郭志軍，賈 斌

（1.甘肅省嘉峪關(guān)公路管理局,甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.蘭州交通大學(xué),甘肅 蘭州 730030）

0 引言

近年來(lái)隨著公路交通量的不斷增大，汽車荷載等級(jí)的進(jìn)一步提高，以及外部環(huán)境因素的作用，很大一部分建于上世紀(jì)六七十年代的橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)了各種各樣的病害，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性產(chǎn)生了較大的影響。而橋梁的拆除重建不僅影響正常的交通，還耗費(fèi)人力、物力和財(cái)力，所以對(duì)病害和缺陷程度不嚴(yán)重的橋梁均通過(guò)維修加固使其恢復(fù)或提高承載能力，繼續(xù)服役，從而帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。中小跨徑的鋼筋混凝土梁橋在現(xiàn)役公路橋梁中占有相當(dāng)大的比例，相對(duì)其他橋型，鋼筋混凝土梁橋出現(xiàn)的病害也較為普遍，目前對(duì)于鋼筋混凝土梁橋常見(jiàn)的加固方法主要有：粘貼鋼板法、增大截面法、粘貼碳纖維布等[1]。普通的粘貼鋼板加固對(duì)于提高梁底的抗拉性能很有限；粘貼碳纖維布主要用于構(gòu)件抗剪加固，對(duì)承載能力的提高程度較為有限；增大截面法占據(jù)空間較大，影響橋梁凈空。鑒于以上情況，選擇一種安全可靠、加固效果顯著的加固方法就顯得尤為重要，鋼箱加固法就是在這種情況下產(chǎn)生的。

1 鋼箱加固法[1]

鋼箱加固法是一種依據(jù)鋼—混凝土組合梁理論發(fā)展而來(lái)的新型加固方法，結(jié)合了粘鋼和增大截面加固法的雙重優(yōu)點(diǎn)。具體施工方法為：（1）在梁底及梁側(cè)粘貼鋼板形成H形套箍，起到U形套箍的作用；（2）在H形套箍下緣焊接一層鋼板，使H形套箍下部成為一個(gè)封閉的鋼箱并與原結(jié)構(gòu)形成整體，達(dá)到增大梁體截面的效果；（3）在鋼箱內(nèi)填充微膨脹混凝土[2]。鋼箱加固過(guò)程示意圖如圖1所示。

圖1 鋼箱加固法過(guò)程示意圖

2 鋼箱加固模型的建立

本文建立一鋼箱加固鋼筋混凝土梁的有限元模型，對(duì)鋼箱加固法進(jìn)行分析。鋼筋混凝土梁采用矩形截面，梁高0.3 m，寬0.1 m，長(zhǎng)3.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=13.8 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值fck=20.1 MPa，彈性模量Ec=3.0×104MPa，泊松比μ=0.2，混凝土保護(hù)層厚度as=2.5 cm，混凝土極限抗壓應(yīng)變?chǔ)與u=0.003 3。梁底配有三根直徑為18 mm的HRB335受拉鋼筋，鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=280 MPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk=335 MPa。鋼筋和鋼板的彈性模量Es=2.2×105MPa，泊松比μ=0.3。加固鋼箱長(zhǎng)2.8 m，鋼箱高度為h1=25 mm，側(cè)板高度為，鋼板厚度t=6 mm。鋼箱加固后鋼筋混凝土梁尺寸及荷載布置如圖2所示。

圖2 加固梁截面尺寸及荷載布置簡(jiǎn)圖（單位：mm）

本文采用分離式模型對(duì)鋼箱加固梁建立有限元模型。混凝土采用八節(jié)點(diǎn)六面體SOLID45單元，鋼板采用SHELL181單元，鋼筋通常選用細(xì)長(zhǎng)的LINK桿單元，鋼筋與混凝土的粘結(jié)通過(guò)耦合命令來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。最終鋼箱加固鋼筋混凝土梁的有限元模型圖如圖3所示。

圖3 鋼箱加固鋼筋混凝土梁有限元模型

3 鋼箱加固效果有限元分析

3.1 鋼箱加固梁應(yīng)力分析

（1）混凝土應(yīng)力分析

采用鋼箱法加固后的梁截面屬于鋼箱—混凝土組合截面，鋼箱的H型鋼套箍三面包裹混凝土梁底，能有效阻止梁底混凝土開(kāi)裂及裂縫發(fā)展，還能使因開(kāi)裂而喪失功能的混凝土區(qū)域重新參加工作。鋼箱—混凝土組合截面增大了原梁截面，新增加的鋼箱直接提高了抗剪面積，增大了混凝土剪壓區(qū)混凝土面積，從而增大了抗剪承載能力[4]。未加固梁和鋼箱加固梁在F=30 kN對(duì)稱荷載作用下的應(yīng)力云圖分別如圖4和圖5所示。

從圖4、5可以看出，在相同載荷作用下，未加固梁跨中梁底混凝土拉應(yīng)力已超出混凝土極限拉應(yīng)力，而鋼箱加固后梁的混凝土應(yīng)力水平較底。

（2）鋼箱應(yīng)力分析

鋼箱通過(guò)錨固螺栓和結(jié)構(gòu)膠與原混凝土梁錨粘在一起，能夠保證與原混凝土梁保持變形協(xié)調(diào)，共同承載荷載。鋼箱上、下緣鋼板應(yīng)力曲線如圖6（a）和（b）所示。

圖4 原梁應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖5 加固后梁應(yīng)力云圖（單位：Pa）

從圖6可以看出，鋼箱下緣鋼板由于處在鋼箱—混凝土截面受拉區(qū)最外緣，應(yīng)力水平較高。而鋼箱上緣鋼板相對(duì)下緣鋼板的應(yīng)力水平較小。鋼箱加固梁在荷載作用下，鋼箱上緣最大拉應(yīng)力約為下緣最大拉應(yīng)力的66%，所以加固梁承受極限荷載時(shí)，鋼箱下緣鋼板首先屈服進(jìn)入強(qiáng)化階段，此時(shí)鋼箱上緣鋼板應(yīng)力持續(xù)增長(zhǎng)[5]，當(dāng)上緣鋼板也達(dá)到屈服強(qiáng)度后宣布加固梁破壞。

3.2 鋼箱加固梁位移分析

（1）加固梁撓度分析

在F=30kN對(duì)稱荷載作用下，未加固梁和鋼箱加固梁的位移如圖7和圖8所示。

從圖7、8可以看出，鋼箱加固后鋼筋混凝土梁的剛度有了明顯提升，在相同荷載作用下鋼箱加固梁的撓度遠(yuǎn)小于未加固梁[6]。在F=30 kN對(duì)稱荷載作用下，未加固梁跨中最大撓度為f=-4.12 mm，而加固梁跨中撓度僅為f=-1.90 mm，鋼箱加固后梁體跨中撓度減小約53%。

（2）鋼箱位移分析

圖6 鋼箱上、下緣鋼板應(yīng)力曲線

圖7 原梁位移云圖（單位：m）

圖8 加固后梁位移云圖（單位：m）

鋼箱加固梁中，結(jié)構(gòu)膠層是混凝土與鋼箱能夠共同工作的重要保證，鋼箱與混凝土之間存在相對(duì)滑移現(xiàn)象，這導(dǎo)致鋼箱端部混凝土存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，鋼箱鋼板與混凝土之間有很大的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力。鋼箱沿梁縱向位移如圖9所示，鋼箱端部局部放大圖如圖10所示。

圖9 鋼箱位移云圖（單位：m）

圖10 鋼箱端部位移云圖（單位：m）

從圖9、圖10可以看出，鋼箱加固梁在荷載作用下，鋼箱端部沿梁縱向位移最大，容易引起粘結(jié)破壞或混凝土剝落，導(dǎo)致鋼箱沿端部向跨中方向延伸脫落，失去加固功能。這種破壞屬于脆性破壞，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性由重要影響。所以鋼箱加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)鋼箱端部的錨固強(qiáng)度。

3.3 鋼箱和側(cè)板高度的影響

本文針對(duì)不同鋼箱高度和側(cè)板高度共建立13片對(duì)比梁模型，分析鋼箱高度和側(cè)板高度對(duì)加固梁的撓度影響。對(duì)比梁未加固前的鋼筋混凝土梁參數(shù)與上文相同，僅鋼箱高度和鋼箱側(cè)板高度不同。對(duì)比梁的加固鋼箱參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

（1）鋼箱和側(cè)板高度對(duì)截面慣性矩的影響

經(jīng)分析計(jì)算，鋼箱高度h1和側(cè)板高度h2對(duì)鋼箱慣性矩的影響分別如圖11和圖12所示。

從圖11、圖12可以看出，鋼箱截面慣性矩隨著鋼箱高度和側(cè)板高度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，側(cè)板高度的變化對(duì)截面慣性矩的影響較大。

表1 對(duì)比梁加固鋼箱參數(shù) mm

圖11 h1對(duì)鋼箱慣性矩的影響

圖12 h2對(duì)鋼箱慣性矩的影響

（2）鋼箱和側(cè)板高度對(duì)加固梁撓度的影響

對(duì)各對(duì)比梁進(jìn)行分級(jí)對(duì)稱加載，集中荷載從F=5 kN開(kāi)始每級(jí)5 kN增加到F=40 kN，各對(duì)比梁在荷載作用下的跨中撓度如圖13、圖14所示。

圖13 h1對(duì)加固梁撓度的影響

圖14 h2對(duì)加固梁撓度的影響

從圖13、14可以看出，鋼箱高度對(duì)加固梁的剛度貢獻(xiàn)較大，鋼箱高度越大，加固梁在荷載作用下的撓度越小；而側(cè)板高度對(duì)鋼箱剛度的貢獻(xiàn)較小，鋼箱側(cè)板高度變化對(duì)加固梁撓度的影響較小。但實(shí)踐表明，不能為了提高加固后結(jié)構(gòu)承載能力而選擇較大鋼箱高度和較小側(cè)板高度。因?yàn)殇撓涓叨忍髸?huì)導(dǎo)致加固梁受壓區(qū)混凝土壓碎時(shí)鋼箱的應(yīng)力水平還很低，造成材料的浪費(fèi)。同時(shí)不利于結(jié)構(gòu)受力[7]。一般鋼箱高度宜在5～10 cm內(nèi)。如果側(cè)板高度過(guò)高，接近中和軸位置，則對(duì)加固梁的抗彎承載力貢獻(xiàn)并不明顯，所以宜將側(cè)板高度控制在梁高的三分之一以內(nèi)。

3.4 鋼箱加固梁的動(dòng)力特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下會(huì)發(fā)生各種振動(dòng)，所以對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行分析非常有必要，尤其對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行分析，更能對(duì)其加固效果進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)價(jià)。本文分別對(duì)鋼箱加固前后鋼筋混凝土梁有限元模型動(dòng)力特性進(jìn)行分析，得出加固前后鋼筋混凝土梁的前5階頻率和振型模態(tài)。通過(guò)對(duì)比分析了鋼箱加固前后鋼筋混凝土梁的各階次頻率大小，如圖15所示。

圖15 鋼箱加固前后各階次頻率

從圖15可以看出，鋼箱加固后梁的各階頻率均大于加固前，這說(shuō)明鋼箱加固法能夠有效提高梁體的整體剛度，鋼箱加固后鋼筋混凝土梁的動(dòng)力性能得到了很大提升[8]。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)鋼箱加固的矩形截面鋼筋混凝土梁建立ANSYS有限元分析模型，對(duì)鋼箱加固梁的力學(xué)行為進(jìn)行分析。鋼箱下緣鋼板的應(yīng)力水平較高，上緣鋼板最大拉應(yīng)力約為下緣最大拉應(yīng)力的66%，鋼箱側(cè)板能有效保證上下緣鋼板的受力協(xié)調(diào)，并為鋼箱提供足夠的錨固區(qū)，使鋼箱與混凝土共同受力。

（2）通過(guò)對(duì)加固前后梁體有限元模型的靜力及動(dòng)力特性的對(duì)比分析，得出鋼箱加固法能夠降低混凝土的應(yīng)力水平，有效提高梁體剛度。分析還得出，鋼箱端部沿梁縱向位移最大，所以實(shí)際工程中該部位容易發(fā)生剝離現(xiàn)象。

（3）通過(guò)對(duì)12根對(duì)比梁進(jìn)行5～40 kN的分級(jí)加載，分析各對(duì)比梁跨中撓度可知，鋼箱越高加固梁的剛度越大，梁體在荷載作用下?lián)隙仍叫?，?cè)板對(duì)加固梁整體撓度的變化影響較小。說(shuō)明鋼箱高度的變化對(duì)加固梁抗彎剛度影響較大，而側(cè)板高度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)抗彎剛度影響較小。鋼箱和側(cè)板高度的變化對(duì)加固梁抗剪能力都利。

總之，鋼箱加固法不僅能有效提高鋼筋混凝土梁的抗彎和抗剪承載力，增大加固梁的剛度，還能有效改善梁的受力性能，降低加固梁的跨中撓度。該加固法具有良好的加固效果，可以推廣應(yīng)用于類似橋梁的加固工程中。