基于MIDAS的橋梁加固效果分析

周明朗

（南寧高速公路運營有限公司，廣西 南寧 530100）

0 引言

我國現(xiàn)代橋梁建設發(fā)展很早，早期建設橋梁工程中，由于當時經(jīng)濟發(fā)展和社會需求的限制，很多橋梁工程無法擺脫所處時代的局限性。21世紀以來，隨著我國公路和鐵路交通網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，以及科技進步和人們生活質(zhì)量的提高，人們對于出行提出了更高的要求，導致很多現(xiàn)有橋梁無法滿足目前的剛度和塑性變形能力要求。目前很多城市存在公路橋梁加固、改擴建和返修新建等現(xiàn)象，然而由于橋梁工程建設成本較高、工期較長，盲目的進行重建只能適得其反。正因如此，橋梁加固迫在眉睫，這也要求工程建設者和相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對橋梁加固問題進行更加全面的研究。

近年來，有關(guān)學者對橋梁加固進行了相關(guān)研究，取得了一定的成果。例如：胡帥軍等人為了分析引橋T梁施工過程中墩側(cè)支架受力情況，按照極端偏載工況、邊跨支架拆除后等工況進行分析，并根據(jù)主梁的驗算結(jié)果對橋墩和支座進行驗算；劉博以某三跨連續(xù)梁橋為例，利用MIDAS／Civil對纖維混凝土梁橋的短期下?lián)线M行仿真分析，通過對主梁不同部位使用纖維混凝土對橋梁下?lián)嫌绊懙膶Ρ确治觯玫搅司C合考慮使用性能和經(jīng)濟因素的最佳局部纖維混凝土梁橋方案；李寧以某特大型梁橋為實例，運用MIDAS／Civil有限元分析，分析計算了混凝土收縮徐變效應對大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的影響作用。

本文主要以某橋梁加固工程為例，利用有限元軟件對增大截面加固法和粘貼鋼板加固法這兩種方法的加固效果進行分析，以期為實際工程提供參考。

1 橋梁加固方法

橋梁加固方法有很多，且不同種類橋梁對加固方法具有相應的適用性，本文僅對常用的增大梁截面加固法和粘貼鋼板加固法這兩種加固方法進行分析介紹。

1．1 增大梁截面加固法

增大梁截面加固法，也叫作增大截面與配筋加固法，該種橋梁加固方法主要是采用增大橋梁構(gòu)件的橫截面積以及增大相應構(gòu)件的配筋率來實現(xiàn)。通過增大橋梁構(gòu)件的橫截面積和增大相應構(gòu)件的配筋率可以有效提高橋梁的剛度、強度和穩(wěn)定性。該方法在具體施作過程中，一般是在橋梁主梁的側(cè)面和底面增大主配筋量和增大鋼筋的尺寸以此提高橋梁界面的有效高度，最終增大橋梁的承載能力。在保證施工質(zhì)量的前提下，該方法較為有效，具體加固方法為：

（1）增大截面

所謂增大截面就是增大混凝土截面的橫截面積，需要注意的是應采用相同的材料。運用該種方法通?？梢蕴岣邩蛄旱某休d能力以及提高橋梁截面的截面剛度。該種加固方法具有很多優(yōu)點：施工較為簡單，適用性強，在很多構(gòu)件中均可以采用。同時，該種方法也存在一些不足，主要表現(xiàn)在加固后需要長時間的養(yǎng)護，工作量相對較大，增大了結(jié)構(gòu)本身自重等，并且對周圍既有建筑和人們生產(chǎn)生活造成很大程度的影響。此外，該種方法在具體操作中質(zhì)量難以保證。

（2）增大配筋

增大配筋最重要的目的就是增大結(jié)構(gòu)的抗彎能力。這一般是在鋼筋抗彎能力不足而混凝土應力滿足要求時采用。具體操作時，可以通過在現(xiàn)有鋼筋上進行加筋焊接，以此增大構(gòu)件的抗彎能力。

1．2 粘貼鋼板加固法

所謂粘貼鋼板加固法，一般是指將一定厚度的鋼板利用膠粘貼在混凝土構(gòu)件外部，以此來提高構(gòu)件的承載力，達到加固的目的。采用該種加固手段可以有效提高構(gòu)件的抗彎和抗剪能力，并且在一定程度上減小裂縫的繼續(xù)擴展。該加固方法具有很多優(yōu)點，例如，可以有效地減少材料的使用，縮短施工工期，并基本不改變原有的構(gòu)件形狀和外觀，對周圍既有建筑和人們生產(chǎn)生活影響程度較低。然而，該種方法對施工的精度要求很高，只有保證施工工藝滿足要求才能實現(xiàn)其加固的目的。

2 工程概況

本文以某公路混凝土T型橋梁為研究對象，該工程預應力混凝土的截面為T形截面，文中采用增大截面加固法和粘貼鋼板加固法兩種加固方法進行建模驗算，混凝土標號為C40。如圖1所示，為T型梁橋的縱向圖。

圖1 T型梁橋縱向示意圖（cm）

3 模型建立

本文主要采用MIDAS軟件建模進行計算，有限元網(wǎng)格的疏密對于模型運算速度非常重要，因此，在考慮不影響模型計算精度的基礎上，盡可能地減小網(wǎng)格的密度，增大運行速度。如圖2所示為T梁的整體模型圖，其中黃色網(wǎng)格為加固層，該計算模型網(wǎng)格大小在150～250mm范圍內(nèi)，在加固以前模型單元共計5 600個混凝土單元和27 000個鋼筋單元，加固以后的混凝土單元數(shù)目為6 750個，并增添了150個鋼板（即碳纖維）單元。

圖2 T型梁建模網(wǎng)格劃分示意圖

本文中主要采用增大截面加固法和粘貼鋼板加固法兩種加固方法，每種加固方法對應的荷載步設置如表1和表2所示。

表2 采用粘貼鋼板加固法時荷載步流程表

4 數(shù)值模擬分析

4．1 增大截面加固法

如圖3所示，為利用增大截面加固法在荷載作用下加固前后的撓度與彎矩關(guān)系曲線。由圖3可知，加固后的曲線整體處于加固前的曲線之上，在撓度相同時，經(jīng)加固后的截面的彎矩要明顯大于加固前。在撓度為20mm、40mm、60mm、80mm和100mm時，對應的加固后彎矩比加固前彎矩分別增大10．2%、12．5%、14．6%、18．0%和21．4%，即經(jīng)加固后的截面承載能力提高基本處在10%～20%范圍內(nèi)。

3 荷載作用下加固前后撓度與彎矩關(guān)系曲線圖

為了分析經(jīng)增大截面加固法加固后的構(gòu)件抵抗塑性變形的能力，如圖4所示，提取加固前和加固后T型梁截面跨中的撓度值，分為相同彎矩下T型梁縱向撓度對比和極限彎矩下跨中撓度對比兩種情況。由圖4可知，對于相同彎矩下的T型梁縱向撓度，在加固前為52．5mm，在加固后為44．6mm，加固后比加固前值減小15．0%，說明經(jīng)增大截面加固法加固后的構(gòu)件的剛度性能大大提升。對于極限彎矩下跨中撓度，在加固前為110．4mm，在加固后為121．3mm，加固后比加固前增大9．9%，從加固后極限彎矩狀態(tài)下的撓度增大可知，經(jīng)增大截面加固法加固后的構(gòu)件的塑性變形能力也得到一定程度的提升。

圖4 加固前后兩種狀態(tài)下?lián)隙葘Ρ戎螆D

4．2 粘貼鋼板加固法

下頁圖5為利用粘貼鋼板加固法時在荷載作用下采用不同加固鋼板厚度的加固前后撓度與彎矩關(guān)系曲線。由圖5可知，加固后的曲線整體處于加固前的曲線之上。撓度相同時，經(jīng)加固的截面的彎矩要明顯大于加固前，但隨著加固鋼板厚度的增加，加固產(chǎn)生的積極效果略減小。在撓度為20mm、40mm、60mm、80mm和100mm時，對應的采用4mm鋼板加固后彎矩比加固前彎矩分別增大15．1%、17．1%、16．6%、20．3%和24．4%，經(jīng)加固后的截面承載能力提高基本處在15%～25%范圍內(nèi)；而采用8mm鋼板加固后彎矩比加固前彎矩分別增大16．5%、20．7%、24．6%、27．8%和28．4%，此時經(jīng)加固后的截面承載能力提高基本處在20%～30%范圍內(nèi)。綜上可知，粘結(jié)加固法能有效提高構(gòu)件剛度，但加固鋼板最優(yōu)厚度值有待進一步討論。

5 荷載作用下加固前后撓度與彎矩關(guān)系曲線圖

為了分析利用粘貼鋼板加固法加固后的構(gòu)件抵抗塑性變形的能力，如圖6所示，提取加固前和加固后T型梁截面跨中的撓度值。由圖6可知，與上節(jié)相同，也分為相同彎矩下T型梁縱向撓度對比和極限彎矩下跨中撓度對比兩種情況。對于前者，在加固前為53．0mm，在利用4mm鋼板加固后為45．2mm，在利用8mm鋼板加固后為38．5mm，兩種加固厚度在加固后比加固前分別減小14．7%和27．4%，這說明經(jīng)增大截面加固法加固后的構(gòu)件的剛度性能大大提升，且隨著加固鋼板厚度的增加，加固效果越好。對于極限彎矩下跨中撓度，在加固前為109．4mm，在利用4mm鋼板加固后為113．2mm，在利用8mm鋼板加固后為119．5mm，兩種加固厚度在加固后比加固前分別增大3．4%和9．2%。由此可知，經(jīng)粘貼鋼板加固法加固后的構(gòu)件的抗塑性變形能力也得到一定程度的提升，且隨著加固鋼板厚度的增加，提升程度越大。

6 加固前后兩種狀態(tài)下?lián)隙葘Ρ戎螆D

5 結(jié)語

本文主要以某橋梁加固工程為例，利用有限元軟件對增大截面加固法和粘貼鋼板加固法這兩種加固方法的加固效果進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）增大截面加固法能有效加固橋梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)加固后的T型截面承載能力提高約在10%～20%范圍內(nèi)；加固后構(gòu)件的抗塑性變形能力也得到一定程度的提升，在10%左右。

（2）粘貼鋼板加固法能有效提高構(gòu)件剛度，采用4mm鋼板和8mm鋼板加固后的截面承載能力提高分別處在15%～25%和20%～30%范圍內(nèi)，加固后的構(gòu)件的抗塑性變形能力得到提升，且隨著加固鋼板厚度的增加，提升程度越大。