基于Midas 的预应力桥梁加固模拟分析

2018-04-24谢栋明吴清

新型工业化 2018年12期

谢栋明，吴清

（福建农林大学金山学院，福建福州 350000）

0 引言

近年来，很多地方的旧桥出现了破损的情况，有些桥梁的受力钢筋甚至已经裸露在外表，这不仅影响了桥梁本身的美观，而且桥梁的承载能力也会下降，桥梁的整体可塑性被破坏，严重的可能还会危及到人们的生命。我们必须对此引起重视，解决这个迫在眉睫的问题。如果将这些桥梁推倒重建，在耗费大量物资以及较长工期的同时也会影响桥梁的正常使用。反之，把桥梁建设重心放在桥梁的改造加固上，加强对现有桥梁承载力的研究，有计划的将现有桥梁进行改造加固，既能延长桥梁使用寿命，及时有效地为现代道路交通提供服务，又能以少量的资金改善交通情况，并给社会带来巨大的经济效益。

1 Midas 的有关介绍

1.1 Midas 分类

Midas 一共可以分为MIDAS/Gen. MIDAS/Civil. Midas/FEA.Midas/SDS. Midas/FX5 个模块，本文用到的Midas-civil 是专门用来针对土木结构所设计研究的软件。它不仅可以做材料非线性分析，静态动力学分析，力学特性分析，而且能够快速分析，标准分析和完整分析。

1.2 Midas-Civil 软件

MIDAS-Civil 软件是MIDAS 系列软件中的一种，它不仅满足工程师的需要，而且功能强大，简单易学。它是由国内外专家经过共同不懈的努力，并用C++在windows 环境下开发的。Midas-civi 的开发给我们带来了很多的便利，它可以更为直观的而且从不同的角度给我们展示结构模型的验证与分析，大大提高了工程的准确性和高效性。

2 有关桥梁的病害和常用加固方法

2.1 预应力桥梁的病害

2.1.1 混凝土病害

（1）混凝土结构表层病害

混凝土结构表层病害，就像名字所说的那样，是指出现在表面上的病害。常见的有孔洞、剥蚀、麻面、蜂窝、露筋、磨损等等现象如下图。一般来说出现这种病害很正常，因为它并不会破坏到结构的整体性和可塑性，但是也不能对它掉以轻心还是要及时的去进行养护，对症下药去修补。一般修补方法有压浆法、直接浇注和喷浆法。

（2）裂缝

第一类：结构性裂缝，一般是由于应力达到了结构极限承载力的最大值，然后使结构产生裂缝，要引起注意的是，这往往是结构破坏的征兆，是很危险的，必须及时采取措施，防止裂缝进一步扩大。可分为脆性破坏和塑形破坏两种。

第二类：非结构性裂缝，一般是由自身应力形成或者在施工过程中施工方法不当所引起的裂缝。

2.1.2 钢筋病害的影响

钢筋病害可分为电化腐蚀，漏电流腐蚀，应力腐蚀和氢脆腐蚀，其中电化腐蚀是最重要的，它对结构性能的影响丝毫不能忽视。钢筋的损害对钢筋混凝土结构性能的影响主要的表现为：第一，钢筋的腐蚀会使钢筋截面变小，这反过来会降低钢筋的极限承载能力。第二，钢筋的腐蚀会让钢筋体积膨胀，在膨胀的同时会慢慢诱使钢筋附近的混凝土产生拉应力，从而发生开裂现象，结构的耐久性也会因此遭到严重的破坏。第三，钢筋的锈蚀不仅会给我们带来高昂的维护修理费，钢筋的腐蚀也会使钢筋与混凝土之间分离，使粘结力下降，并且还会对结构的整体延性和可塑性造成影响。

2.1.3 桥梁结构体系病害的原因

桥梁结构体系病害产生的原因可以分为上部和下部，对于上部，主要的是主梁混凝土的应力变化而使钢筋的刚度也发生变动所引起的结构变形。而对于下部结构来说一般是在设计施工中出现不合格的操作导致结构发生倾斜；或者是对所设计的基础并未进行计算检验。

2.1.4 附属设施病害

产生附属设施病害的原因主要是由于制作附属设施所需的材料、设计施工质量和使用条件以及养护维修造成的。想要让这种病害不发生，首先，就要合理的设计附属设施的材料并且保证施工过程中的质量；其次对它进行良好的维护，保证能正常的使用。

3 工程概况和设计

该板桥基本情况为：跨径6 m，桥长8 m，高1 m。上部结构为C50 混凝土矩形板，设计荷载为汽车-20级，挂车-100。

4 加固效应分析

4.1 使用Midas 建立有限元模型

该板桥采用有限元计算软件Midas-civil，并用梁格法建模。共计56 个节点，62 个梁单元，在桥整体和中部点分别设置DZ，RZ 和DY 方向的约束。

图1 有限元模型 Fig. 1 Finite element mode l

4.2 加固效应有限元分析

4.2.1 外部粘钢加固法

为了模拟粘贴不同厚度的钢板对未加固板桥的影响，拟采用桥梁计算软件Midas 分别建立3 组加固模型。通过在加固后桥梁的钢筋混凝土上增加同4 mm，6 mm，8 mm 厚度钢板等量的预应力的方法，对其进行运行分析。

通过模拟在粘贴不同厚度钢板加固后的桥梁上施加等量的预应力的等效替代方法来分析桥梁的受力情况。粘贴4 mm 钢板后的桥梁在施加预应力之后，运行分析，得到了桥梁大致有了10 mm 的挠度变化。依次运行分析粘贴6 mm 和8 mm 钢板之后的桥梁，我们大致可以得出，在施加等量的预应力在不同厚度的钢板上，桥梁的挠度变化不同，所承受的弯矩变化也不同，在相同挠度时，粘贴钢板后的桥梁比原来的桥梁所受的弯矩要大的多，而且，钢板厚度越大，所能承受的弯矩也越大，反过来说，桥梁承受的弯矩大小，与粘贴的钢板厚度有关，所以，我们可以得出，粘贴钢板加固法可以桥梁的抗弯承载能力。

为了准确的对比分析粘贴不同厚度钢板对桥梁可塑性变形能力的影响，我们分别读取了Midas- civil 有限元软件的分析结果，读取极限状态下粘贴不同厚度钢板的桥梁跨中截面的挠度值后得出：粘贴钢板可以改善桥梁的塑形变形能力，提高桥梁的承载能力，另外，从节约的角度上看，粘贴6 mm钢板的效果无疑是最好的。

4.2.2 增大截面加固法

为了模拟桥面板出现承载力不足或铰接梁不能有效传力，通过Midas 截面功能，增面尺寸来模拟在桥面板加铺一层钢筋混凝土的情况，使之与原结构形成一个整体，从而达到增大桥面板，增加桥面整体刚度，提高桥梁承载能力的效果。通过模拟分析得出相同挠度下加固后未构件所承受的弯矩小于构件：承受相同弯矩时未加固构件的挠度大于加固构件；可得出结论：受压区增大截面法对T 梁的极限承载力和刚度有显著提高,所以以增大正截面抗弯承载力而言，增大截面法加固效果还是较为理想的。

挠度对比。同时，为了对比分析该加固措施对构件塑性变形能力的影响，分别读取限元分析结果中加固前后构件跨中截面（梁底正中节点）的挠度值，如图3、图4 所示。

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

图3 相同弯矩下，沿梁纵向挠度对比 Fig. 3 Comparison of longitudinal deflection along beams under the same bending moment

图4 极限弯矩下，跨中挠度对比 Fig. 4 The contrast of the mid-span deflection under the extreme bending moment

由图3 可知，加固前后构件承受相同弯矩时，加固T 梁的挠度明显小于原构件，跨中挠度减小约 16.16%，即该加固法对 T 梁的刚度有明显的改善；由图4 可知，极限状态时，未加固T 梁跨中最大挠度为104.3 mm（跨度的1/190）；采取受压区增大截面法加固后，跨中最大挠度值为113.0 mm（跨度的1/178），增大了大约6.4%。单从最大挠度值来看，受压区增大截面法在提高构件承载力的同时，也能起到改善梁塑性变形能力的作用，但效果不甚明显。

4.2.3 粘贴碳纤维加固法

用平面应力单元来模拟T 梁粘贴的碳纤维布，通过自定义材料及截面功能输入加固设计所采用的碳纤维布的材料性能参数。

通过设置节点间的边界条件来模拟碳纤维布与主梁钢筋混凝土的粘接。选用弹性连接选项中的刚性连接方式，将相应位置的碳纤维布单元节点与T 梁节点相连接，来达到协调变形与位移，防止粘接失效与滑移破坏。加固措施编号见表1。

表1 加固措施 Table 1 Reinforcement measures

通过原构件及混合加固构件的有限元分析结果，在对其进行处理，加固措施1、2、3 的荷载-位移曲线非常接近，几乎重合，与增大截面加固曲线同样较为接近，故可以说，与增大截面法相比，混合加固T 梁的承载力和刚度提高幅度不大，但若同未加固T 梁相比，则有明显的提高。

图6 为未加固及混合加固T 梁的极限弯矩对比,可以很明显的得知，与未加固T 梁相比，加固措施1、2、3 的极限抗弯承载力分别提高约16.96%、17.64%、18.70%。相同跨中挠度下T 梁所受弯矩的比较，可以看出，相同挠度情况下，与未加固构件相比，采用加固措施1、2、3 的T 梁所受弯矩分别提高约4.57%、6.02%、7.19%。不仅如此，增大截面法单独加固效应占的比重很大，比未加固时构件的极限承载力提高了大约3.80%，所以碳纤维的效用没有明显体现。

图6 极限弯矩对比 Fig. 6 Extreme bending moment contrast

挠度对比。在极限状态时，采用措施1 进行加固时，构件跨中最大挠度值113.1 mm。（跨度的1/177），采用措施2 时，构件最大挠度值为113.6 mm（跨度的1/176），采用措施3 时，构件最大挠度值为114.6 mm（跨度的1/175），未加固时最大挠度值为105.247 mm（跨度的1/190）；与未加固构件相比，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%；所以如果只是从最大挠度值方面来看，碳纤维加固措施不仅可以增加梁承载能力，也可以改善T 梁的塑形变形能力。

4.3 加固效应综合对比

经过大量计算和分析，可以得出以下几方面的结论：

（l）为了极限弯矩承载能力更加方便对比分析，故对加固措施进行编号。三种加固措施对于提高抗弯承载能力的效果，增大截面并粘贴8 mm 钢板的混合加固法对于提高梁极限承载能力效果最为显著，相比未加固时提高了大约21.05%，而采用增大截面法并粘贴三层碳纤维的混合加固法时，承载能力提高了大约 18.7%，值得注意的是仅粘贴8 mm 钢板承载能力提高了大约为13.77%，没有增大截面并粘贴三层碳纤维的混合加固法（18.7%）效果显著，而仅采用上表面增大截面法加固后承载力提高了13.06%，仅粘贴三层碳纤维承载能力提高了大约7.84%。

（2）刚度和塑性变形能力本文通过构件达到极限状态之前相同弯矩下的挠度值来研究各种加固措施对构件的刚度影响，以下是相同弯矩时（3085k N·m）各加固构件的挠度对比：增大截面并粘贴钢板的混合加固法在改善构件刚度方面效果最为显著，增大截面并粘贴碳纤维的混合加固法效果次之，单一材料加固时，粘贴8 mm 钢板加固法增大构件刚度成效最大，增大截面法次之，再次是粘贴碳纤维加固法。