謝棟明，吳清

（福建農(nóng)林大學金山學院，福建 福州 350000）

0 引言

近年來，很多地方的舊橋出現(xiàn)了破損的情況，有些橋梁的受力鋼筋甚至已經(jīng)裸露在外表，這不僅影響了橋梁本身的美觀，而且橋梁的承載能力也會下降，橋梁的整體可塑性被破壞，嚴重的可能還會危及到人們的生命。我們必須對此引起重視，解決這個迫在眉睫的問題。如果將這些橋梁推倒重建，在耗費大量物資以及較長工期的同時也會影響橋梁的正常使用。反之，把橋梁建設重心放在橋梁的改造加固上，加強對現(xiàn)有橋梁承載力的研究，有計劃的將現(xiàn)有橋梁進行改造加固，既能延長橋梁使用壽命，及時有效地為現(xiàn)代道路交通提供服務，又能以少量的資金改善交通情況，并給社會帶來巨大的經(jīng)濟效益。

1 Midas 的有關(guān)介紹

1.1 Midas 分類

Midas 一共可以分為MIDAS/Gen. MIDAS/Civil. Midas/FEA.Midas/SDS. Midas/FX5 個模塊，本文用到的Midas-civil 是專門用來針對土木結(jié)構(gòu)所設計研究的軟件。它不僅可以做材料非線性分析，靜態(tài)動力學分析，力學特性分析，而且能夠快速分析，標準分析和完整分析。

1.2 Midas-Civil 軟件

MIDAS-Civil 軟件是MIDAS 系列軟件中的一種，它不僅滿足工程師的需要，而且功能強大，簡單易學。它是由國內(nèi)外專家經(jīng)過共同不懈的努力，并用C++在windows 環(huán)境下開發(fā)的。Midas-civi 的開發(fā)給我們帶來了很多的便利，它可以更為直觀的而且從不同的角度給我們展示結(jié)構(gòu)模型的驗證與分析，大大提高了工程的準確性和高效性。

2 有關(guān)橋梁的病害和常用加固方法

2.1 預應力橋梁的病害

2.1.1 混凝土病害

（1）混凝土結(jié)構(gòu)表層病害

混凝土結(jié)構(gòu)表層病害，就像名字所說的那樣，是指出現(xiàn)在表面上的病害。常見的有孔洞、剝蝕、麻面、蜂窩、露筋、磨損等等現(xiàn)象如下圖。一般來說出現(xiàn)這種病害很正常，因為它并不會破壞到結(jié)構(gòu)的整體性和可塑性，但是也不能對它掉以輕心還是要及時的去進行養(yǎng)護，對癥下藥去修補。一般修補方法有壓漿法、直接澆注和噴漿法。

（2）裂縫

第一類：結(jié)構(gòu)性裂縫，一般是由于應力達到了結(jié)構(gòu)極限承載力的最大值，然后使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，要引起注意的是，這往往是結(jié)構(gòu)破壞的征兆，是很危險的，必須及時采取措施，防止裂縫進一步擴大。可分為脆性破壞和塑形破壞兩種。

第二類：非結(jié)構(gòu)性裂縫，一般是由自身應力形成或者在施工過程中施工方法不當所引起的裂縫。

2.1.2 鋼筋病害的影響

鋼筋病害可分為電化腐蝕，漏電流腐蝕，應力腐蝕和氫脆腐蝕，其中電化腐蝕是最重要的，它對結(jié)構(gòu)性能的影響絲毫不能忽視。鋼筋的損害對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響主要的表現(xiàn)為： 第一，鋼筋的腐蝕會使鋼筋截面變小，這反過來會降低鋼筋的極限承載能力。第二，鋼筋的腐蝕會讓鋼筋體積膨脹，在膨脹的同時會慢慢誘使鋼筋附近的混凝土產(chǎn)生拉應力，從而發(fā)生開裂現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的耐久性也會因此遭到嚴重的破壞。第三，鋼筋的銹蝕不僅會給我們帶來高昂的維護修理費，鋼筋的腐蝕也會使鋼筋與混凝土之間分離，使粘結(jié)力下降，并且還會對結(jié)構(gòu)的整體延性和可塑性造成影響。

2.1.3 橋梁結(jié)構(gòu)體系病害的原因

橋梁結(jié)構(gòu)體系病害產(chǎn)生的原因可以分為上部和下部，對于上部，主要的是主梁混凝土的應力變化而使鋼筋的剛度也發(fā)生變動所引起的結(jié)構(gòu)變形。而對于下部結(jié)構(gòu)來說一般是在設計施工中出現(xiàn)不合格的操作導致結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜；或者是對所設計的基礎(chǔ)并未進行計算檢驗。

2.1.4 附屬設施病害

產(chǎn)生附屬設施病害的原因主要是由于制作附屬設施所需的材料、設計施工質(zhì)量和使用條件以及養(yǎng)護維修造成的。想要讓這種病害不發(fā)生，首先，就要合理的設計附屬設施的材料并且保證施工過程中的質(zhì)量；其次對它進行良好的維護，保證能正常的使用。

3 工程概況和設計

該板橋基本情況為：跨徑6 m，橋長8 m，高1 m。上部結(jié)構(gòu)為C50 混凝土矩形板，設計荷載為汽車-20級，掛車-100。

4 加固效應分析

4.1 使用Midas 建立有限元模型

該板橋采用有限元計算軟件Midas-civil，并用梁格法建模。共計56 個節(jié)點，62 個梁單元，在橋整體和中部點分別設置DZ，RZ 和DY 方向的約束。

圖1 有限元模型 Fig. 1 Finite element mode l

4.2 加固效應有限元分析

4.2.1 外部粘鋼加固法

為了模擬粘貼不同厚度的鋼板對未加固板橋的影響，擬采用橋梁計算軟件Midas 分別建立3 組加固模型。通過在加固后橋梁的鋼筋混凝土上增加同4 mm，6 mm，8 mm 厚度鋼板等量的預應力的方法，對其進行運行分析。

通過模擬在粘貼不同厚度鋼板加固后的橋梁上施加等量的預應力的等效替代方法來分析橋梁的受力情況。粘貼4 mm 鋼板后的橋梁在施加預應力之后，運行分析，得到了橋梁大致有了10 mm 的撓度變化。依次運行分析粘貼6 mm 和8 mm 鋼板之后的橋梁，我們大致可以得出，在施加等量的預應力在不同厚度的鋼板上，橋梁的撓度變化不同，所承受的彎矩變化也不同，在相同撓度時，粘貼鋼板后的橋梁比原來的橋梁所受的彎矩要大的多，而且，鋼板厚度越大，所能承受的彎矩也越大，反過來說，橋梁承受的彎矩大小，與粘貼的鋼板厚度有關(guān)，所以，我們可以得出，粘貼鋼板加固法可以橋梁的抗彎承載能力。

為了準確的對比分析粘貼不同厚度鋼板對橋梁可塑性變形能力的影響，我們分別讀取了Midas- civil 有限元軟件的分析結(jié)果，讀取極限狀態(tài)下粘貼不同厚度鋼板的橋梁跨中截面的撓度值后得出：粘貼鋼板可以改善橋梁的塑形變形能力，提高橋梁的承載能力，另外，從節(jié)約的角度上看，粘貼6 mm鋼板的效果無疑是最好的。

4.2.2 增大截面加固法

為了模擬橋面板出現(xiàn)承載力不足或鉸接梁不能有效傳力，通過Midas 截面功能，增面尺寸來模擬在橋面板加鋪一層鋼筋混凝土的情況，使之與原結(jié)構(gòu)形成一個整體，從而達到增大橋面板，增加橋面整體剛度，提高橋梁承載能力的效果。通過模擬分析得出相同撓度下加固后未構(gòu)件所承受的彎矩小于構(gòu)件：承受相同彎矩時未加固構(gòu)件的撓度大于加固構(gòu)件；可得出結(jié)論：受壓區(qū)增大截面法對T 梁的極限承載力和剛度有顯著提高,所以以增大正截面抗彎承載力而言，增大截面法加固效果還是較為理想的。

撓度對比。同時，為了對比分析該加固措施對構(gòu)件塑性變形能力的影響，分別讀取限元分析結(jié)果中加固前后構(gòu)件跨中截面（梁底正中節(jié)點）的撓度值，如圖3、圖4 所示。

圖2 增大截面后的模型 Fig. 2 Model with increased cross section

圖3 相同彎矩下，沿梁縱向撓度對比 Fig. 3 Comparison of longitudinal deflection along beams under the same bending moment

圖4 極限彎矩下，跨中撓度對比 Fig. 4 The contrast of the mid-span deflection under the extreme bending moment

由圖3 可知，加固前后構(gòu)件承受相同彎矩時，加固T 梁的撓度明顯小于原構(gòu)件，跨中撓度減小約 16.16%，即該加固法對 T 梁的剛度有明顯的改善；由圖4 可知，極限狀態(tài)時，未加固T 梁跨中最大撓度為104.3 mm（跨度的1/190）；采取受壓區(qū)增大截面法加固后，跨中最大撓度值為113.0 mm（跨度的1/178），增大了大約6.4%。單從最大撓度值來看，受壓區(qū)增大截面法在提高構(gòu)件承載力的同時，也能起到改善梁塑性變形能力的作用，但效果不甚明顯。

4.2.3 粘貼碳纖維加固法

用平面應力單元來模擬T 梁粘貼的碳纖維布，通過自定義材料及截面功能輸入加固設計所采用的碳纖維布的材料性能參數(shù)。

通過設置節(jié)點間的邊界條件來模擬碳纖維布與主梁鋼筋混凝土的粘接。選用彈性連接選項中的剛性連接方式，將相應位置的碳纖維布單元節(jié)點與T 梁節(jié)點相連接，來達到協(xié)調(diào)變形與位移，防止粘接失效與滑移破壞。加固措施編號見表1。

表1 加固措施 Table 1 Reinforcement measures

通過原構(gòu)件及混合加固構(gòu)件的有限元分析結(jié)果，在對其進行處理，加固措施1、2、3 的荷載-位移曲線非常接近，幾乎重合，與增大截面加固曲線同樣較為接近，故可以說，與增大截面法相比，混合加固T 梁的承載力和剛度提高幅度不大，但若同未加固T 梁相比，則有明顯的提高。

圖6 為未加固及混合加固T 梁的極限彎矩對比,可以很明顯的得知，與未加固T 梁相比，加固措施1、2、3 的極限抗彎承載力分別提高約16.96%、17.64%、18.70%。相同跨中撓度下T 梁所受彎矩的比較，可以看出，相同撓度情況下，與未加固構(gòu)件相比，采用加固措施1、2、3 的T 梁所受彎矩分別提高約4.57%、6.02%、7.19%。不僅如此，增大截面法單獨加固效應占的比重很大，比未加固時構(gòu)件 的極限承載力提高了大約3.80%，所以碳纖維的效用沒有明顯體現(xiàn)。

圖6 極限彎矩對比 Fig. 6 Extreme bending moment contrast

撓度對比。在極限狀態(tài)時，采用措施1 進行加固時，構(gòu)件跨中最大撓度值113.1 mm。（跨度的1/177），采用措施2 時，構(gòu)件最大撓度值為113.6 mm（跨度的1/176），采用措施3 時，構(gòu)件最大撓度值為114.6 mm（跨度的1/175），未加固時最大撓度值為105.247 mm（跨度的1/190）；與未加固構(gòu)件相比，加固措施 1 增大了 7.46%，加固措施 2 增大了l7.94%，加固措施3 增大了8.89%；所以如果只是從最大撓度值方面來看，碳纖維加固措施不僅可以增加梁承載能力，也可以改善T 梁的塑形變形能力。

4.3 加固效應綜合對比

經(jīng)過大量計算和分析，可以得出以下幾方面的結(jié)論：

（l）為了極限彎矩承載能力更加方便對比分析，故對加固措施進行編號。三種加固措施對于提高抗彎承載能力的效果，增大截面并粘貼8 mm 鋼板的混合加固法對于提高梁極限承載能力效果最為顯著，相比未加固時提高了大約21.05%，而采用增大截面法并粘貼三層碳纖維的混合加固法時，承載能力提高了大約 18.7%，值得注意的是僅粘貼8 mm 鋼板承載能力提高了大約為13.77%，沒有增大截面并粘貼三層碳纖維的混合加固法（18.7%）效果顯著，而僅采用上表面增大截面法加固后承載力提高了13.06%，僅粘貼三層碳纖維承載能力提高了大約7.84%。

（2）剛度和塑性變形能力本文通過構(gòu)件達到極限狀態(tài)之前相同彎矩下的撓度值來研究各種加固措施對構(gòu)件的剛度影響，以下是相同彎矩時（3085k N·m）各加固構(gòu)件的撓度對比：增大截面并粘貼鋼板的混合加固法在改善構(gòu)件剛度方面效果最為顯著，增大截面并粘貼碳纖維的混合加固法效果次之，單一材料加固時，粘貼8 mm 鋼板加固法增大構(gòu)件剛度成效最大，增大截面法次之，再次是粘貼碳纖維加固法。

5 結(jié)論

橋梁加固不但是一項操作性強的工程，而且理論計算也必須同實際經(jīng)驗相結(jié)合。規(guī)范的編制過程中，不僅吸收了大量的工程經(jīng)驗和工程實例的歸納，而且規(guī)范本身就是高度實踐性的總結(jié)，所以，在使用軟件建模設計時，一定要注意規(guī)范規(guī)定的計算要點，并且必須符合規(guī)范提出的構(gòu)造要求和構(gòu)造措施。