鋼板-混凝土組合加固T形梁橋受力分析

逄鵬程，趙天野，李　洋

鋼板-混凝土組合加固T形梁橋受力分析

逄鵬程，趙天野，李洋

（長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西西安 710064）

文章采用有限元軟件Midas對某T形梁橋鋼板-混凝土組合加固前后的應(yīng)變、撓度的變化進(jìn)行了分析，同時采用Ansys軟件計算出加固前后的極限抗彎承載能力，結(jié)果表明：鋼板-混凝土組合加固可以有效提高T形梁橋截面的抗彎承載能力。

T形梁橋；鋼板-混凝土組合加固；極限抗彎承載能力

1　概述

隨著橋梁使用時間、交通流量的增長，國內(nèi)外很多橋梁的結(jié)構(gòu)性能已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的功能要求，為使其重新恢復(fù)使用功能需進(jìn)行加固。

近年來，國內(nèi)外研究人員在橋梁結(jié)構(gòu)的加固和補強方面做了大量的實踐和研究工作。Fragiacomo M等對鋼-混凝土組合梁在正常使用極限狀態(tài)下的長期受力和破壞過程進(jìn)行了分析研究，并通過相關(guān)試驗進(jìn)行驗證［2］。Jeong Y J等通過理論分析和試驗研究，探討了由螺栓、縱肋、波紋鋼板以及混凝土構(gòu)成的鋼-混凝土組合橋面板的局部相互作用特性。K.Baskar等采用有限元軟件對鋼-混組合結(jié)構(gòu)在剪力和負(fù)彎矩作用下進(jìn)行了非線性分析研究，并將理論結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了比較，提出了比較準(zhǔn)確的預(yù)測鋼-混凝土組合板梁的極限荷載特性的非線性有限元模型。在國內(nèi)，清華大學(xué)聶建國教授首先提出了鋼板-混凝土組合加固的思想，從而進(jìn)一步提出了廣義組合結(jié)構(gòu)的概念。李硯波等將鋼-混凝土組合加固使用在了房屋改造加固工程中，同樣取得了良好的效果。其中承載力的提高效果、施工工藝的簡便性、結(jié)構(gòu)加固后的受力性能是研究的熱點問題。

鋼板-混凝土組合加固技術(shù)即在原結(jié)構(gòu)表面植筋、加固鋼板上焊接栓釘、在加固鋼板和原結(jié)構(gòu)間澆注混凝土使得新老結(jié)構(gòu)形成整體共同受力的一種加固方法。組合加固方法可充分利用新、舊材料的性能，具有承載力高、抗震性能強、自重增加小、施工快速方便的優(yōu)點，用于T形梁時，不會增加梁高，可以降低橋下凈高，在很多方面能夠解決傳統(tǒng)加固方法的固有缺點。使用該方法可顯著地提高橋梁的剛度和承載能力，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

2　有限元模型建立

某鋼筋混凝土簡支T形梁橋，已經(jīng)安全運營30多年，通過橋梁檢測發(fā)現(xiàn)T梁梁體出現(xiàn)多條豎向與斜向裂縫，鉸縫均有滲水等病害，為了保證該橋能夠安全、正常的運營，決定對此橋進(jìn)行鋼板-混凝土組合加固。該梁橋由9片T形單梁組成，單梁加固前后的截面具體尺寸如圖1、圖2所示。

圖1　加固前T梁（單位：cm）

采用橋梁專用程序Midas建立加固前、后的模型，全橋共劃分為231個節(jié)點，548個單元，如圖3所示。為保證試驗加載的有效性和合理性，應(yīng)使橋跨結(jié)構(gòu)在最不利的荷載情況下加載檢測。根據(jù)計算，在全橋模型中加載3輛重車，重車的前軸、中軸、后軸的軸重分別為39.9 kN、56.4 kN、44.6 kN（該軸重為橋梁荷載試驗時試驗加載車輛的實際軸重）。加載分為中載和偏載，中載時的加載效率為0.98，偏載時的加載效率為1.01，2種加載方式均滿足規(guī)范中的加載效率（0.95～1.05）。中載時，車輪距防護(hù)欄4.15 m，兩車間距為1.3 m，此時的加載工況稱為工況1；偏載時，車輪距防護(hù)欄0.5 m，兩車間距1.3 m，此時的加載工況稱為工況2。

圖3　T形梁橋加全橋模型

3　加載模擬分析

3.1測點設(shè)置及應(yīng)變、撓度的計算

采用Midas軟件進(jìn)行全橋建模，分析在工況1、工況2作用下，T形梁橋梗腋、腹板、梁底的應(yīng)變及梁底撓度，測點布置如圖4、圖5所示。

圖4　應(yīng)變測點位置

圖5　撓度測點位置

結(jié)構(gòu)應(yīng)變的計算公式如下：

式中：M為截面彎矩；y為形心到中性軸的距離；E為彈性模量；I為截面慣性矩。

梁底撓度值為T形梁橋測點位置豎向位移，其數(shù)值可以從Midas中讀取。

3.2數(shù)據(jù)分析

工況1、工況2作用下，T形梁橋組合加固前后撓度的變化如圖6所示。

圖6　撓度值對比

從圖6中可以看出，（1）工況1作用下，跨中位置第5片梁的撓度最大，加固前撓度最大值為8.72 mm，加固后撓度最大值為4.32 mm，撓度曲線呈對稱的拋物線狀；工況2作用下，跨中位置第9片梁的撓度最大，加固前撓度最大值為11.05 mm，加固后撓度最大值為7.20 mm，撓度曲線呈上升的折線狀。（2）加固后的撓度值與加固前的撓度值相比明顯變小，工況1作用下，加固后撓度值比加固前撓度值減小了48.4%～52.7%，工況2作用下，加固后撓度值比加固前撓度值減小了27.8%～53.0%。

工況1、工況2作用下，T形梁橋組合加固前后應(yīng)變的變化規(guī)律如圖7所示。從圖7中可以看出，荷載作用下，加固后的應(yīng)變值與加固前的應(yīng)變值相比變小，減小的范圍為7.5%～85.7%。

圖7　應(yīng)變值對比

4　Ansys數(shù)值模擬分析

采用三維實體單元Solid65對加固前、后的混凝土進(jìn)行模擬，該單元為8節(jié)點6面體實體單元。鋼筋采用2節(jié)點單元LINK8來模擬，該單元為三維桿單元，有2個節(jié)點，每一個節(jié)點有3個方向的自由度（x、y和z方向的位移）。

混凝土是一種由水泥、水、粗細(xì)骨料組成的混合材料，其本構(gòu)關(guān)系很復(fù)雜。在荷載作用下，混凝土材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯的各項異性和非線性。對于混凝土單調(diào)加載情況下單向受壓的本構(gòu)關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗、研究，提出了各種的表達(dá)式。本文的Ansys分析采用我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 （GB50010—2002）中所采用的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，具體表達(dá)式如下：

模型的加載方式為在混凝土翼緣上施加節(jié)點力，通過對梁端部施加位移約束來實現(xiàn)對梁簡支約束的模擬。由于計算分析的規(guī)模不大，為了能夠控制結(jié)點和單元的編號以便使得節(jié)點和測點編號有對應(yīng)關(guān)系，采用直接生成法來建立節(jié)點模型，通過空間坐標(biāo)來指定每一個節(jié)點的位置，進(jìn)而通過節(jié)點生成單元。加固前后T形截面梁試驗梁模型示意圖如圖8所示。

采用Ansys對加固前后的橋梁跨中截面抗彎承載能力進(jìn)行分析對比，結(jié)果見表1。由表1可知：加固后跨中截面的抗彎承載能力比加固前提高了28.4%，說明鋼板-混凝土組合加固可以有效地提高截面的抗彎承載能力。

圖8　T梁模型

表1　跨中截面抗彎承載能力計算結(jié)果

5　結(jié)論

（1） 組合加固后，T形梁橋的撓度、應(yīng)變均比加固前減小，結(jié)構(gòu)強度、剛度等指標(biāo)得到明顯提高，結(jié)構(gòu)安全儲備得到提高；

（2） 運用鋼板-混凝土組合加固能夠顯著提高原梁的抗彎極限承載能力。由于加固混凝土增大了試驗梁截面，并且鋼板的存在抑制了混凝土裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，從而明顯地提高了T梁的抗彎剛度；同時鋼板-混凝土組合加固能夠提高原梁的抗剪能力，鋼板與原梁緊密聯(lián)系在一起，在抗剪方面鋼板可以承擔(dān)一部分剪力。

（3） 結(jié)構(gòu)全截面采用鋼板-混凝土組合加固，則能夠提高結(jié)構(gòu)橫向剛度，使得結(jié)構(gòu)受力更加均勻。

［1］王春生，袁卓婭，任騰先，等.鋼板-混凝土組合加固混凝土T梁的抗彎性能試驗［J］.交通運輸工程學(xué)報，2010，10 （6）：32-40.

［2］Fragiacomo M，Amadio C，ASCE M，et al. Finite-Element Model for Collapse and Long-Term Analysis of Steel-Concrete Composite Beams［J］. Journal of Structural Engineering，ASCE.

［3］聶建國，朱林森，陳林，等.北京某地下人行通道的加固處理［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2001，31（9）：56-57.

［4］任偉.鋼筋混凝土T梁橋的片材加固機理設(shè)計方法及其應(yīng)用［D］.西安：長安大學(xué)，2006.

［5］王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［6］高珊. 鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土 T 梁抗彎性能實驗研［D］.西安：長安大學(xué)，2009.

［7］石雄偉.鋼板-混凝土組合加固方法試驗研究及實橋應(yīng)用［D］. 西安：長安大學(xué)，2012.

Stress Analysis of T Beam Bridge Reinforced with Steel Plate and Concrete

Pang Pengcheng， Zhao Tianye， Li Yang
（School of Highway， Chang' an University， Xi' an 710064， China）

In this paper， the strain and displacement changes of T beam bridge before and after reinforced with steel plate and concrete are analyzed using finite element software Midas， meanwhile， the ultimate flexural bearing capacity is calculated before and after reinforcement using Ansys. Results show that reinforcement combining steel plate with concrete can effectively improve flexural bearing capacity of T beam bridge.

T beam bridge； steel plate and concrete composite strengthening； ultimate flexural bearing capacity

U445.72

A

1672-9889（2015）01-0019-03

逄鵬程（1990-），男，山東青島人，碩士研究生，研究方向橋梁抗風(fēng)抗震及加固維修。

（2014-05-02）