梁桥碳纤维板与增大截面联合加固不同顺序加固效果研究

石皓帆　王江豪　刘子利　刘鹏程

摘 要：本文以貴州某桥为研究背景，采用有限元分析软件MIDAS/FEA针对现有的加固方法：增大截面、普通碳纤维板与预应力碳纤维板等，建立了不同加固顺序的梁桥模型。通过对比分析梁桥在不同加固顺序下模型的受力变形和裂缝的扩展情况。结果表明：先碳纤维板后增大截面加固的顺序与先增大截面后碳纤维板加固和同时增大截面及碳纤维板加固相比，加固效果较优。在实际工程中，当两种加固方法的加固作业面不冲突时，可以不考虑加固方法的先后顺序而采用两种加固方法同时施工的加固方法，在几乎不影响加固效果的同时，可以节省施工作业时间。

关键词：公路桥梁;联合加固;施工顺序;增大截面;碳纤维板

中图分类号：U445            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）05-0115-03

1工程背景

本文以贵州省某预应力混凝土简支箱梁桥为背景，全桥长35m，计算跨径为34m，设计荷载为公路Ⅱ级，具体尺寸如图1所示。为提高桥梁承载能力，拟采用梁底面粘贴2mm碳纤维板、桥面原11.5cm二期铺装凿除替换的联合加固方法，对简支梁加固。通过对桥梁联合加固过程中，碳纤维板及叠合层替换加固顺序的不同，建立有限元计算模型，对加固效果进行分析。

2模型建立

本文以简支梁桥为研究对象，假定其截面平均应变基本符合平截面假定，且各种材料结合良好不发生粘结或分层剥离破坏以及不考虑梁桥的剪切破坏。在MIDAS/FEA中主梁混凝土采用6面体实体，钢筋单元统一取植入式杆式钢筋，采用四节点四边形平面应力单元来模拟碳纤维板单元，增大截面叠合层采用四节点四边形板单元模拟保证在施工过程中的增大截面叠合层和主梁混凝土单元变形协调，采用八节点实体单元模拟梁桥的支座。通过单元的激活钝化功能完成对加固过程的模拟，为减少计算时间，建模时只建立某一榀小箱梁进行计算。该简支梁桥设计采用的主要混凝土、钢绞线及加固材料特性见表1，有限元模型如图2所示。

本文模拟了从成桥、二期、预加车道荷载、车道荷载及二期卸载、加固、车道荷载二次加载等过程，其中二期荷载包括原桥铺装荷载和人行道、栏杆等;车道荷载分为集中荷载和均布荷载;碳纤维的预应力通过升温降温的方法施加。MIDAS/ FEA通过荷载子步完成加固施工阶段模拟，各加固方案荷载步的设置情况：对于梁3-1～6前四荷载步为自重加预应力、二期加车道、卸载车道荷载、卸载二期;梁3-1第五～七荷载步分别为激活叠合层、激活碳纤维板、荷载因子乘以车道荷载;梁3-2第五～七荷载步分别为激活碳纤维板、激活叠合层、荷载因子乘以车道荷载;梁3-3第五、六荷载步分别为同时激活叠合层和碳纤维板、荷载因子乘以车道荷载;梁3-4在梁3-1荷载步的基础上增加激活碳纤维预应力荷载步;梁3-5同梁3-4荷载步数相同，但是先激活碳纤维板及其预应力，后激活叠合层;梁3-6第五荷载步同时激活叠合层、碳纤维板单元并施加碳纤维板预应力;由车道荷载因子的变化来确定加固后简支梁和连续梁加固跨的开裂荷载、钢筋屈服荷载及极限荷载。

3计算结果及分析

3.1简支梁桥受力性能对比分析

由图3可得，梁3-5和梁3-6开裂弯矩相同，梁3-2与梁3-1、梁3-3比较，开裂弯矩分别提高0.1%、0.05%;梁3-5、梁3-6与梁3-4比较，开裂弯矩分别提高0.09%、0.09%。梁3-2和梁3-3钢筋屈服弯矩相同，梁3-4和梁3-6钢筋屈服弯矩相同，梁3-2、梁3-3与梁3-1比较，钢筋屈服弯矩分别提高0.03%、0.03%;梁3-5与梁3-4、梁3-6比较，钢筋屈服弯矩分别提高0.03%、0.03%。同时可看出六片简支梁极限弯矩均相同，六片连续梁加固跨极限弯矩均相同。

3.2简支梁桥变形性能对比分析

由图4可得，不同加固顺序简支梁的荷载因子-挠度曲线，梁3-1，梁3-2，梁3-3基本一致;梁3-4，梁3-5，梁3-6基本一致。如图5所示，在跨中弯矩为7270kN·m时，各简支梁桥跨中挠度，梁3-2与梁3-1、梁3-3比较，分别降低了0.19mm、0.14mm，降低幅度分别为0.55%、0.41%;梁3-5与梁3-4、梁3-6比较，分别降低了0.13mm、0.09mm，降低幅度分别为0.47%、0.33%。由图6可得，简支梁的位移延性系数，梁3-1与梁3-2、梁3-3比较，分别提高了0.004、0.001，提高幅度分别为0.22%、0.05%;梁3-4与梁3-5、梁3-6比较，分别提高了0.004、0.003，提高幅度分别为0.26%、0.19%。

3.3简支梁桥裂缝扩展对比分析

3.3.1梁桥裂缝沿梁纵向及梁高方向扩展对比分析

在跨中弯矩为9524kN·m时，各简支梁桥裂缝扩展如图7（a～f）所示。

从图7（a～f）可得，梁3-1、梁3-2、梁3-3比较，梁3-4、梁3-4、梁3-6比较，裂缝扩展均无明显差异，且裂缝沿梁纵向及梁高方向扩展几乎无影响。

3.3.2梁桥裂缝最大宽度对比分析

在跨中弯矩为9524kN·m时，各简支梁桥裂缝最大宽度如表2所示。

由表2可得，简支梁的裂缝最大宽度，梁3-2与梁3-1、梁3-3比较，分别降低了0.003mm、0.002mm，降低幅度分别为0.42%、0.28%;梁3-5与梁3-4、梁3-6比较，分别降低了0.003mm、0.002mm，降低幅度分别为0.54%、0.36%。同时加固顺序的不同对梁桥裂缝最大宽度会产生影响，其中先碳纤维板后增大截面的加固顺序效果最好，但影响不大。

4结论

梁桥在联合加固中采用不同的加固顺序，对梁桥开裂弯矩、钢筋屈服弯矩、结构刚度等有略微提高，而对梁桥延性、裂缝最大宽度等略微降低，对梁桥裂缝沿梁纵向及梁高方向扩展几乎无影响，对梁桥极限弯矩没有影响。

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