa)(以PC板梁底緣混凝土應(yīng)力減少量來衡量)見表6。

PC板梁承載特性逐級提高百分比見表7。

表5 板梁剛度逐級提高量統(tǒng)計(jì)(mm)

表6 板梁強(qiáng)度逐級提高量統(tǒng)計(jì)(MPa)

表7 板梁承載特性逐級提高百分比(%)

圖14 各梁板剛度提高比率曲線

圖15 各梁板強(qiáng)度提高比率曲線

具體各個(gè)參數(shù)提高的百分比見圖14和圖15所示比率曲線。鋼絞線預(yù)應(yīng)力影響微小，可以忽略不計(jì)。

由以上剛度和強(qiáng)度提高比率曲線圖可以看出，20m PC空心板梁在工況3條件下，當(dāng)粘貼的鋼板厚度從1mm增大至5mm時(shí)，梁體的剛度提高比率基本呈線性增大，鋼板厚度再提高至6mm時(shí)，剛度提高比率變化不再明顯。而梁體的強(qiáng)度隨著粘貼鋼板厚度從1mm增大至6mm，其提高比率的變化趨勢則越發(fā)變緩。但從總體而言，20m PC空心板梁的剛度和強(qiáng)度隨粘貼鋼板厚度的增大而不斷增大。

3 結(jié)論

在粘貼鋼板加固受彎構(gòu)件的理論基礎(chǔ)上，提出了通過采用梁底粘貼鋼板應(yīng)用于加固PC空心板梁。并運(yùn)用Midas軟件對20m PC空心板梁進(jìn)行建模計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1)粘貼鋼板在加固20m PC空心板梁中能起到顯著的作用，其實(shí)質(zhì)是增大截面受拉區(qū)的面積，使受壓區(qū)混凝土高度增加，從而使梁體的強(qiáng)度和剛度都能得到一定幅度的提升。

(2)隨粘貼鋼板厚度的增加，結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度相應(yīng)提高，但當(dāng)厚度超過某一段取值范圍后，受壓區(qū)混凝土高度逐漸逼近界限高度，此時(shí)梁體撓度的限制和剛度的提升都不明顯，卻反而增大加固成本和結(jié)構(gòu)自重。從有限元結(jié)果分析可以得出，20m跨徑和具體特性的PC空心板梁的加固，粘貼鋼板為3.5mm至5mm厚度左右時(shí)，會達(dá)到較為理想的效果。

[1]楊琪.高速公路橋梁加固成套技術(shù)與工程實(shí)踐[M].人民交通出版社, 2010.

[2]孫會.舊橋檢測及加固方法研究與應(yīng)用[D].長安大學(xué), 2013.

[3]王勖成.有限單元法[M].清華大學(xué)出版社有限公司, 2003.

[4]朱巍志, 張哲, 梅秀道, 等.預(yù)應(yīng)力異型曲線箱梁橋的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法研究[J].公路交通科技, 2008, 25(11): 92-96.

張 海(1982.7- )，男，工程師，主要從事路橋方面的工作。

Research of Bonding Steel Plate on Reinforcement of PC Slabs Bridges

ZHANGHai

(Fujian provincial institute of architecture design and research, Fuzhou 350001)

In this paper, reinforcement in PC Slabs bridges is taken for the research object, and the method of reinforcing PC slabs by pasting steel plate is described. By using finite element software, models of PC Slabs bridges are built to analysis the effect of different thickness of steel plate using in reinforcement in PC Slabs bridges. Finally, this paper discusses the advantages and disadvantages and the application prospect of bonding steel plate on reinforcement of PC slabs bridges.

Bridge Reinforcement; Bonding Steel Plate; PC Slabs Bridges; Thickness of Steel Plate

張海(1982.7- )，男，工程師。

2015-10-10

U445

A

1004-6135(2015)12-0085-06