钢板-混凝土组合加固T形梁桥受力分析

逄鹏程，赵天野，李　洋

钢板-混凝土组合加固T形梁桥受力分析

逄鹏程，赵天野，李洋

（长安大学 公路学院，陕西西安 710064）

文章采用有限元软件Midas对某T形梁桥钢板-混凝土组合加固前后的应变、挠度的变化进行了分析，同时采用Ansys软件计算出加固前后的极限抗弯承载能力，结果表明：钢板-混凝土组合加固可以有效提高T形梁桥截面的抗弯承载能力。

T形梁桥；钢板-混凝土组合加固；极限抗弯承载能力

1　概述

随着桥梁使用时间、交通流量的增长，国内外很多桥梁的结构性能已经不能满足当前的功能要求，为使其重新恢复使用功能需进行加固。

近年来，国内外研究人员在桥梁结构的加固和补强方面做了大量的实践和研究工作。Fragiacomo M等对钢-混凝土组合梁在正常使用极限状态下的长期受力和破坏过程进行了分析研究，并通过相关试验进行验证［2］。Jeong Y J等通过理论分析和试验研究，探讨了由螺栓、纵肋、波纹钢板以及混凝土构成的钢-混凝土组合桥面板的局部相互作用特性。K.Baskar等采用有限元软件对钢-混组合结构在剪力和负弯矩作用下进行了非线性分析研究，并将理论结果与试验结果进行了比较，提出了比较准确的预测钢-混凝土组合板梁的极限荷载特性的非线性有限元模型。在国内，清华大学聂建国教授首先提出了钢板-混凝土组合加固的思想，从而进一步提出了广义组合结构的概念。李砚波等将钢-混凝土组合加固使用在了房屋改造加固工程中，同样取得了良好的效果。其中承载力的提高效果、施工工艺的简便性、结构加固后的受力性能是研究的热点问题。

钢板-混凝土组合加固技术即在原结构表面植筋、加固钢板上焊接栓钉、在加固钢板和原结构间浇注混凝土使得新老结构形成整体共同受力的一种加固方法。组合加固方法可充分利用新、旧材料的性能，具有承载力高、抗震性能强、自重增加小、施工快速方便的优点，用于T形梁时，不会增加梁高，可以降低桥下净高，在很多方面能够解决传统加固方法的固有缺点。使用该方法可显著地提高桥梁的刚度和承载能力，因此具有广阔的应用前景。

2　有限元模型建立

某钢筋混凝土简支T形梁桥，已经安全运营30多年，通过桥梁检测发现T梁梁体出现多条竖向与斜向裂缝，铰缝均有渗水等病害，为了保证该桥能够安全、正常的运营，决定对此桥进行钢板-混凝土组合加固。该梁桥由9片T形单梁组成，单梁加固前后的截面具体尺寸如图1、图2所示。

图1　加固前T梁（单位：cm）

采用桥梁专用程序Midas建立加固前、后的模型，全桥共划分为231个节点，548个单元，如图3所示。为保证试验加载的有效性和合理性，应使桥跨结构在最不利的荷载情况下加载检测。根据计算，在全桥模型中加载3辆重车，重车的前轴、中轴、后轴的轴重分别为39.9 kN、56.4 kN、44.6 kN（该轴重为桥梁荷载试验时试验加载车辆的实际轴重）。加载分为中载和偏载，中载时的加载效率为0.98，偏载时的加载效率为1.01，2种加载方式均满足规范中的加载效率（0.95～1.05）。中载时，车轮距防护栏4.15 m，两车间距为1.3 m，此时的加载工况称为工况1；偏载时，车轮距防护栏0.5 m，两车间距1.3 m，此时的加载工况称为工况2。

图3　T形梁桥加全桥模型

3　加载模拟分析

3.1测点设置及应变、挠度的计算

采用Midas软件进行全桥建模，分析在工况1、工况2作用下，T形梁桥梗腋、腹板、梁底的应变及梁底挠度，测点布置如图4、图5所示。

图4　应变测点位置

图5　挠度测点位置

结构应变的计算公式如下：

式中：M为截面弯矩；y为形心到中性轴的距离；E为弹性模量；I为截面惯性矩。

梁底挠度值为T形梁桥测点位置竖向位移，其数值可以从Midas中读取。

3.2数据分析

工况1、工况2作用下，T形梁桥组合加固前后挠度的变化如图6所示。

图6　挠度值对比

从图6中可以看出，（1）工况1作用下，跨中位置第5片梁的挠度最大，加固前挠度最大值为8.72 mm，加固后挠度最大值为4.32 mm，挠度曲线呈对称的抛物线状；工况2作用下，跨中位置第9片梁的挠度最大，加固前挠度最大值为11.05 mm，加固后挠度最大值为7.20 mm，挠度曲线呈上升的折线状。（2）加固后的挠度值与加固前的挠度值相比明显变小，工况1作用下，加固后挠度值比加固前挠度值减小了48.4%～52.7%，工况2作用下，加固后挠度值比加固前挠度值减小了27.8%～53.0%。

工况1、工况2作用下，T形梁桥组合加固前后应变的变化规律如图7所示。从图7中可以看出，荷载作用下，加固后的应变值与加固前的应变值相比变小，减小的范围为7.5%～85.7%。

图7　应变值对比

4　Ansys数值模拟分析

采用三维实体单元Solid65对加固前、后的混凝土进行模拟，该单元为8节点6面体实体单元。钢筋采用2节点单元LINK8来模拟，该单元为三维杆单元，有2个节点，每一个节点有3个方向的自由度（x、y和z方向的位移）。

混凝土是一种由水泥、水、粗细骨料组成的混合材料，其本构关系很复杂。在荷载作用下，混凝土材料的力学性能呈现出明显的各项异性和非线性。对于混凝土单调加载情况下单向受压的本构关系，国内外学者进行了大量的试验、研究，提出了各种的表达式。本文的Ansys分析采用我国《混凝土结构设计规范》 （GB50010—2002）中所采用的应力应变关系，具体表达式如下：

模型的加载方式为在混凝土翼缘上施加节点力，通过对梁端部施加位移约束来实现对梁简支约束的模拟。由于计算分析的规模不大，为了能够控制结点和单元的编号以便使得节点和测点编号有对应关系，采用直接生成法来建立节点模型，通过空间坐标来指定每一个节点的位置，进而通过节点生成单元。加固前后T形截面梁试验梁模型示意图如图8所示。

采用Ansys对加固前后的桥梁跨中截面抗弯承载能力进行分析对比，结果见表1。由表1可知：加固后跨中截面的抗弯承载能力比加固前提高了28.4%，说明钢板-混凝土组合加固可以有效地提高截面的抗弯承载能力。

图8　T梁模型

表1　跨中截面抗弯承载能力计算结果

5　结论

（1） 组合加固后，T形梁桥的挠度、应变均比加固前减小，结构强度、刚度等指标得到明显提高，结构安全储备得到提高；

（2） 运用钢板-混凝土组合加固能够显著提高原梁的抗弯极限承载能力。由于加固混凝土增大了试验梁截面，并且钢板的存在抑制了混凝土裂缝的出现和发展，从而明显地提高了T梁的抗弯刚度；同时钢板-混凝土组合加固能够提高原梁的抗剪能力，钢板与原梁紧密联系在一起，在抗剪方面钢板可以承担一部分剪力。

（3） 结构全截面采用钢板-混凝土组合加固，则能够提高结构横向刚度，使得结构受力更加均匀。

［1］王春生，袁卓娅，任腾先，等.钢板-混凝土组合加固混凝土T梁的抗弯性能试验［J］.交通运输工程学报，2010，10 （6）：32-40.

［2］Fragiacomo M，Amadio C，ASCE M，et al. Finite-Element Model for Collapse and Long-Term Analysis of Steel-Concrete Composite Beams［J］. Journal of Structural Engineering，ASCE.

［3］聂建国，朱林森，陈林，等.北京某地下人行通道的加固处理［J］.建筑结构，2001，31（9）：56-57.

［4］任伟.钢筋混凝土T梁桥的片材加固机理设计方法及其应用［D］.西安：长安大学，2006.

［5］王新敏. ANSYS工程结构数值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［6］高珊. 钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土 T 梁抗弯性能实验研［D］.西安：长安大学，2009.

［7］石雄伟.钢板-混凝土组合加固方法试验研究及实桥应用［D］. 西安：长安大学，2012.

Stress Analysis of T Beam Bridge Reinforced with Steel Plate and Concrete

Pang Pengcheng， Zhao Tianye， Li Yang
（School of Highway， Chang' an University， Xi' an 710064， China）

In this paper， the strain and displacement changes of T beam bridge before and after reinforced with steel plate and concrete are analyzed using finite element software Midas， meanwhile， the ultimate flexural bearing capacity is calculated before and after reinforcement using Ansys. Results show that reinforcement combining steel plate with concrete can effectively improve flexural bearing capacity of T beam bridge.

T beam bridge； steel plate and concrete composite strengthening； ultimate flexural bearing capacity

U445.72

A

1672-9889（2015）01-0019-03

逄鹏程（1990-），男，山东青岛人，硕士研究生，研究方向桥梁抗风抗震及加固维修。

（2014-05-02）