謝棟明，吳清

（福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州 350000）

0 引言

近年來(lái)，很多地方的舊橋出現(xiàn)了破損的情況，有些橋梁的受力鋼筋甚至已經(jīng)裸露在外表，這不僅影響了橋梁本身的美觀，而且橋梁的承載能力也會(huì)下降，橋梁的整體可塑性被破壞，嚴(yán)重的可能還會(huì)危及到人們的生命。我們必須對(duì)此引起重視，解決這個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。如果將這些橋梁推倒重建，在耗費(fèi)大量物資以及較長(zhǎng)工期的同時(shí)也會(huì)影響橋梁的正常使用。反之，把橋梁建設(shè)重心放在橋梁的改造加固上，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有橋梁承載力的研究，有計(jì)劃的將現(xiàn)有橋梁進(jìn)行改造加固，既能延長(zhǎng)橋梁使用壽命，及時(shí)有效地為現(xiàn)代道路交通提供服務(wù)，又能以少量的資金改善交通情況，并給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 Midas 的有關(guān)介紹

1.1 Midas 分類

Midas 一共可以分為MIDAS/Gen. MIDAS/Civil. Midas/FEA.Midas/SDS. Midas/FX5 個(gè)模塊，本文用到的Midas-civil 是專門用來(lái)針對(duì)土木結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)研究的軟件。它不僅可以做材料非線性分析，靜態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，力學(xué)特性分析，而且能夠快速分析，標(biāo)準(zhǔn)分析和完整分析。

1.2 Midas-Civil 軟件

MIDAS-Civil 軟件是MIDAS 系列軟件中的一種，它不僅滿足工程師的需要，而且功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)單易學(xué)。它是由國(guó)內(nèi)外專家經(jīng)過(guò)共同不懈的努力，并用C++在windows 環(huán)境下開(kāi)發(fā)的。Midas-civi 的開(kāi)發(fā)給我們帶來(lái)了很多的便利，它可以更為直觀的而且從不同的角度給我們展示結(jié)構(gòu)模型的驗(yàn)證與分析，大大提高了工程的準(zhǔn)確性和高效性。

2 有關(guān)橋梁的病害和常用加固方法

2.1 預(yù)應(yīng)力橋梁的病害

2.1.1 混凝土病害

（1）混凝土結(jié)構(gòu)表層病害

混凝土結(jié)構(gòu)表層病害，就像名字所說(shuō)的那樣，是指出現(xiàn)在表面上的病害。常見(jiàn)的有孔洞、剝蝕、麻面、蜂窩、露筋、磨損等等現(xiàn)象如下圖。一般來(lái)說(shuō)出現(xiàn)這種病害很正常，因?yàn)樗⒉粫?huì)破壞到結(jié)構(gòu)的整體性和可塑性，但是也不能對(duì)它掉以輕心還是要及時(shí)的去進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，對(duì)癥下藥去修補(bǔ)。一般修補(bǔ)方法有壓漿法、直接澆注和噴漿法。

（2）裂縫

第一類：結(jié)構(gòu)性裂縫，一般是由于應(yīng)力達(dá)到了結(jié)構(gòu)極限承載力的最大值，然后使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，要引起注意的是，這往往是結(jié)構(gòu)破壞的征兆，是很危險(xiǎn)的，必須及時(shí)采取措施，防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大?？煞譃榇嘈云茐暮退苄纹茐膬煞N。

第二類：非結(jié)構(gòu)性裂縫，一般是由自身應(yīng)力形成或者在施工過(guò)程中施工方法不當(dāng)所引起的裂縫。

2.1.2 鋼筋病害的影響

鋼筋病害可分為電化腐蝕，漏電流腐蝕，應(yīng)力腐蝕和氫脆腐蝕，其中電化腐蝕是最重要的，它對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響絲毫不能忽視。鋼筋的損害對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響主要的表現(xiàn)為： 第一，鋼筋的腐蝕會(huì)使鋼筋截面變小，這反過(guò)來(lái)會(huì)降低鋼筋的極限承載能力。第二，鋼筋的腐蝕會(huì)讓鋼筋體積膨脹，在膨脹的同時(shí)會(huì)慢慢誘使鋼筋附近的混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的耐久性也會(huì)因此遭到嚴(yán)重的破壞。第三，鋼筋的銹蝕不僅會(huì)給我們帶來(lái)高昂的維護(hù)修理費(fèi)，鋼筋的腐蝕也會(huì)使鋼筋與混凝土之間分離，使粘結(jié)力下降，并且還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體延性和可塑性造成影響。

2.1.3 橋梁結(jié)構(gòu)體系病害的原因

橋梁結(jié)構(gòu)體系病害產(chǎn)生的原因可以分為上部和下部，對(duì)于上部，主要的是主梁混凝土的應(yīng)力變化而使鋼筋的剛度也發(fā)生變動(dòng)所引起的結(jié)構(gòu)變形。而對(duì)于下部結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)一般是在設(shè)計(jì)施工中出現(xiàn)不合格的操作導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜；或者是對(duì)所設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)并未進(jìn)行計(jì)算檢驗(yàn)。

2.1.4 附屬設(shè)施病害

產(chǎn)生附屬設(shè)施病害的原因主要是由于制作附屬設(shè)施所需的材料、設(shè)計(jì)施工質(zhì)量和使用條件以及養(yǎng)護(hù)維修造成的。想要讓這種病害不發(fā)生，首先，就要合理的設(shè)計(jì)附屬設(shè)施的材料并且保證施工過(guò)程中的質(zhì)量；其次對(duì)它進(jìn)行良好的維護(hù)，保證能正常的使用。

3 工程概況和設(shè)計(jì)

該板橋基本情況為：跨徑6 m，橋長(zhǎng)8 m，高1 m。上部結(jié)構(gòu)為C50 混凝土矩形板，設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級(jí)，掛車-100。

4 加固效應(yīng)分析

4.1 使用Midas 建立有限元模型

該板橋采用有限元計(jì)算軟件Midas-civil，并用梁格法建模。共計(jì)56 個(gè)節(jié)點(diǎn)，62 個(gè)梁?jiǎn)卧?，在橋整體和中部點(diǎn)分別設(shè)置DZ，RZ 和DY 方向的約束。

圖1 有限元模型 Fig. 1 Finite element mode l

4.2 加固效應(yīng)有限元分析

4.2.1 外部粘鋼加固法

為了模擬粘貼不同厚度的鋼板對(duì)未加固板橋的影響，擬采用橋梁計(jì)算軟件Midas 分別建立3 組加固模型。通過(guò)在加固后橋梁的鋼筋混凝土上增加同4 mm，6 mm，8 mm 厚度鋼板等量的預(yù)應(yīng)力的方法，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行分析。

通過(guò)模擬在粘貼不同厚度鋼板加固后的橋梁上施加等量的預(yù)應(yīng)力的等效替代方法來(lái)分析橋梁的受力情況。粘貼4 mm 鋼板后的橋梁在施加預(yù)應(yīng)力之后，運(yùn)行分析，得到了橋梁大致有了10 mm 的撓度變化。依次運(yùn)行分析粘貼6 mm 和8 mm 鋼板之后的橋梁，我們大致可以得出，在施加等量的預(yù)應(yīng)力在不同厚度的鋼板上，橋梁的撓度變化不同，所承受的彎矩變化也不同，在相同撓度時(shí)，粘貼鋼板后的橋梁比原來(lái)的橋梁所受的彎矩要大的多，而且，鋼板厚度越大，所能承受的彎矩也越大，反過(guò)來(lái)說(shuō)，橋梁承受的彎矩大小，與粘貼的鋼板厚度有關(guān)，所以，我們可以得出，粘貼鋼板加固法可以橋梁的抗彎承載能力。

為了準(zhǔn)確的對(duì)比分析粘貼不同厚度鋼板對(duì)橋梁可塑性變形能力的影響，我們分別讀取了Midas- civil 有限元軟件的分析結(jié)果，讀取極限狀態(tài)下粘貼不同厚度鋼板的橋梁跨中截面的撓度值后得出：粘貼鋼板可以改善橋梁的塑形變形能力，提高橋梁的承載能力，另外，從節(jié)約的角度上看，粘貼6 mm鋼板的效果無(wú)疑是最好的。

4.2.2 增大截面加固法

為了模擬橋面板出現(xiàn)承載力不足或鉸接梁不能有效傳力，通過(guò)Midas 截面功能，增面尺寸來(lái)模擬在橋面板加鋪一層鋼筋混凝土的情況，使之與原結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，從而達(dá)到增大橋面板，增加橋面整體剛度，提高橋梁承載能力的效果。通過(guò)模擬分析得出相同撓度下加固后未構(gòu)件所承受的彎矩小于構(gòu)件：承受相同彎矩時(shí)未加固構(gòu)件的撓度大于加固構(gòu)件；可得出結(jié)論：受壓區(qū)增大截面法對(duì)T 梁的極限承載力和剛度有顯著提高,所以以增大正截面抗彎承載力而言，增大截面法加固效果還是較為理想的。

撓度對(duì)比。同時(shí)，為了對(duì)比分析該加固措施對(duì)構(gòu)件塑性變形能力的影響，分別讀取限元分析結(jié)果中加固前后構(gòu)件跨中截面（梁底正中節(jié)點(diǎn)）的撓度值，如圖3、圖4 所示。

圖2 增大截面后的模型 Fig. 2 Model with increased cross section

圖3 相同彎矩下，沿梁縱向撓度對(duì)比 Fig. 3 Comparison of longitudinal deflection along beams under the same bending moment

圖4 極限彎矩下，跨中撓度對(duì)比 Fig. 4 The contrast of the mid-span deflection under the extreme bending moment

由圖3 可知，加固前后構(gòu)件承受相同彎矩時(shí)，加固T 梁的撓度明顯小于原構(gòu)件，跨中撓度減小約 16.16%，即該加固法對(duì) T 梁的剛度有明顯的改善；由圖4 可知，極限狀態(tài)時(shí)，未加固T 梁跨中最大撓度為104.3 mm（跨度的1/190）；采取受壓區(qū)增大截面法加固后，跨中最大撓度值為113.0 mm（跨度的1/178），增大了大約6.4%。單從最大撓度值來(lái)看，受壓區(qū)增大截面法在提高構(gòu)件承載力的同時(shí)，也能起到改善梁塑性變形能力的作用，但效果不甚明顯。

4.2.3 粘貼碳纖維加固法

用平面應(yīng)力單元來(lái)模擬T 梁粘貼的碳纖維布，通過(guò)自定義材料及截面功能輸入加固設(shè)計(jì)所采用的碳纖維布的材料性能參數(shù)。

通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)間的邊界條件來(lái)模擬碳纖維布與主梁鋼筋混凝土的粘接。選用彈性連接選項(xiàng)中的剛性連接方式，將相應(yīng)位置的碳纖維布單元節(jié)點(diǎn)與T 梁節(jié)點(diǎn)相連接，來(lái)達(dá)到協(xié)調(diào)變形與位移，防止粘接失效與滑移破壞。加固措施編號(hào)見(jiàn)表1。

表1 加固措施 Table 1 Reinforcement measures

通過(guò)原構(gòu)件及混合加固構(gòu)件的有限元分析結(jié)果，在對(duì)其進(jìn)行處理，加固措施1、2、3 的荷載-位移曲線非常接近，幾乎重合，與增大截面加固曲線同樣較為接近，故可以說(shuō)，與增大截面法相比，混合加固T 梁的承載力和剛度提高幅度不大，但若同未加固T 梁相比，則有明顯的提高。

圖6 為未加固及混合加固T 梁的極限彎矩對(duì)比,可以很明顯的得知，與未加固T 梁相比，加固措施1、2、3 的極限抗彎承載力分別提高約16.96%、17.64%、18.70%。相同跨中撓度下T 梁所受彎矩的比較，可以看出，相同撓度情況下，與未加固構(gòu)件相比，采用加固措施1、2、3 的T 梁所受彎矩分別提高約4.57%、6.02%、7.19%。不僅如此，增大截面法單獨(dú)加固效應(yīng)占的比重很大，比未加固時(shí)構(gòu)件 的極限承載力提高了大約3.80%，所以碳纖維的效用沒(méi)有明顯體現(xiàn)。

圖6 極限彎矩對(duì)比 Fig. 6 Extreme bending moment contrast

撓度對(duì)比。在極限狀態(tài)時(shí)，采用措施1 進(jìn)行加固時(shí)，構(gòu)件跨中最大撓度值113.1 mm。（跨度的1/177），采用措施2 時(shí)，構(gòu)件最大撓度值為113.6 mm（跨度的1/176），采用措施3 時(shí)，構(gòu)件最大撓度值為114.6 mm（跨度的1/175），未加固時(shí)最大撓度值為105.247 mm（跨度的1/190）；與未加固構(gòu)件相比，加固措施 1 增大了 7.46%，加固措施 2 增大了l7.94%，加固措施3 增大了8.89%；所以如果只是從最大撓度值方面來(lái)看，碳纖維加固措施不僅可以增加梁承載能力，也可以改善T 梁的塑形變形能力。

4.3 加固效應(yīng)綜合對(duì)比

經(jīng)過(guò)大量計(jì)算和分析，可以得出以下幾方面的結(jié)論：

（l）為了極限彎矩承載能力更加方便對(duì)比分析，故對(duì)加固措施進(jìn)行編號(hào)。三種加固措施對(duì)于提高抗彎承載能力的效果，增大截面并粘貼8 mm 鋼板的混合加固法對(duì)于提高梁極限承載能力效果最為顯著，相比未加固時(shí)提高了大約21.05%，而采用增大截面法并粘貼三層碳纖維的混合加固法時(shí)，承載能力提高了大約 18.7%，值得注意的是僅粘貼8 mm 鋼板承載能力提高了大約為13.77%，沒(méi)有增大截面并粘貼三層碳纖維的混合加固法（18.7%）效果顯著，而僅采用上表面增大截面法加固后承載力提高了13.06%，僅粘貼三層碳纖維承載能力提高了大約7.84%。

（2）剛度和塑性變形能力本文通過(guò)構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)之前相同彎矩下的撓度值來(lái)研究各種加固措施對(duì)構(gòu)件的剛度影響，以下是相同彎矩時(shí)（3085k N·m）各加固構(gòu)件的撓度對(duì)比：增大截面并粘貼鋼板的混合加固法在改善構(gòu)件剛度方面效果最為顯著，增大截面并粘貼碳纖維的混合加固法效果次之，單一材料加固時(shí)，粘貼8 mm 鋼板加固法增大構(gòu)件剛度成效最大，增大截面法次之，再次是粘貼碳纖維加固法。

5 結(jié)論

橋梁加固不但是一項(xiàng)操作性強(qiáng)的工程，而且理論計(jì)算也必須同實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。規(guī)范的編制過(guò)程中，不僅吸收了大量的工程經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)例的歸納，而且規(guī)范本身就是高度實(shí)踐性的總結(jié)，所以，在使用軟件建模設(shè)計(jì)時(shí)，一定要注意規(guī)范規(guī)定的計(jì)算要點(diǎn)，并且必須符合規(guī)范提出的構(gòu)造要求和構(gòu)造措施。