鋼板-混凝土組合加固箱梁橋合理參數(shù)研究

作者簡介：

唐禮榮（1990—），工程師，主要從事公路工程建設(shè)管理工作。

摘要：文章采用鋼板-混凝土組合加固方法，對混凝土箱梁加固材料所使用的鋼板和混凝土進(jìn)行了試驗研究，得到對應(yīng)的強(qiáng)度和性能特征，同時對加固后的混凝土箱梁進(jìn)行了有限元變參分析，得到混凝土箱梁加固后承載力與加固參數(shù)之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;混凝土箱梁;鋼板-混凝土組合加固;材性試驗

中國分類號：U445.7+2A311153

0 引言

鋼板-混凝土組合加固是通過在鋼板上焊接栓釘、在原混凝土表面植筋、在原結(jié)構(gòu)及加固鋼板間澆注混凝土等措施，使加固部分與原混凝土結(jié)構(gòu)形成整體共同工作[1-3]。組合加固的理念源于鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)，在材料方面，其充分運(yùn)用鋼板和混凝土各自的優(yōu)點(diǎn)，使其同時具備增大截面加固法和錨粘鋼板法的優(yōu)點(diǎn)，并有效避免二者固有的缺點(diǎn)，從而在提高承載能力方面具備其他加固方法難以比擬的優(yōu)勢。

國外目前尚未有關(guān)于鋼板-混凝土組合加固技術(shù)的研究與應(yīng)用文獻(xiàn)。在我國，聶建國等[4]受到鋼-混組合結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，于2006年首次提出了鋼板-混凝土組合加固的思想，這種加固方式充分運(yùn)用了鋼板和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)，為橋梁結(jié)構(gòu)加固體系提供了一種新思路。之后聶建國等[5]通過試驗研究了采用鋼板-混凝土組合加固混凝土矩形梁的抗彎性能，論證了鋼板-混凝土組合加固技術(shù)的優(yōu)越性，結(jié)果表明，鋼板-混凝土組合加固技術(shù)可以大幅度提高結(jié)構(gòu)承載力及剛度，并改善結(jié)構(gòu)延性，而且鋼板-混凝土組合加固后的混凝土梁截面仍然符合平截面假定。袁卓亞等[6]先后對鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土矩形梁、T形梁等進(jìn)行了抗彎、抗剪試驗研究，證明了鋼板-混凝土組合加固技術(shù)的有效性及其提高結(jié)構(gòu)承載力和剛度的優(yōu)越性，并結(jié)合理論公式計算及數(shù)值模擬分析，對鋼板-混凝土組合加固的設(shè)計和施工提出了指導(dǎo)性建議。

我國在鋼板-混凝土組合加固方面雖然取得了很多研究成果，但是依然存在一些問題，因此研究鋼板-混凝土組合加固的合理材料性能參數(shù)迫在眉睫。本文對鋼板-混凝土組合加固箱梁的合理參數(shù)進(jìn)行了有限元分析。

1 組合加固材料參數(shù)研究

為了對加固前后的箱梁進(jìn)行有限元分析，本文對加固材料進(jìn)行了材料性能試驗。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法與標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2016）[7]進(jìn)行混凝土材料性能試驗及結(jié)果處理。

1.1 加固混凝土

本文設(shè)計了三個加固混凝土試件，試件規(guī)格為150 mm×150 mm×300 mm。補(bǔ)強(qiáng)層混凝土彈性模量試驗結(jié)果如表1所示。取抗壓強(qiáng)度值和軸心抗壓強(qiáng)度值算術(shù)平均值作為補(bǔ)強(qiáng)層混凝土彈性模量值，即1.76×104 MPa。組合加固混凝土彈性模量計算結(jié)果如表2所示。

試驗中所有試件的軸心抗壓強(qiáng)度值與用以確定檢驗控制荷載的軸心抗壓強(qiáng)度值相差均未超過后者的20%，故取三個試件測試值的算術(shù)平均值作為補(bǔ)強(qiáng)層混凝土彈性模量值，即2.58×104 MPa。

1.2 加固鋼板

加固鋼板為Q235鋼，厚6 mm，參照國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T228.1-2010），設(shè)計出試件尺寸，如圖1所示。

2 鋼板-混凝土組合加固模型的建立

在對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁進(jìn)行有限元模擬時，考慮到建模目的和精度要求，鋼筋和鋼絞線采用分離式模型的建模方法，即分別建立鋼筋、鋼絞線與混凝土實體的幾何模型，在鋼筋、鋼絞線單元節(jié)點(diǎn)與混凝土單元節(jié)點(diǎn)之間建立約束方程，忽略鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移。而對箍筋的模擬則采用彌散鋼筋模型，通過定義實常數(shù)設(shè)置不同方向的配筋率，假設(shè)箍筋均勻連續(xù)地分布于整個單元中。

在新舊加固材料的結(jié)合方面，考慮到加固結(jié)構(gòu)與原箱梁之間有良好的連接，故在加固后結(jié)構(gòu)建模中不考慮新老混凝土、加固鋼板與加固混凝土之間的粘結(jié)滑移，采用共節(jié)點(diǎn)的方法將它們連接成整體來共同工作。建模時不考慮預(yù)應(yīng)力束和普通鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移，加載點(diǎn)以均布荷載模擬加載墊石的作用，在梁端部支點(diǎn)位置同時施加線約束和點(diǎn)約束，實現(xiàn)對簡支約束的模擬。

混凝土材料的本構(gòu)模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）規(guī)定的公式。普通鋼筋與鋼板的本構(gòu)關(guān)系均采用雙線性等向強(qiáng)化模型。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用線性本構(gòu)關(guān)系。

采用有限元軟件對某混凝土箱梁橋進(jìn)行加固計算。加固混凝土和鋼板在距離支點(diǎn)300 mm范圍內(nèi)加固高度較高，在跨中7 334 mm范圍內(nèi)加固高度低，這樣既考慮了箱梁的受力性能要求，又兼顧了加固的經(jīng)濟(jì)性。加固混凝土厚8 cm，采用C40自密實混凝土;加固鋼板厚6 mm，采用235B鋼。頂板加固層采用C40混凝土，厚8 cm，內(nèi)置一層鋼筋網(wǎng)。有限元模型如圖2所示。加固鋼板和原梁鋼筋應(yīng)力云圖如圖3～4所示。

3 有限元參數(shù)分析

為了得到合理的加固構(gòu)造尺寸，本文對補(bǔ)強(qiáng)加固層厚度和鋼板厚度進(jìn)行了變參分析。

考慮不同補(bǔ)強(qiáng)層加固厚度及不同的鋼板厚度，可以得到箱梁抗彎承載力提高程度的變化規(guī)律（如圖5所示）。從圖5可以看出，在一定加固范圍內(nèi)，承載力提高程度與補(bǔ)強(qiáng)層厚度及鋼板厚度近似呈線性增長關(guān)系;但是當(dāng)接近臨界加固厚度時，承載能力提高程度增長速度變慢，與鋼板厚度不再是線性關(guān)系。

若只考慮不同的鋼板厚度，則可以得到不同補(bǔ)強(qiáng)層厚度加固后箱梁的承載力提高程度與鋼板厚度的關(guān)系曲線（如后頁圖6所示）。圖6中三條曲線基本重合，由此可見，鋼板厚度<7 mm時，同一厚度的鋼板加固本文所述類型的箱梁，其承載力提高程度與箱梁截面高度（補(bǔ)強(qiáng)層加固本質(zhì)上是提高了梁截面高度，增大了截面面積）無關(guān)。在其他參數(shù)不變的情況下，隨著鋼板厚度的增加，其對箱梁抗彎承載力的提高速率逐漸降低，尤其是當(dāng)鋼板厚度接近臨界加固厚度時，鋼板厚度的增加對承載力的影響明顯減小，而過厚的鋼板卻又增大了結(jié)構(gòu)自重，對結(jié)構(gòu)不利。另外，過小的鋼板厚度，如0～3 mm時，不僅對箱梁抗彎承載力的提高有限（大約為0～30%），同時也增加了施工的難度。因此，在實橋加固應(yīng)用中，若無補(bǔ)強(qiáng)層加固，則建議采用4～8 mm厚度的鋼板，其對箱梁的抗彎極限承載力提高程度能達(dá)到40%～80%;若結(jié)合補(bǔ)強(qiáng)層加固，則鋼板厚度可放寬至3～10 mm。

后頁圖7為加固前后箱梁的荷載-撓度曲線，反映了結(jié)構(gòu)各個材料之間的協(xié)同受力狀況。由荷載-位移曲線的變化趨勢可以看出，隨著荷載等級的增加，位移不斷增大，進(jìn)而導(dǎo)致梁體繼續(xù)開裂，梁體剛度逐漸減小，位移增長速率逐漸增大。加固梁在彈性階段撓度增加較慢，撓度<11.2 mm，荷載-撓度曲線斜率較大，加固梁剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未加固梁。

4 結(jié)語

本文對鋼板-混凝土組合加固混凝土箱梁進(jìn)行了加固混凝土和鋼材的材料性能試驗，得到混凝土和鋼材的彈性模量、泊松比等材料性能參數(shù)，同時進(jìn)行了有限元變參分析，得到混凝土補(bǔ)強(qiáng)層和鋼板厚度對承載能力提高的影響。在實橋加固應(yīng)用中，若無補(bǔ)強(qiáng)層加固，建議采用4～8 mm厚度的鋼板;若結(jié)合補(bǔ)強(qiáng)層加固，則鋼板厚度可放寬至3～10 mm。

參考文獻(xiàn)：

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[6]袁卓亞，馮 威，王志強(qiáng)，等.鋼板-混凝土組合加固技術(shù)在橋梁加固中的應(yīng)用[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2011（6）：31-35.

[7]GB/T50081-2016，普通混凝土力學(xué)性能試驗方法與標(biāo)準(zhǔn)[S].

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