作者簡介：

唐禮榮（1990—），工程師，主要從事公路工程建設(shè)管理工作。

摘要：文章采用鋼板-混凝土組合加固方法，對混凝土箱梁加固材料所使用的鋼板和混凝土進行了試驗研究，得到對應(yīng)的強度和性能特征，同時對加固后的混凝土箱梁進行了有限元變參分析，得到混凝土箱梁加固后承載力與加固參數(shù)之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;混凝土箱梁;鋼板-混凝土組合加固;材性試驗

中國分類號：U445.7+2A311153

0 引言

鋼板-混凝土組合加固是通過在鋼板上焊接栓釘、在原混凝土表面植筋、在原結(jié)構(gòu)及加固鋼板間澆注混凝土等措施，使加固部分與原混凝土結(jié)構(gòu)形成整體共同工作[1-3]。組合加固的理念源于鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)，在材料方面，其充分運用鋼板和混凝土各自的優(yōu)點，使其同時具備增大截面加固法和錨粘鋼板法的優(yōu)點，并有效避免二者固有的缺點，從而在提高承載能力方面具備其他加固方法難以比擬的優(yōu)勢。

國外目前尚未有關(guān)于鋼板-混凝土組合加固技術(shù)的研究與應(yīng)用文獻。在我國，聶建國等[4]受到鋼-混組合結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，于2006年首次提出了鋼板-混凝土組合加固的思想，這種加固方式充分運用了鋼板和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點，為橋梁結(jié)構(gòu)加固體系提供了一種新思路。之后聶建國等[5]通過試驗研究了采用鋼板-混凝土組合加固混凝土矩形梁的抗彎性能，論證了鋼板-混凝土組合加固技術(shù)的優(yōu)越性，結(jié)果表明，鋼板-混凝土組合加固技術(shù)可以大幅度提高結(jié)構(gòu)承載力及剛度，并改善結(jié)構(gòu)延性，而且鋼板-混凝土組合加固后的混凝土梁截面仍然符合平截面假定。袁卓亞等[6]先后對鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土矩形梁、T形梁等進行了抗彎、抗剪試驗研究，證明了鋼板-混凝土組合加固技術(shù)的有效性及其提高結(jié)構(gòu)承載力和剛度的優(yōu)越性，并結(jié)合理論公式計算及數(shù)值模擬分析，對鋼板-混凝土組合加固的設(shè)計和施工提出了指導(dǎo)性建議。

我國在鋼板-混凝土組合加固方面雖然取得了很多研究成果，但是依然存在一些問題，因此研究鋼板-混凝土組合加固的合理材料性能參數(shù)迫在眉睫。本文對鋼板-混凝土組合加固箱梁的合理參數(shù)進行了有限元分析。

1 組合加固材料參數(shù)研究

為了對加固前后的箱梁進行有限元分析，本文對加固材料進行了材料性能試驗。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法與標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2016）[7]進行混凝土材料性能試驗及結(jié)果處理。

1.1 加固混凝土

本文設(shè)計了三個加固混凝土試件，試件規(guī)格為150 mm×150 mm×300 mm。補強層混凝土彈性模量試驗結(jié)果如表1所示。取抗壓強度值和軸心抗壓強度值算術(shù)平均值作為補強層混凝土彈性模量值，即1.76×104 MPa。組合加固混凝土彈性模量計算結(jié)果如表2所示。

試驗中所有試件的軸心抗壓強度值與用以確定檢驗控制荷載的軸心抗壓強度值相差均未超過后者的20%，故取三個試件測試值的算術(shù)平均值作為補強層混凝土彈性模量值，即2.58×104 MPa。

1.2 加固鋼板

加固鋼板為Q235鋼，厚6 mm，參照國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T228.1-2010），設(shè)計出試件尺寸，如圖1所示。

2 鋼板-混凝土組合加固模型的建立

在對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁進行有限元模擬時，考慮到建模目的和精度要求，鋼筋和鋼絞線采用分離式模型的建模方法，即分別建立鋼筋、鋼絞線與混凝土實體的幾何模型，在鋼筋、鋼絞線單元節(jié)點與混凝土單元節(jié)點之間建立約束方程，忽略鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移。而對箍筋的模擬則采用彌散鋼筋模型，通過定義實常數(shù)設(shè)置不同方向的配筋率，假設(shè)箍筋均勻連續(xù)地分布于整個單元中。

在新舊加固材料的結(jié)合方面，考慮到加固結(jié)構(gòu)與原箱梁之間有良好的連接，故在加固后結(jié)構(gòu)建模中不考慮新老混凝土、加固鋼板與加固混凝土之間的粘結(jié)滑移，采用共節(jié)點的方法將它們連接成整體來共同工作。建模時不考慮預(yù)應(yīng)力束和普通鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移，加載點以均布荷載模擬加載墊石的作用，在梁端部支點位置同時施加線約束和點約束，實現(xiàn)對簡支約束的模擬。

混凝土材料的本構(gòu)模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）規(guī)定的公式。普通鋼筋與鋼板的本構(gòu)關(guān)系均采用雙線性等向強化模型。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用線性本構(gòu)關(guān)系。

采用有限元軟件對某混凝土箱梁橋進行加固計算。加固混凝土和鋼板在距離支點300 mm范圍內(nèi)加固高度較高，在跨中7 334 mm范圍內(nèi)加固高度低，這樣既考慮了箱梁的受力性能要求，又兼顧了加固的經(jīng)濟性。加固混凝土厚8 cm，采用C40自密實混凝土;加固鋼板厚6 mm，采用235B鋼。頂板加固層采用C40混凝土，厚8 cm，內(nèi)置一層鋼筋網(wǎng)。有限元模型如圖2所示。加固鋼板和原梁鋼筋應(yīng)力云圖如圖3～4所示。

3 有限元參數(shù)分析

為了得到合理的加固構(gòu)造尺寸，本文對補強加固層厚度和鋼板厚度進行了變參分析。

考慮不同補強層加固厚度及不同的鋼板厚度，可以得到箱梁抗彎承載力提高程度的變化規(guī)律（如圖5所示）。從圖5可以看出，在一定加固范圍內(nèi)，承載力提高程度與補強層厚度及鋼板厚度近似呈線性增長關(guān)系;但是當(dāng)接近臨界加固厚度時，承載能力提高程度增長速度變慢，與鋼板厚度不再是線性關(guān)系。

若只考慮不同的鋼板厚度，則可以得到不同補強層厚度加固后箱梁的承載力提高程度與鋼板厚度的關(guān)系曲線（如后頁圖6所示）。圖6中三條曲線基本重合，由此可見，鋼板厚度<7 mm時，同一厚度的鋼板加固本文所述類型的箱梁，其承載力提高程度與箱梁截面高度（補強層加固本質(zhì)上是提高了梁截面高度，增大了截面面積）無關(guān)。在其他參數(shù)不變的情況下，隨著鋼板厚度的增加，其對箱梁抗彎承載力的提高速率逐漸降低，尤其是當(dāng)鋼板厚度接近臨界加固厚度時，鋼板厚度的增加對承載力的影響明顯減小，而過厚的鋼板卻又增大了結(jié)構(gòu)自重，對結(jié)構(gòu)不利。另外，過小的鋼板厚度，如0～3 mm時，不僅對箱梁抗彎承載力的提高有限（大約為0～30%），同時也增加了施工的難度。因此，在實橋加固應(yīng)用中，若無補強層加固，則建議采用4～8 mm厚度的鋼板，其對箱梁的抗彎極限承載力提高程度能達到40%～80%;若結(jié)合補強層加固，則鋼板厚度可放寬至3～10 mm。

后頁圖7為加固前后箱梁的荷載-撓度曲線，反映了結(jié)構(gòu)各個材料之間的協(xié)同受力狀況。由荷載-位移曲線的變化趨勢可以看出，隨著荷載等級的增加，位移不斷增大，進而導(dǎo)致梁體繼續(xù)開裂，梁體剛度逐漸減小，位移增長速率逐漸增大。加固梁在彈性階段撓度增加較慢，撓度<11.2 mm，荷載-撓度曲線斜率較大，加固梁剛度遠遠大于未加固梁。

4 結(jié)語

本文對鋼板-混凝土組合加固混凝土箱梁進行了加固混凝土和鋼材的材料性能試驗，得到混凝土和鋼材的彈性模量、泊松比等材料性能參數(shù)，同時進行了有限元變參分析，得到混凝土補強層和鋼板厚度對承載能力提高的影響。在實橋加固應(yīng)用中，若無補強層加固，建議采用4～8 mm厚度的鋼板;若結(jié)合補強層加固，則鋼板厚度可放寬至3～10 mm。

參考文獻：

[1]高軒能，周期源，陳明華.粘鋼加固RC梁承載性能的理論和試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2006，39（8）：38-44.

[2]林于東，宗周紅，陳宏磊.粘鋼加固混凝土梁受剪性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2011，32（8）：90-98.

[3]曹雙寅，孫永新，夏存衛(wèi).粘鋼加固鋼筋混凝土梁斜截面承載能力的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2000（8）：45-48.

[4]聶建國，樊健生.廣義組合結(jié)構(gòu)及其發(fā)展展望[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2006，27（6）：1-8.

[5]聶建國，趙 潔.鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土簡支梁試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2008（5）：50-56.

[6]袁卓亞，馮 威，王志強，等.鋼板-混凝土組合加固技術(shù)在橋梁加固中的應(yīng)用[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2011（6）：31-35.

[7]GB/T50081-2016，普通混凝土力學(xué)性能試驗方法與標(biāo)準(zhǔn)[S].

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