钢板-混凝土组合加固箱梁桥合理参数研究

作者简介：

唐礼荣（1990—），工程师，主要从事公路工程建设管理工作。

摘要：文章采用钢板-混凝土组合加固方法，对混凝土箱梁加固材料所使用的钢板和混凝土进行了试验研究，得到对应的强度和性能特征，同时对加固后的混凝土箱梁进行了有限元变参分析，得到混凝土箱梁加固后承载力与加固参数之间的关系。

关键词：桥梁工程;混凝土箱梁;钢板-混凝土组合加固;材性试验

中国分类号：U445.7+2A311153

0 引言

钢板-混凝土组合加固是通过在钢板上焊接栓钉、在原混凝土表面植筋、在原结构及加固钢板间浇注混凝土等措施，使加固部分与原混凝土结构形成整体共同工作[1-3]。组合加固的理念源于钢-混组合梁结构，在材料方面，其充分运用钢板和混凝土各自的优点，使其同时具备增大截面加固法和锚粘钢板法的优点，并有效避免二者固有的缺点，从而在提高承载能力方面具备其他加固方法难以比拟的优势。

国外目前尚未有关于钢板-混凝土组合加固技术的研究与应用文献。在我国，聂建国等[4]受到钢-混组合结构的启发，于2006年首次提出了钢板-混凝土组合加固的思想，这种加固方式充分运用了钢板和混凝土两种材料各自的优点，为桥梁结构加固体系提供了一种新思路。之后聂建国等[5]通过试验研究了采用钢板-混凝土组合加固混凝土矩形梁的抗弯性能，论证了钢板-混凝土组合加固技术的优越性，结果表明，钢板-混凝土组合加固技术可以大幅度提高结构承载力及刚度，并改善结构延性，而且钢板-混凝土组合加固后的混凝土梁截面仍然符合平截面假定。袁卓亚等[6]先后对钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土矩形梁、T形梁等进行了抗弯、抗剪试验研究，证明了钢板-混凝土组合加固技术的有效性及其提高结构承载力和刚度的优越性，并结合理论公式计算及数值模拟分析，对钢板-混凝土组合加固的设计和施工提出了指导性建议。

我国在钢板-混凝土组合加固方面虽然取得了很多研究成果，但是依然存在一些问题，因此研究钢板-混凝土组合加固的合理材料性能参数迫在眉睫。本文对钢板-混凝土组合加固箱梁的合理参数进行了有限元分析。

1 组合加固材料参数研究

为了对加固前后的箱梁进行有限元分析，本文对加固材料进行了材料性能试验。

根据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法与标准》（GB/T50081-2016）[7]进行混凝土材料性能试验及结果处理。

1.1 加固混凝土

本文设计了三个加固混凝土试件，试件规格为150 mm×150 mm×300 mm。补强层混凝土弹性模量试验结果如表1所示。取抗压强度值和轴心抗压强度值算术平均值作为补强层混凝土弹性模量值，即1.76×104 MPa。组合加固混凝土弹性模量计算结果如表2所示。

试验中所有试件的轴心抗压强度值与用以确定检验控制荷载的轴心抗压强度值相差均未超过后者的20%，故取三个试件测试值的算术平均值作为补强层混凝土弹性模量值，即2.58×104 MPa。

1.2 加固钢板

加固钢板为Q235钢，厚6 mm，参照国家标准《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T228.1-2010），设计出试件尺寸，如图1所示。

2 钢板-混凝土组合加固模型的建立

在对预应力混凝土箱梁进行有限元模拟时，考虑到建模目的和精度要求，钢筋和钢绞线采用分离式模型的建模方法，即分别建立钢筋、钢绞线与混凝土实体的几何模型，在钢筋、钢绞线单元节点与混凝土单元节点之间建立约束方程，忽略钢筋与混凝土的粘结滑移。而对箍筋的模拟则采用弥散钢筋模型，通过定义实常数设置不同方向的配筋率，假设箍筋均匀连续地分布于整个单元中。

在新旧加固材料的结合方面，考虑到加固结构与原箱梁之间有良好的连接，故在加固后结构建模中不考虑新老混凝土、加固钢板与加固混凝土之间的粘结滑移，采用共节点的方法将它们连接成整体来共同工作。建模时不考虑预应力束和普通钢筋与混凝土之间的粘结滑移，加载点以均布荷载模拟加载垫石的作用，在梁端部支点位置同时施加线约束和点约束，实现对简支约束的模拟。

混凝土材料的本构模型采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）规定的公式。普通钢筋与钢板的本构关系均采用双线性等向强化模型。预应力钢绞线采用线性本构关系。

采用有限元软件对某混凝土箱梁桥进行加固计算。加固混凝土和钢板在距离支点300 mm范围内加固高度较高，在跨中7 334 mm范围内加固高度低，这样既考虑了箱梁的受力性能要求，又兼顾了加固的经济性。加固混凝土厚8 cm，采用C40自密实混凝土;加固钢板厚6 mm，采用235B钢。顶板加固层采用C40混凝土，厚8 cm，内置一层钢筋网。有限元模型如图2所示。加固钢板和原梁钢筋应力云图如图3～4所示。

3 有限元参数分析

为了得到合理的加固构造尺寸，本文对补强加固层厚度和鋼板厚度进行了变参分析。

考虑不同补强层加固厚度及不同的钢板厚度，可以得到箱梁抗弯承载力提高程度的变化规律（如图5所示）。从图5可以看出，在一定加固范围内，承载力提高程度与补强层厚度及钢板厚度近似呈线性增长关系;但是当接近临界加固厚度时，承载能力提高程度增长速度变慢，与钢板厚度不再是线性关系。

若只考虑不同的钢板厚度，则可以得到不同补强层厚度加固后箱梁的承载力提高程度与钢板厚度的关系曲线（如后页图6所示）。图6中三条曲线基本重合，由此可见，钢板厚度<7 mm时，同一厚度的钢板加固本文所述类型的箱梁，其承载力提高程度与箱梁截面高度（补强层加固本质上是提高了梁截面高度，增大了截面面积）无关。在其他参数不变的情况下，随着钢板厚度的增加，其对箱梁抗弯承载力的提高速率逐渐降低，尤其是当钢板厚度接近临界加固厚度时，钢板厚度的增加对承载力的影响明显减小，而过厚的钢板却又增大了结构自重，对结构不利。另外，过小的钢板厚度，如0～3 mm时，不仅对箱梁抗弯承载力的提高有限（大约为0～30%），同时也增加了施工的难度。因此，在实桥加固应用中，若无补强层加固，则建议采用4～8 mm厚度的钢板，其对箱梁的抗弯极限承载力提高程度能达到40%～80%;若结合补强层加固，则钢板厚度可放宽至3～10 mm。

后页图7为加固前后箱梁的荷载-挠度曲线，反映了结构各个材料之间的协同受力状况。由荷载-位移曲线的变化趋势可以看出，随着荷载等级的增加，位移不断增大，进而导致梁体继续开裂，梁体刚度逐渐减小，位移增长速率逐渐增大。加固梁在弹性阶段挠度增加较慢，挠度<11.2 mm，荷载-挠度曲线斜率较大，加固梁刚度远远大于未加固梁。

4 结语

本文对钢板-混凝土组合加固混凝土箱梁进行了加固混凝土和钢材的材料性能试验，得到混凝土和钢材的弹性模量、泊松比等材料性能参数，同时进行了有限元变参分析，得到混凝土补强层和钢板厚度对承载能力提高的影响。在实桥加固应用中，若无补强层加固，建议采用4～8 mm厚度的钢板;若结合补强层加固，则钢板厚度可放宽至3～10 mm。

参考文献：

[1]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.

[2]林于东，宗周红，陈宏磊.粘钢加固混凝土梁受剪性能试验研究[J].建筑结构学报，2011，32（8）：90-98.

[3]曹双寅，孙永新，夏存卫.粘钢加固钢筋混凝土梁斜截面承载能力的试验研究[J].建筑结构，2000（8）：45-48.

[4]聂建国，樊健生.广义组合结构及其发展展望[J].建筑结构学报，2006，27（6）：1-8.

[5]聂建国，赵 洁.钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土简支梁试验研究[J].建筑结构学报，2008（5）：50-56.

[6]袁卓亚，冯 威，王志强，等.钢板-混凝土组合加固技术在桥梁加固中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2011（6）：31-35.

[7]GB/T50081-2016，普通混凝土力学性能试验方法与标准[S].

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