簡支T梁加固后受力性能分析

文章以一座預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋?yàn)楸尘?，結(jié)合鋼板、UHPC各自的優(yōu)勢對該橋進(jìn)行了鋼板-UHPC加固設(shè)計(jì)，同時(shí)采用大型有限元建模軟件，對加固前后正常使用狀態(tài)下的撓度、混凝土應(yīng)力進(jìn)行了對比分析，對受壓鋼筋、受拉鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋、頂板受壓混凝土、梁底鋼板、梁底UHPC等加固材料的應(yīng)力進(jìn)行了對比，研究了加固后對橫向分布系數(shù)的影響。結(jié)果表明：加固后的梁橋在加載初期隨著加固結(jié)構(gòu)開始參與受力，剛度逐漸上升，混凝土開裂后剛度逐漸下降；通過計(jì)算橫隔板加固前后的荷載橫向分布系數(shù)，可以看出加固橫隔板提高T梁橫向聯(lián)系，可以使整體的橫向傳力更加均勻，提高結(jié)構(gòu)在彈塑性階段和塑性階段的整體性。

橋梁；T梁；加固；有限元

U441+.5A421465

作者簡介：

李" 彬（1992—），工程師，主要從事高速公路養(yǎng)護(hù)管理工作。

0" 引言

鋼筋混凝土簡支T梁橋由于施工方便、應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)成熟、工藝可靠等優(yōu)點(diǎn)，在公路橋梁建設(shè)中使用廣泛，成為我國現(xiàn)有橋梁中使用最廣泛的橋型。目前該橋型容易出現(xiàn)變形過大，裂縫較多等病害。對于預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋的典型加固項(xiàng)目有：四川省遂寧涪江大橋竣工于1966年，運(yùn)營二十年后該簡支梁橋出現(xiàn)了相當(dāng)嚴(yán)重的病害，1999年采用體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)對該橋的普通鋼筋混凝土T梁進(jìn)行了加固，加固后對該橋進(jìn)行了汽車荷載試驗(yàn)，荷載試驗(yàn)結(jié)果說明該橋加固效果良好［1］。黑龍江省的東興大橋建于1991年，由于哈同路擴(kuò)建，且該橋的主梁腹板裂縫較多，2003年對該普通混凝土簡支T梁橋進(jìn)行了碳纖維布加固，加固前后的靜載試驗(yàn)表明，采用碳纖維布加固梁肋后，T梁鋼筋和混凝土的應(yīng)力減少了近20%［2］。廣東省水門大橋在2003年由于該橋T梁裂縫較多，不滿足公路-Ⅰ級荷載需求，采用粘貼鋼板加固法對該橋進(jìn)行加固，該橋加固前后的承載能力進(jìn)行計(jì)算表明，加固后T梁截面承載能力滿足要求，結(jié)構(gòu)的耐久性也有所提高［3］。從這些梁的加固技術(shù)和加固效果評價(jià)可以看出，這些加固方法可以提高T梁橋的承載能力和耐久性，但提高程度較低，加固對象主要是對主梁腹板的加固，缺少對橋梁橫向聯(lián)系的提高，忽略了橋梁整體性的提高。加固后采用荷載試驗(yàn)對加固效果進(jìn)行檢測，對加固機(jī)理的研究和動力性能的研究較少，而且加固前后對橋梁受力全過程的深入研究不足。

超高性能混凝土（UHPC）是一種新型建筑材料，由水泥、鋼纖維等增材組成。UHPC不僅具有更高的抗拉、抗壓強(qiáng)度，而且細(xì)觀結(jié)構(gòu)非常致密，抗?jié)B透能力和抗凍融循環(huán)能力強(qiáng)，同時(shí)還擁有較好的耐水性和較好的水密性和愈合裂縫的能力。鋼板-混凝土組合加固技術(shù)中采用UHPC代替普通混凝土，能減小混凝土的厚度，減輕加固結(jié)構(gòu)的自重，且在受拉區(qū)使用UHPC可以較好地利用其抗拉強(qiáng)度［4-5］。2015年，Yu R等［6］對超高性能纖維混凝土中的粘接劑和鋼纖維類型進(jìn)行了研究，結(jié)果表明2%的纖維含量下超高性能纖維混凝土的流動性和機(jī)械性更好。2016年，陳寶春等［7］對我國第一座UHPC拱橋的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行介紹，顯示了超高性能混凝土在橋梁中應(yīng)用的潛力。鋼板-UHPC組合加固技術(shù)是對鋼板-混凝土組合加固技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。采用普通混凝土的加固技術(shù)，加固構(gòu)造所需要的混凝土層較厚，對結(jié)構(gòu)自重的影響較大，而采用UHPC這種新型材料后，鋼板與原梁之間澆筑的混凝土厚度可降低25%或50%，這大大減輕了加固結(jié)構(gòu)的恒重，同時(shí)降低了此加固方式對原梁下部結(jié)構(gòu)和地基的要求。

本文以一座預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋?yàn)楸尘?，結(jié)合鋼板、UHPC各自的優(yōu)勢對該橋進(jìn)行了鋼板-UHPC加固設(shè)計(jì)，并采用大型有限元建模軟件進(jìn)行了加固前后主梁的有限元分析，對加固前后正常使用狀態(tài)下的撓度、混凝土應(yīng)力進(jìn)行了對比分析，同時(shí)對受壓鋼筋、受拉鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋、頂板受壓混凝土、梁底鋼板、梁底UHPC等加固材料的應(yīng)力進(jìn)行了對比，研究了加固對橫向分布系數(shù)的影響，系統(tǒng)地分析了簡支T梁加固后的受力性能。

1" 全橋加固方案

1.1" 橋梁概述

該橋?yàn)?0 m跨簡支預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋，橫向采用了5片T形梁，具體截面尺寸如圖1所示。

經(jīng)過對該橋梁的病害監(jiān)測，目前存在以下五個(gè)問題：（1）主梁的腹板地面出現(xiàn)橫向開裂、縱向開裂，混凝土剝落；（2）腹板出現(xiàn)斜向開裂、豎向開裂、縱向開裂、混凝土破損；（3）腹板馬蹄斜面處出現(xiàn)混凝土斜向開裂、側(cè)面混凝土豎向裂縫；（4）中橫隔板混凝土開裂破損、中橫隔板與主梁連接處混凝土開裂；（5）主梁鋼筋在支點(diǎn)附近截面混凝土剝落、箍筋外露銹蝕。

1.2" 鋼板-UHPC加固方法及施工工序

該T梁橋已運(yùn)營31年，為確保橋梁的運(yùn)營安全，滿足公路-Ⅰ級設(shè)計(jì)荷載要求，延長橋梁使用壽命，通過方案比選，采用鋼板-UHPFRC組合加固技術(shù)對該橋進(jìn)行了加固。鋼板—超高性能混凝土（UHPC）加固方法如下：

（1）主梁腹板采用鋼板—UHPC加固，降低結(jié)構(gòu)活載應(yīng)力水平，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

（2）在跨中20 m范圍內(nèi)，采用6 cm厚UHPC外包6 mm厚Q345B鋼板對腹板進(jìn)行加固。腹板UHPC加固層內(nèi)布置直徑6 mm的構(gòu)造鋼筋網(wǎng)，并采用直徑12 mm的植筋和直徑10 mm的焊接栓釘增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)和加固鋼板的連接，組合加固高度為29 cm，提高主梁剛度與抗彎承載性能。同時(shí)為了研究方便，將T梁進(jìn)行了編號（如圖2所示）。

（3）將加固高度提高到150 cm，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度和抗剪承載力，抑制腹板混凝土斜向裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，在支點(diǎn)和第一橫隔板之間（如圖3所示）。

（4）拆除原橋面鋪裝，在頂板植筋并鋪設(shè)7 cm厚UHPC組合層，增大原梁頂板厚度，提高梁體承載力及剛度，防止橋面開裂，增強(qiáng)橋面防水、抗?jié)B性能，提升橋面耐久性。

（5）橫隔板加固也采用鋼板-UHPC加固，組合加固高度為31 cm，加固長度為150 cm，以加強(qiáng)橫向聯(lián)系，保證上部結(jié)構(gòu)受力的整體性。

鋼板-UHPC加固工序如下：

（1）封閉交通，拆除原橋面系。

（2）搭設(shè)施工平臺支架，同步頂升一跨主梁，更換支座，順次完成全橋支座更換。

（3）對主梁腹板進(jìn)行鋼板-UHPC加固。

（4）對橫隔板進(jìn)行鋼板-UHPC加固。

（5）頂板鋪設(shè)UHPC組合層。

（6）拆除施工平臺支架。

2" 建立有限元模型

30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋采用鋼板-UHPC加固前后的有限元模型如圖4所示。圖中顏色加深的是包括腹板加固、橫隔板加固在內(nèi)的加固部位。在有限元建模中，混凝土和UHPC都采用Solid65單元建模，鋼筋為Link8單元，鋼板采用Shell143單元模擬。在對預(yù)應(yīng)力混凝土T梁進(jìn)行有限元模擬時(shí)，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。而對箍筋的模擬，則采用彌散鋼筋模型，通過定義實(shí)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(gè)單元中。在梁端支撐位置處，對節(jié)點(diǎn)施加自由度約束，模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的簡支支撐狀態(tài)，同時(shí)增大支撐處的面積，防止發(fā)生應(yīng)力集中。本文模型預(yù)應(yīng)力筋采用初應(yīng)變法建模，考慮一定的預(yù)應(yīng)力損失。預(yù)應(yīng)力筋和混凝土之間的錨固可靠，假設(shè)這兩種材料之間不發(fā)生滑移，位移協(xié)調(diào)。

3" 加固前后正常使用狀態(tài)抗彎受力性能數(shù)值分析

本文中原橋的設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級、掛車-100。該T梁橋的加固目標(biāo)是滿足公路-Ⅰ級設(shè)計(jì)荷載要求，因此對加固前后正常使用狀態(tài)受彎性能進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，采用了公路-Ⅰ級荷載，以評價(jià)結(jié)構(gòu)加固后整體受力性能和各部分的受力情況。公路-Ⅰ級荷載參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［8］，荷載組合為：結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+人群荷載+公路-Ⅰ級荷載。有限元模型中采用兩個(gè)車道荷載加跨中集中力的方式模擬公路-Ⅰ級荷載，車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5 kN/m，集中荷載Pk取320 kN，改變模型中車道荷載的位置可以得到中載和偏載兩種受力情況下的有限元模擬結(jié)果。

對比跨中截面設(shè)計(jì)荷載下的數(shù)值模型所得到的有限元計(jì)算值與荷載試驗(yàn)的試驗(yàn)值，驗(yàn)證了有限元模型的有效性。公路-Ⅰ級荷載下，數(shù)值模型采取了與其相同的模型參數(shù)，僅改變了模型的荷載組合，故該數(shù)值模擬結(jié)果也是可靠的，具有參考性。

3.1" 加固前后撓度分析

公路-Ⅰ級荷載作用下，30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋加固后的撓度云圖見圖5。

圖6是公路-Ⅰ級荷載中載和偏載作用下，加固前后各片梁的撓度值變化曲線圖。主梁編號如圖2所示。從圖6可以看出，中載作用下，加固后各片梁撓度降低了30%左右。加固前由于車道荷載靠近2#和4#梁，故這兩片梁的撓度大于3#梁的撓度，加固后這三片梁的撓度幾乎相等。偏載作用下，加固效果更加明顯。未加固梁兩片邊梁撓度差值高達(dá)9 mm，而加固后兩片邊梁差值只有3.6 mm?？梢钥闯觯庸毯髥慰绾喼Я簶蛎科簱隙雀?，主梁剛度提高，結(jié)構(gòu)變形能力更好，且加固后整體受力更加均勻，橫向剛度提高。

3.2 "加固前后混凝土應(yīng)力結(jié)果分析

公路-Ⅰ級荷載作用下，30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋跨中截面加固后的應(yīng)變云圖如圖7所示。從圖7可以看出，在中載作用下跨中截面混凝土的應(yīng)力分布較為均勻，在偏載作用下該截面應(yīng)力出現(xiàn)了偏載側(cè)混凝土板的應(yīng)力相對中載工況下增大的現(xiàn)象，非偏載側(cè)相對中載工況下減小的現(xiàn)象。

圖8是加固前后每片T梁腹板底面中點(diǎn)、馬蹄上緣、梁肋和翼緣交界點(diǎn)的計(jì)算關(guān)注點(diǎn)應(yīng)變曲線圖。由圖8可以看出，中載和偏載作用下，加固后混凝土的拉應(yīng)力水平和壓應(yīng)力水平都有所降低，尤其腹板底面混凝土拉應(yīng)力降低明顯。中載作用下，加固后梁體腹板側(cè)面靠近頂板的位置處，混凝土應(yīng)變降低為原來的48%～51%，邊梁應(yīng)力降低的程度更大。偏載作用下，加固后梁的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變降低幅度為33%～58%。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后，各片梁的受力更加均勻，應(yīng)變水平更低，說明加固后結(jié)構(gòu)抵抗荷載的能力提高，剛度更大，加固結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)荷載。

3.3" 加固前后材料應(yīng)力對比

如表1所示為加固前后跨中截面各材料的應(yīng)力值。由表1可知，鋼板-UHPC加固后，原梁鋼筋和混凝土的應(yīng)力水平明顯降低，可以看出，加固后各構(gòu)件共同受力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度有了明顯提升。其中，加固后的拉壓鋼筋應(yīng)力降低至原橋的48%～52%，原梁混凝土的拉應(yīng)力不到原來的64%，梁底鋼板承受了較大的拉應(yīng)力，鋼板代替混凝土受力，同時(shí)腹板底面的UHPC能與鋼板共同受力，發(fā)揮其良好的抗拉能力。加固后的結(jié)構(gòu)能夠承受較大的荷載，有了較高的安全儲備，能夠滿足公路-Ⅰ級荷載的要求。

3.4" 橫向分布系數(shù)研究

荷載橫向分布系數(shù)是評價(jià)橋梁橫向傳力性能的主要依據(jù)。在實(shí)際橋梁的常規(guī)靜載試驗(yàn)中，國內(nèi)外已有多位學(xué)者研究過橫向分布系數(shù)，但實(shí)際橋梁的破壞性試驗(yàn)成本較高，并不是所有尺寸的T梁橋梁都有相應(yīng)的靜載試驗(yàn)結(jié)果，而實(shí)際橋梁加固后的破壞性試驗(yàn)又不能進(jìn)行。本文采用的是有限元的方法，主要是對橋梁的橫隔板加固前后的橫向分布系數(shù)進(jìn)行模擬，只加固橫隔板后的單跨簡支梁模型。

荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測與評定規(guī)程》［9］給出的簡式，采用實(shí)測撓度計(jì)算：

mi=fi∑ni=1fii（1）

式中：mi——試驗(yàn)荷載作用下，測量截面第i片主梁的荷載橫向分布系數(shù)；

fi——試驗(yàn)荷載作用下，測量截面第i片主梁的測點(diǎn)撓度；

n——主梁片數(shù)。

本文模型由5片T梁組成，編號為1#～5#，對有限元分析結(jié)果進(jìn)行處理的，得到組合加固前后各片梁的橫向分布系數(shù)值見表2～3。

由表2、表3可知，橫隔板加固前，原T梁荷載在4 000 kN以下時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，荷載橫向分布系數(shù)基本不變，橫向分布系數(shù)在4 000 kN以上時(shí)逐步變化。3#和4#梁的橫向分布系數(shù)在原梁進(jìn)入塑性階段時(shí)略有下降，1#和5#梁的橫向分布系數(shù)明顯下降，3#中梁的分布系數(shù)迅速增加，因?yàn)楹奢d-撓度曲線進(jìn)入非線性階段。邊梁橫向分布系數(shù)在原梁達(dá)到破壞荷載時(shí)只有0.164，下降了17%以上，中梁橫向分布系數(shù)也提高了17%。加固橫隔板后，結(jié)構(gòu)橫向分布系數(shù)下降非常緩慢，在達(dá)到極限荷載時(shí)只下降了0.008，中梁橫向分布系數(shù)為未加固梁的89%，3#梁與1#梁橫向分布系數(shù)差距不大，表明即使在梁體進(jìn)入塑性階段，梁體仍保持了良好的整體性能，加固橫隔板使結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系明顯提高。

在有限元模擬加載過程中，梁體不存在裂縫等初始損傷，結(jié)構(gòu)處于彈性階段時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度不變?；炷灵_裂后荷載繼續(xù)增加，梁體剛度下降，橫向聯(lián)系降低，最中間的梁體所受荷載逐漸增加。特別是原梁在服役期間，橫隔板很難避免損傷，嚴(yán)重時(shí)單板受力的情況下，梁體受力的大小會發(fā)生變化。在混凝土開裂后，橫隔板的剛度一定要注意，橫向連接必須要加強(qiáng)，整體梁體一定要提高。

4" 結(jié)語

本文采用有限元通用軟件對鋼板-UHPC加固前后的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過對有限元靜力結(jié)果進(jìn)行深入分析，得到以下結(jié)論：對該橋進(jìn)行加固后，在公路-Ⅰ級荷載下，各片梁的撓度和應(yīng)力水平都有下降，滿足對橋梁加固的要求。未加固T梁模型在混凝土開裂之前，隨梁體變形增大，剛度下降較小，混凝土開裂后剛度開始急速下降；加固后的梁橋在加載初期隨著加固結(jié)構(gòu)開始參與受力，剛度逐漸上升，混凝土開裂后剛度逐漸下降。通過計(jì)算橫隔板加固前后的荷載橫向分布系數(shù)，可以看出加固橫隔板提高T梁橫向聯(lián)系，使整體的橫向傳力更加均勻，提高結(jié)構(gòu)在彈塑性階段和塑性階段的整體性。

［1］李明才，李周堂.遂寧涪江大橋病害情況及加固方案［J］.西南公路，1994（2）：9-15.

［2］王大慶，李" 敏.碳纖維布在同三公路東興橋T梁加固中的應(yīng)用［J］.黑龍江交通科技，2006，29（12）：21-21.

［3］賀" 彪.粘鋼加固技術(shù)在T梁加固中的應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2006，33（8）：97-99.

［4］閻培渝.超高性能混凝土（UHPC）的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］.混凝土世界，2010（9）：36-41.

［5］馮乃謙.高性能混凝土與超高性能混凝土的發(fā)展和應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，2009，38（4）：1-6.

［6］Yu R，Spiesz P，Brouwers H J H.Development of Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete（UHPFRC）：Towards an Efficient Utilization of Binders and Fibers［J］.Construction amp; Building Materials，2015（79）：273-282.

［7］陳寶春，黃卿維，王遠(yuǎn)洋，等.中國第一座超高性能混凝土（UHPC）拱橋的設(shè)計(jì)與施工［J］.中外公路，2016（1）：67-71.

［8］JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［9］JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.

20240320