基于Ansys的橋梁橫向預應力碳纖維板加固仿真分析

楊曉東，傅長榮，黃 金，白 石

（1.麗水市公路管理局，浙江 麗水 323000；2.麗水學院；3.智性纖維復合加固南通有限公司，江蘇 南通 226000）

1 引言

近年來，裝配式空心板橋經(jīng)常出現(xiàn)沿空心板間企口縫的縱向裂縫、坑槽和塌陷，且空心板間鉸縫處混凝土破碎、脫落、大面積滲漏，致使板間橫向聯(lián)系失效，出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象，嚴重影響行車安全，成為整條公路交通的瓶頸[1-3]。因此，對這類病害橋梁進行加固研究具有重要的工程實用價值。

常用的加固方式有粘鋼及體外預應力。體外預應力的加固效果更好，可以有效改善荷載橫向分布，增加結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系，成為目前研究的熱點。陳淮[4]等采用橫向體外預應力筋來加固空心板橋，對比施加橫向預應力加固空心板橋前后的計算結(jié)果，得出采用施加橫向預應力的方法能有效改善荷載橫向分布，增加空心板結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系，避免單板受力，加固效果明顯。杜紅靜[5]研究了橫向預應力大小、位置等對空心板橋加固效果的影響，得出橫向張拉預應力可以很好的增加結(jié)構(gòu)剛度及承載能力，加固效果良好。韓相宏[6]利用有限元軟件Ansys建立空心板梁橋的有限元模型，以接觸單元模擬鉸縫混凝土的開裂面，計算分析荷載作用下橫向預應力、板間摩擦系數(shù)、板梁豎向撓度三者之間的相互關(guān)系。宋宇鋒等[7]將有限元方法和全尺寸模型試驗得出的空心板梁橋橫向分布結(jié)果與現(xiàn)行設(shè)計方法采用的鉸接板法計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)鉸接板法在計算空心板梁橋橫向分布時存在較大誤差，鉸縫實際受力方式與設(shè)計方法所假設(shè)的受力方式有很大區(qū)別。但上述研究未說明在一定的鉸縫損傷工況下，橫向預應力加固使得鉸縫梁端一定距離范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應力值超限后如何處理。另外，目前所用的大多數(shù)加固材料均采用鋼絞線，容易受到服役環(huán)境的腐蝕，影響加固效果。

本文將根據(jù)上述研究現(xiàn)狀，采用有限元分析軟件Ansys 對水口殿大橋空心板梁橫向預應力碳纖維板加固進行建模分析，研究在最不利荷載掛車-100 級中載加載下，碳纖維板加固前后鉸縫底緣橫向正應力和撓度的變化情況[8，9]，并分析在一定的鉸縫損傷工況下橫向預應力加固使得鉸縫梁端一定距離范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應力值超限后如何進行處理，為實際橋梁結(jié)構(gòu)的橫向預應力加固分析提供參考。

2 橋梁空心板梁建模

利用有限元軟件Ansys，參照水口殿大橋空心板梁橋標準圖的相關(guān)數(shù)據(jù)進行建模。加固模型中鉸縫和空心板材料為C40 混凝土，采用Solid65 實體單元進行模擬，在鉸縫開裂失效位置處添加僅受壓的link10 單元，模擬橫向預應力加固后鉸縫混凝土恢復的受壓性能，縱向預應力束采用15.2mm 高強鋼絞線，橫向預應力材料采用截面尺寸為100mm×2mm 的碳纖維板，主要材料特性及模擬方式見表1。

表1 加固模型材料參數(shù)

截面幾何尺寸如圖1所示，7 塊板有限元模型如圖2 所示，從左到右依次為1 號～7 號板。7 塊板之間共6個鉸縫，即板與板之間相接的部分，從左往右依次為1號～6 號鉸縫。根據(jù)國內(nèi)外研究進展，建模時考慮梁體自重、預應力鋼絞線和橋面二期恒載的影響，在最不利荷載掛-100級中載加載下分析碳纖維板加固前后鉸縫底緣橫向正應力和撓度的變化情況，單根預應力鋼絞線張拉噸位19.6t，橋面鋪裝采用C40 混凝土，厚15cm，每片板受力5.98 kN/m，護欄一側(cè)受力為8kN/m，不考慮橋面鋪裝層的剛度影響，直接將其作為二期恒載加載在空心板梁上。采用橫向碳纖維板加固時，布置位置分別為0.5L-5m、0.5L-3m、0.5L-1m、0.5L、0.5L+1m、0.5L+3m、0.5L+5m 位置處，單條碳板采用100mm 寬、2mm 厚，單端張拉力為20t；縱向碳纖維板的加固位置在每個空心板梁下方的縱向中心線上，單端張拉力為15t。

圖1 水口殿大橋空心板梁橫截面標準圖（cm）

圖2 水口殿大橋有限元模型

3 有限元計算結(jié)果分析

3.1 未損傷工況下加固分析

由于結(jié)構(gòu)的對稱性，只給出了1號～3號鉸縫的分析數(shù)據(jù)，有限元仿真模型計算結(jié)果如圖3、圖4所示。分析數(shù)據(jù)表明，在鉸縫未損傷情況下，空心板梁橋的縱向預應力碳纖維板加固對鉸縫底緣橫向正應力的改善作用不明顯，而對跨中截面的撓度改善較為明顯。當采用7道15t 的縱向預應力碳纖維板和7 道張拉力為20t 的橫向預應力碳纖維板加固時，除各鉸縫距離梁端0.1m 范圍內(nèi)出現(xiàn)少許拉應力外（峰值小于0.4MPa），其余橋梁縱向長度范圍內(nèi)均未出現(xiàn)橫向拉應力，橫向預應力加固使得邊板產(chǎn)生一定的下?lián)?，因此加固后跨中斷面梁頂?shù)臋M向拉應力呈現(xiàn)出邊梁增大中梁減小的趨勢，加固后裸梁狀態(tài)下跨中梁頂?shù)淖畲髾M向拉應力為0.825MPa，小于C40 混凝土的抗拉強度設(shè)計值1.71MPa。

圖3 未損傷工況加固前后鉸縫橫向正應力對比

圖4 未損傷工況下加固前后對跨中撓度與梁頂橫向應力影響

因此，在鉸縫未損傷情況下，各項關(guān)鍵指標均符合設(shè)計要求。說明采用7道15t的縱向預應力碳纖維板和7 道張拉力為20t 的橫向預應力碳纖維板加固是可行的。

3.2 各鉸縫損傷工況下加固分析

根據(jù)水口殿大橋的實際情況及建模分析，確定鉸縫損傷比例在45%～65%之間，以此作為鉸縫損傷模型的建立標準。

由圖5、圖6 可以看出，在各鉸縫損傷工況下，空心板梁橋的縱向預應力碳纖維板加固對鉸縫底緣橫向正應力的改善作用不明顯，而對跨中截面的撓度改善較為明顯。當采用7道15t的縱向預應力碳纖維板和7道張拉力為20t的橫向預應力碳纖維板加固時，各鉸縫在距離梁端一定范圍內(nèi)的橫向正應力反而增大，各鉸縫在距離梁端1.6m 范圍內(nèi)出現(xiàn)較大拉應力（距離梁端一定范圍內(nèi)甚至超出C40 混凝土的抗拉強度設(shè)計值1.71MPa），其余橋梁縱向長度范圍內(nèi)出現(xiàn)的橫向拉應力值得到改善且均未超限。在各鉸縫損傷工況下，橫向預應力加固同樣使得邊板產(chǎn)生一定的下?lián)?，因此加固后跨中斷面梁頂?shù)臋M向拉應力呈現(xiàn)出邊梁增大中梁減小的趨勢，加固后裸梁狀態(tài)下跨中梁頂?shù)淖畲髾M向拉應力為0.867MPa，小于C40 混凝土的抗拉強度設(shè)計值1.71MPa。

圖5 損傷工況下加固前后鉸縫橫向正應力對比

圖6 損傷工況下加固前后對跨中撓度與梁頂橫向應力影響

因此，各鉸縫損傷嚴重到一定程度時，即在各鉸縫損傷比例為45%～65%的工況下，僅采用7道15t的縱向預應力碳纖維板和7道張拉力為20t的橫向預應力碳纖維板加固是不可行的，它會使鉸縫梁端一定距離范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應力值超限。

通過分析及文獻參考[8-10]，小鉸縫空心板梁橋加固時，需要確保鉸縫底部施工縫距梁底30cm左右高度范圍內(nèi)封閉密實，可使得鉸縫橫向拉應力不超限。

3.3 施工縫30cm密實填充前后各鉸縫損傷工況下加固分析

將小鉸縫底部施工縫30cm 高度范圍內(nèi)填充密實后，得到的各鉸縫損傷工況下加固前后鉸縫橫向正應力、撓度對比如圖7、圖8所示。

圖7 30cm密實灌漿后各鉸縫損傷工況下加固前后鉸縫橫向正應力對比

圖8 30cm密實灌漿后加固前后對跨中撓度與梁頂橫向應力影響

由圖7、圖8中可以看出，在各鉸縫損傷工況下，將小鉸縫底部施工縫30cm 高度范圍內(nèi)填充密實后，同樣采用7 道15t 的縱向預應力碳纖維板和7 道張拉力為20t的橫向預應力碳纖維板加固時，各鉸縫橫向正應力均小于0.2MPa，橫向預應力加固使得邊板產(chǎn)生一定的下?lián)?，因此加固后跨中斷面梁頂?shù)臋M向拉應力呈現(xiàn)出邊梁增大中梁減小的趨勢，加固后裸梁狀態(tài)下跨中梁頂?shù)淖畲髾M向拉應力為0.52MPa，小于C40混凝土的抗拉強度設(shè)計值1.71MPa，滿足加固設(shè)計要求。

通過上述分析可知，為了解決空心板橋橫向預應力加固時鉸縫橫向拉應力超限的問題，將空心板橋小鉸縫底部施工縫30cm 高度范圍內(nèi)填充密實，提高鉸縫摩擦系數(shù)，可以有效減小鉸縫及梁頂橫向正應力，減小跨中撓度，提高加固效果并保證橋梁的安全運營。

4 結(jié)語

本文主要對空心板橋橫向預應力碳纖維板加固設(shè)計進行有限元仿真模擬，建立空心板橋橫向預應力碳纖維加固模型，主要分析了鉸縫未損傷工況下、鉸縫損傷工況下以及施工縫30cm 密實填充工況下的橋梁結(jié)構(gòu)加固前后跨中撓度、梁頂橫向應力和鉸縫底緣正應力的影響。

結(jié)果表明，采用7道15t的縱向預應力碳纖維板和7道張拉力為20t的橫向預應力碳纖維板加固是有效的，但此時需要特別注意的是鉸縫底緣和跨中截面頂緣的橫向拉應力是否已經(jīng)超限，如果超限將影響結(jié)構(gòu)安全。將鉸縫底部施工縫30cm 高度范圍內(nèi)填充密實，可以有效提高鉸縫摩擦系數(shù)，減小鉸縫及梁頂橫向應力，減小跨中撓度，提高加固效果并且保證橋梁的安全運營。