钢筋混凝土桥梁抗弯性能分析及阻裂方法研究

孙凯亮

（中建路桥集团科技发展有限公司，石家庄 050000）

1 钢筋混凝土桥梁抗弯性能分析

桥梁往往由于受外界环境的作用易老化、设计标准提高、交通事故造成开裂损伤等需进行加固[1]。对于钢筋混凝土桥梁抗弯性能分析，国内外多采用换算截面法、折减刚度法、有效刚度法等方法[2]。桥梁的内力分析主要以弹性分析法和塑性分析法为主，其核心是验算组合桥的截面应力、变形等指标，以确保结构的承载能力、刚度和稳定性。在这些计算理论中，换算截面法的缺陷是忽视了组合桥中混凝土板与钢梁截面上、下两种材料接触面间的滑移效应。而有效刚度法的应用实验结果较少，难以印证其计算的有效性和准确性。因此，本研究采用折减刚度法对桥梁的抗弯性能进行分析计算。

2 板材黏结加固技术原理

桥梁设计基础资料和施工建设方法不完善等常引发开裂、损伤等安全隐患问题，同时，桥梁在气候温度、自然灾害、酸碱环境等因素的影响下也容易发生变形开裂[3]。因此，为了满足现代社会对桥梁工程的应用要求，需对桥梁进行加固。在桥梁的梁底板粘贴板材进行加固可以提高梁的抗弯能力，如板梁桥或T 梁桥正截面承载力不足而出现梁底裂缝时，可在梁底粘贴板材； 在梁腹粘贴斜向板材可以使板材与混凝土共同受力，提高梁的整体刚度和抗剪强度；在牛腿处或主梁靠近支座处梁腹粘贴加固，可提高桥梁的整体刚度；当桥面底板破损时，可在底板部粘贴板材补强受拉部位，并与原面板形成整体，以对桥面板的钢筋不足予以补强，防止桥面板混凝土脱落；在拱桥拱肋、立柱、桥墩等受压部位粘贴板材可提高构件的强度。

3 板材黏结加固方法在钢筋混凝土桥梁阻裂加固中的应用

本研究采用ANSYS 软件进行桥梁数据仿真，并设计了10 根钢筋混凝土梁，对其中9 个加固样本和1 个未加固样本进行对照实验。钢筋混凝土梁的截面为矩形，长宽高分别为2 200 mm、120 mm、200 mm。同时混凝土的设计抗压强度为40 MPa。加固的板材尺寸为长1 800 mm、宽100 mm，加固方式为黏合底部加固。在研究中，实验对每组加固样本模拟了3种预载条件，分别是卸荷、持荷5 kN、持荷10 kN。在卸荷样本中，钢筋混凝土梁被翻转180°，并将加固板材黏结在梁顶部，以此模拟桥梁在预应力荷载等于梁体自重情况下产生的凸起。而两种持荷加固样本，则是用于模拟桥梁加固后产生的恒定荷载和非恒定荷载对桥梁的作用。实验中，不同加固样本的加固材料分别选择镀钢、镀碳纤维及CFRP 镀层。

桥梁混凝土材料的混合比例为： 胶凝材料436 kg/m3、水161 kg/m3、细集料723 kg/m3、粗集料1 130 kg/m3、水胶比为0.37。同时，混凝土的坍落度为81 mm，在尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 的立方体样本上进行了抗压强度测试，发现混凝土28 d抗压强度和弹性模量分别为41.2 MPa 和3.5×104MPa。

本次仿真试验的步骤如下：以负载控制的速度施加负载，其中在负载达到7.5 kN 之前，加载步长设为2.5 kN，在负载达到7.5 kN 之后将负载步长变为1 kN。在出现第一个裂纹后，施加负载步长变回2.5 kN，直到试验结束。每次载荷加载步骤在5 min 内完成，直到达到每个加载步骤的指定值。通过直线位移传感器测量两个支架、中跨以及距离中跨30 mm 处的挠度。

在试验过程中，收集并分析了所有试样的开裂荷载以及极限荷载的挠度。本次实验在ANSYS 软件中进行有限元分析，有限元模型的网格元素尺寸为25 mm，荷载由位移控制，采用力收敛准则，误差为5%。该梁共有7 040 个单元，包括772 个钢单元、225 个树脂单元和225 个板单元。在模拟中考虑了大变形的影响，并使用了牛顿-拉斐森（NR）方法进行分析。应注意的是，有几个样本在张力作用下破裂失败。失效样本通过最大拉应力理论和最终拉伸强度来判断。试验结果如图1 所示。

图1 不同材料下桥梁的残余挠度曲线

从图1a 中可以看出，在未加固情况下，钢筋混凝土样本出现了弯曲破坏，挠度约为23 mm。从图1b 中可以看出，与未加固样本相比，CFRP 材料加固样本在梁中心的挠度有所减小。同时，卸荷情况下桥梁的变形情况最小。其中心最大挠度为13 mm。从图1c 中可以看出，与未加固样本相比，碳纤维材料加固样本在对梁的修复效果较差，卸荷情况下桥梁的变形情况最小。其中心最大挠度为17 mm。从图1d 中可以看出，镀钢材料的板材样本加固情况最好，在卸荷情况下变形情况最小，其中心最大挠度为10 mm。

图中，A 表示未加固样本；B 表示CFRP 材料加固样本；C表示镀碳纤维加固样本；D 表示镀钢加固样本。1～3 分别表示卸荷、5 kN 持荷及10 kN 持荷情况。从图2 可以看出，镀钢加固样本的挠度更大，表明变形程度小，同时极限载荷比率高于其他样本。

图2 试验样本的载荷比例及中心挠度

表1 显示了试验值和有限元模型中的开裂载荷、 屈服载荷和极限载荷的数值分析结果的比较。需注意的是，对于CFRP 加固和镀钢加固样本中，试验在内部钢筋屈服之前就已经失效。从表中可以看出，镀钢加固下桥梁的开裂载荷于无负载时为17.2 kN，5 kN 持荷时载荷高达15.8 kN，高于其他材料加固下的载荷能力。同时镀钢加固下极限载荷最高为85.4 kN，高于镀碳纤维加固和CFRP 加固。

表1 不同材料加固及载荷情况下的挠度比较

从图3 中可以看出，本次研究采用的有限元分析模型得出的桥梁开裂载荷、极限载荷预测结果与实际的桥梁载荷结果差距较小。表明本次研究构建的桥梁有限元模型的预测性能准确，试验结果具备有效性。总的来说，除了镀钢加固样本的开裂荷载的情况外，试验结果和分析结果之间显示出良好的一致性。

图3 不同样本在有限元模拟和实际情况下的误差

4 结语

研究针对桥梁的开裂变形问题提出了优化的板材黏结加固技术，比较了CFRP 加固、镀碳纤维加固及镀钢加固的性能。研究从开裂载荷、屈服载荷和极限载荷以及开裂变形挠度等指标中验证了3 种材料的加固性能。在桥梁的抗裂性能和桥梁修复效果标胶中，镀钢加固的方法均优于其他加固材料。