钢筋混凝土梁组合加固技术的仿真分析

王 楠 ,刘 洋,蔡 越

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，武汉 430040；3.武汉港湾工程质量检测有限公司，武汉 430040)

当前我国交通运输事业随社会经济快速发展，交通流量和车辆载重也大幅增长，加上桥梁所处环境的侵蚀，我国大量桥梁出现了桥梁老化加速、承载力不足的问题[1]。并且由于施工、环境影响等方面的原因，桥梁保护层混凝土碳化严重，对内部钢筋的保护能力下降，并且伴随着混凝土表面的裂缝增大，桥梁结构内部钢筋的腐蚀加快，更加快了桥梁承载力下降的速度[2]。对于承载力不足的桥梁，利用加固的方法使其继续服役是较为经济可行的。现有的加固方法主要集中在钢板加固、碳纤维板加固等单一方面，这类加固是二次受力的加固方法，只有在桥梁承受更大荷载的时候才能发挥作用。而现有的预应力碳纤维加固方法存在锚固困难和预应力损失过大等问题[3]。

为提高现有桥梁结构的承载力、刚度及耐久性可对桥梁结构进行加固。常用加固方法有：增大截面法、粘贴钢板法、粘贴纤维组合材料法、体外预应力法、改变结构体系法等[4]。其中前三种方法属于被动加固范畴，其加固效果只有在桥梁结构再次受荷时才会显现，对原结构的受力性能无明显改善作用，提高的承载能力有限；后两种方法属于主动加固范畴，但受结构形式、锚固或材料特性的影响，均有一定的局限性。

预应力碳纤维板加固是对传统碳纤维板(布)加固的一次理念提升。它是一个主动受力的过程，能够在加固施工完成后即对梁施加作用，对裂缝有很好的闭合作用[5]。但也有其不足之处，如：预应力碳纤维板的锚固系统不易处理，碳纤维板加固的混凝土梁易出现脆性破坏，此外，目前的碳纤维板张拉设备比较复杂，施工时不方便[6]。

1 加固方式

针对以上问题，研究提出了一种组合加固技术，采用钢板和预应力碳纤维板对钢筋混凝土梁进行加固，在提供承载力的同时，也属于主动受力的范畴。具体加固步骤如下：

1)混凝土梁表面处理 先对混凝土梁表面裂缝进行封闭或灌封处理，达到养护时间后凿除浮浆层，完全露出混凝土新面；再进行凿毛处理，并清洗表面的浮尘及混凝土渣；最后对凹凸不平较严重的表面用环氧树脂砂浆进行修补。

2)钢板的下料及处理 先根据钢板设计尺寸，采用工厂自动或半自动切割方法进行切割，成型后的钢板的切割边缘表面光滑、无毛刺、咬口及翘曲的缺陷；再将钢板粘合面打磨至金属光泽并具有粗糙度；最后将固定端波形齿板和张拉端的固定块焊接在钢板非粘合面相应的位置。

3)粘贴和固定钢板 先涂抹胶粘剂，再将钢板粘贴于预定位置，钢板粘贴好后，需在其表面施加0.05～0.1 MPa的压力，使胶粘剂恰好从钢板的边缝中挤出为宜，然后在 20 ℃以上常温下使胶粘剂固化24 h；最后，清除钢板表面污垢和锈斑，在钢板外露面上涂刷两遍铁红色酚酞防锈漆，再外涂两遍灰色面漆。

4)粘贴和固定U形钢板箍 在钢板的两端端头进行钻孔、清孔和注胶，再分别用胶粘剂粘贴U形钢板箍，并通过螺栓进行加强锚固。

5)预应力碳纤维板的张拉和锚固 按照设计尺寸要求裁剪预应力碳纤维板，并将裁剪好的预应力碳纤维板的两端分别置于锚固端波形齿板及张拉端波形齿板的底板与盖板之间，并使预应力碳纤维板纵向轴线通过波形齿板的中心线，将张拉端波形齿板上的螺杆穿过固定块上的通孔，在螺杆的伸出端依次套设固定螺母、反力块和反力螺母；然后用扳手对波形齿板的各个螺母施加相应的扭力，确保波形齿板对碳纤维板的有效锚固又不剪断碳丝；将千斤顶置于固定块和反力块之间，拧紧反力螺母后，逐级张拉千斤顶至张拉控制应力；最后，在预应力碳纤维板表面及波形齿板上粉饰水泥复合砂浆作为防护层，完成对混凝土梁的抗弯加固。

2 仿真分析

项目选用ABAQUS作为主要建模工具，ABAQUS对材料非线性模拟效果较好，也易于收敛。在ABAQUS中选用concrete damage plastic来模拟混凝土，通过建立二维或三维模型对试验梁进行模拟，在模拟试验梁的同时可以更改不同加固内容，修改和完善之前建立的模型。

有限元模型采用的材料及其特性如下：

2)钢筋：弹性模量为Ec=200 GPa，屈服强度fys=fyc=440 MPa，fyv=596 MPa

3)混凝土垫块：弹性模量为Ec=28 020 MPa，泊松比ν=0.2

4)碳纤维布Cfrp：理论厚度h=0.167 mm，抗拉强度ft=3 400 MPa，泊松比ν=0.2，弹性模量Ec=240 GPa；

加固方式为以下三种，采用ABAQUS建立有限元模型，加固方式如下描述，结果如图1～图3所示。

加固方式一：无碳纤维板，无钢板；加固方式二：无碳纤维板，钢板厚度为3.0 m； 加固方式三：碳纤维板厚度为0.167 mm，钢板厚度为3.0 m。

从图可以看出，相比于仅钢筋混凝土，无加固模型的模型最大等效应力仅为19.50 MPa，而采用钢板加固后，混凝土的最大等效应力提高到20.02 MPa，承载力有所提高，但不明显。而采用钢板和碳纤维板组合加固后，混凝土最大等效应力提高到31.55 MPa。相比于不加固，组合加固后最大等效应力提高了63.25%，相较于仅使用钢板加固，组合加固后最大等效应力提高了57.59%。并且，组合加固后结构的裂缝分布更加均匀，遍布于梁体的2/3，说明组合加固后混凝土受力更加均匀，且更具延性。

3 结 论

从组合结构的原理出发，对混凝土受弯构件进行加固，形成一项创新发展的加固技术，为同类型结构加固提供了一种新的思路。摒弃了之前采用的在钢板和混凝土梁之间填粘结剂加固的方式，避免了混凝土不能振捣密实，无法保证混凝土质量，新旧混凝土不能有效共同工作的问题。采用有限元模型验证了该研究提出的组合加固有效性。从结构中可以看出，组合加固后钢筋混凝土的最大等效应力提高了63.25%，并且加固后的钢筋混凝土延性有大幅度提高，受力更加合理，裂缝分布也更均匀。

[1] 翟爱良，刘春伟，王东海.预应力碳纤维布与钢板复合加固混凝土受弯构件[J].水利水运工程学报， 2009， 14(3)：14-20.

[2] 张建仁，唐 皇，彭建新,等.钢板加固锈蚀RC梁短期挠度计算方法和试验[J].中国公路学报， 2015， 28(10)：41-50.

[3] 尚守平，张宝静，吕新飞.预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁间接刚度试验[J].中国公路学报， 2016， 29(11)：74-81.

[4] 周爱军，黄承逵.CFRP布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力设计计算方法[J].公路交通科技， 2007， 24(8)：78-82.

[5] 李翔，顾祥林.碳纤维布加固低强度混凝土梁的抗弯承载力[J].土木工程学报， 2012， 45(1)：23-29.

[6] 高轩能，周期源，陈明华.粘钢加固RC梁承载性能的理论和试验研究[J].土木工程学报， 2006， 39(8)：38-44.