周明朗

（南寧高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司，廣西 南寧 530100）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)代橋梁建設(shè)發(fā)展很早，早期建設(shè)橋梁工程中，由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)需求的限制，很多橋梁工程無(wú)法擺脫所處時(shí)代的局限性。21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)公路和鐵路交通網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，以及科技進(jìn)步和人們生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)于出行提出了更高的要求，導(dǎo)致很多現(xiàn)有橋梁無(wú)法滿足目前的剛度和塑性變形能力要求。目前很多城市存在公路橋梁加固、改擴(kuò)建和返修新建等現(xiàn)象，然而由于橋梁工程建設(shè)成本較高、工期較長(zhǎng)，盲目的進(jìn)行重建只能適得其反。正因如此，橋梁加固迫在眉睫，這也要求工程建設(shè)者和相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)橋梁加固問(wèn)題進(jìn)行更加全面的研究。

近年來(lái)，有關(guān)學(xué)者對(duì)橋梁加固進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一定的成果。例如：胡帥軍等人為了分析引橋T梁施工過(guò)程中墩側(cè)支架受力情況，按照極端偏載工況、邊跨支架拆除后等工況進(jìn)行分析，并根據(jù)主梁的驗(yàn)算結(jié)果對(duì)橋墩和支座進(jìn)行驗(yàn)算；劉博以某三跨連續(xù)梁橋?yàn)槔?，利用MIDAS／Civil對(duì)纖維混凝土梁橋的短期下?lián)线M(jìn)行仿真分析，通過(guò)對(duì)主梁不同部位使用纖維混凝土對(duì)橋梁下?lián)嫌绊懙膶?duì)比分析，得到了綜合考慮使用性能和經(jīng)濟(jì)因素的最佳局部纖維混凝土梁橋方案；李寧以某特大型梁橋?yàn)閷?shí)例，運(yùn)用MIDAS／Civil有限元分析，分析計(jì)算了混凝土收縮徐變效應(yīng)對(duì)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的影響作用。

本文主要以某橋梁加固工程為例，利用有限元軟件對(duì)增大截面加固法和粘貼鋼板加固法這兩種方法的加固效果進(jìn)行分析，以期為實(shí)際工程提供參考。

1 橋梁加固方法

橋梁加固方法有很多，且不同種類橋梁對(duì)加固方法具有相應(yīng)的適用性，本文僅對(duì)常用的增大梁截面加固法和粘貼鋼板加固法這兩種加固方法進(jìn)行分析介紹。

1．1 增大梁截面加固法

增大梁截面加固法，也叫作增大截面與配筋加固法，該種橋梁加固方法主要是采用增大橋梁構(gòu)件的橫截面積以及增大相應(yīng)構(gòu)件的配筋率來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)增大橋梁構(gòu)件的橫截面積和增大相應(yīng)構(gòu)件的配筋率可以有效提高橋梁的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。該方法在具體施作過(guò)程中，一般是在橋梁主梁的側(cè)面和底面增大主配筋量和增大鋼筋的尺寸以此提高橋梁界面的有效高度，最終增大橋梁的承載能力。在保證施工質(zhì)量的前提下，該方法較為有效，具體加固方法為：

（1）增大截面

所謂增大截面就是增大混凝土截面的橫截面積，需要注意的是應(yīng)采用相同的材料。運(yùn)用該種方法通常可以提高橋梁的承載能力以及提高橋梁截面的截面剛度。該種加固方法具有很多優(yōu)點(diǎn)：施工較為簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，在很多構(gòu)件中均可以采用。同時(shí)，該種方法也存在一些不足，主要表現(xiàn)在加固后需要長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，工作量相對(duì)較大，增大了結(jié)構(gòu)本身自重等，并且對(duì)周圍既有建筑和人們生產(chǎn)生活造成很大程度的影響。此外，該種方法在具體操作中質(zhì)量難以保證。

（2）增大配筋

增大配筋最重要的目的就是增大結(jié)構(gòu)的抗彎能力。這一般是在鋼筋抗彎能力不足而混凝土應(yīng)力滿足要求時(shí)采用。具體操作時(shí)，可以通過(guò)在現(xiàn)有鋼筋上進(jìn)行加筋焊接，以此增大構(gòu)件的抗彎能力。

1．2 粘貼鋼板加固法

所謂粘貼鋼板加固法，一般是指將一定厚度的鋼板利用膠粘貼在混凝土構(gòu)件外部，以此來(lái)提高構(gòu)件的承載力，達(dá)到加固的目的。采用該種加固手段可以有效提高構(gòu)件的抗彎和抗剪能力，并且在一定程度上減小裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展。該加固方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，可以有效地減少材料的使用，縮短施工工期，并基本不改變?cè)械臉?gòu)件形狀和外觀，對(duì)周圍既有建筑和人們生產(chǎn)生活影響程度較低。然而，該種方法對(duì)施工的精度要求很高，只有保證施工工藝滿足要求才能實(shí)現(xiàn)其加固的目的。

2 工程概況

本文以某公路混凝土T型橋梁為研究對(duì)象，該工程預(yù)應(yīng)力混凝土的截面為T形截面，文中采用增大截面加固法和粘貼鋼板加固法兩種加固方法進(jìn)行建模驗(yàn)算，混凝土標(biāo)號(hào)為C40。如圖1所示，為T型梁橋的縱向圖。

圖1 T型梁橋縱向示意圖（cm）

3 模型建立

本文主要采用MIDAS軟件建模進(jìn)行計(jì)算，有限元網(wǎng)格的疏密對(duì)于模型運(yùn)算速度非常重要，因此，在考慮不影響模型計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，盡可能地減小網(wǎng)格的密度，增大運(yùn)行速度。如圖2所示為T梁的整體模型圖，其中黃色網(wǎng)格為加固層，該計(jì)算模型網(wǎng)格大小在150～250mm范圍內(nèi)，在加固以前模型單元共計(jì)5 600個(gè)混凝土單元和27 000個(gè)鋼筋單元，加固以后的混凝土單元數(shù)目為6 750個(gè)，并增添了150個(gè)鋼板（即碳纖維）單元。

圖2 T型梁建模網(wǎng)格劃分示意圖

本文中主要采用增大截面加固法和粘貼鋼板加固法兩種加固方法，每種加固方法對(duì)應(yīng)的荷載步設(shè)置如表1和表2所示。

表2 采用粘貼鋼板加固法時(shí)荷載步流程表

4 數(shù)值模擬分析

4．1 增大截面加固法

如圖3所示，為利用增大截面加固法在荷載作用下加固前后的撓度與彎矩關(guān)系曲線。由圖3可知，加固后的曲線整體處于加固前的曲線之上，在撓度相同時(shí)，經(jīng)加固后的截面的彎矩要明顯大于加固前。在撓度為20mm、40mm、60mm、80mm和100mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的加固后彎矩比加固前彎矩分別增大10．2%、12．5%、14．6%、18．0%和21．4%，即經(jīng)加固后的截面承載能力提高基本處在10%～20%范圍內(nèi)。

3 荷載作用下加固前后撓度與彎矩關(guān)系曲線圖

為了分析經(jīng)增大截面加固法加固后的構(gòu)件抵抗塑性變形的能力，如圖4所示，提取加固前和加固后T型梁截面跨中的撓度值，分為相同彎矩下T型梁縱向撓度對(duì)比和極限彎矩下跨中撓度對(duì)比兩種情況。由圖4可知，對(duì)于相同彎矩下的T型梁縱向撓度，在加固前為52．5mm，在加固后為44．6mm，加固后比加固前值減小15．0%，說(shuō)明經(jīng)增大截面加固法加固后的構(gòu)件的剛度性能大大提升。對(duì)于極限彎矩下跨中撓度，在加固前為110．4mm，在加固后為121．3mm，加固后比加固前增大9．9%，從加固后極限彎矩狀態(tài)下的撓度增大可知，經(jīng)增大截面加固法加固后的構(gòu)件的塑性變形能力也得到一定程度的提升。

圖4 加固前后兩種狀態(tài)下?lián)隙葘?duì)比柱形圖

4．2 粘貼鋼板加固法

下頁(yè)圖5為利用粘貼鋼板加固法時(shí)在荷載作用下采用不同加固鋼板厚度的加固前后撓度與彎矩關(guān)系曲線。由圖5可知，加固后的曲線整體處于加固前的曲線之上。撓度相同時(shí)，經(jīng)加固的截面的彎矩要明顯大于加固前，但隨著加固鋼板厚度的增加，加固產(chǎn)生的積極效果略減小。在撓度為20mm、40mm、60mm、80mm和100mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的采用4mm鋼板加固后彎矩比加固前彎矩分別增大15．1%、17．1%、16．6%、20．3%和24．4%，經(jīng)加固后的截面承載能力提高基本處在15%～25%范圍內(nèi)；而采用8mm鋼板加固后彎矩比加固前彎矩分別增大16．5%、20．7%、24．6%、27．8%和28．4%，此時(shí)經(jīng)加固后的截面承載能力提高基本處在20%～30%范圍內(nèi)。綜上可知，粘結(jié)加固法能有效提高構(gòu)件剛度，但加固鋼板最優(yōu)厚度值有待進(jìn)一步討論。

5 荷載作用下加固前后撓度與彎矩關(guān)系曲線圖

為了分析利用粘貼鋼板加固法加固后的構(gòu)件抵抗塑性變形的能力，如圖6所示，提取加固前和加固后T型梁截面跨中的撓度值。由圖6可知，與上節(jié)相同，也分為相同彎矩下T型梁縱向撓度對(duì)比和極限彎矩下跨中撓度對(duì)比兩種情況。對(duì)于前者，在加固前為53．0mm，在利用4mm鋼板加固后為45．2mm，在利用8mm鋼板加固后為38．5mm，兩種加固厚度在加固后比加固前分別減小14．7%和27．4%，這說(shuō)明經(jīng)增大截面加固法加固后的構(gòu)件的剛度性能大大提升，且隨著加固鋼板厚度的增加，加固效果越好。對(duì)于極限彎矩下跨中撓度，在加固前為109．4mm，在利用4mm鋼板加固后為113．2mm，在利用8mm鋼板加固后為119．5mm，兩種加固厚度在加固后比加固前分別增大3．4%和9．2%。由此可知，經(jīng)粘貼鋼板加固法加固后的構(gòu)件的抗塑性變形能力也得到一定程度的提升，且隨著加固鋼板厚度的增加，提升程度越大。

6 加固前后兩種狀態(tài)下?lián)隙葘?duì)比柱形圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要以某橋梁加固工程為例，利用有限元軟件對(duì)增大截面加固法和粘貼鋼板加固法這兩種加固方法的加固效果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）增大截面加固法能有效加固橋梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)加固后的T型截面承載能力提高約在10%～20%范圍內(nèi)；加固后構(gòu)件的抗塑性變形能力也得到一定程度的提升，在10%左右。

（2）粘貼鋼板加固法能有效提高構(gòu)件剛度，采用4mm鋼板和8mm鋼板加固后的截面承載能力提高分別處在15%～25%和20%～30%范圍內(nèi)，加固后的構(gòu)件的抗塑性變形能力得到提升，且隨著加固鋼板厚度的增加，提升程度越大。