钢箱加固钢筋混凝土梁桥的有限元分析

郭志军，贾 斌

（1.甘肃省嘉峪关公路管理局,甘肃 嘉峪关 735100；2.兰州交通大学,甘肃 兰州 730030）

0 引言

近年来随着公路交通量的不断增大，汽车荷载等级的进一步提高，以及外部环境因素的作用，很大一部分建于上世纪六七十年代的桥梁在运营过程中出现了各种各样的病害，对桥梁结构的安全性、适用性和耐久性产生了较大的影响。而桥梁的拆除重建不仅影响正常的交通，还耗费人力、物力和财力，所以对病害和缺陷程度不严重的桥梁均通过维修加固使其恢复或提高承载能力，继续服役，从而带来良好的经济和社会效益。中小跨径的钢筋混凝土梁桥在现役公路桥梁中占有相当大的比例，相对其他桥型，钢筋混凝土梁桥出现的病害也较为普遍，目前对于钢筋混凝土梁桥常见的加固方法主要有：粘贴钢板法、增大截面法、粘贴碳纤维布等[1]。普通的粘贴钢板加固对于提高梁底的抗拉性能很有限；粘贴碳纤维布主要用于构件抗剪加固，对承载能力的提高程度较为有限；增大截面法占据空间较大，影响桥梁净空。鉴于以上情况，选择一种安全可靠、加固效果显著的加固方法就显得尤为重要，钢箱加固法就是在这种情况下产生的。

1 钢箱加固法[1]

钢箱加固法是一种依据钢—混凝土组合梁理论发展而来的新型加固方法，结合了粘钢和增大截面加固法的双重优点。具体施工方法为：（1）在梁底及梁侧粘贴钢板形成H形套箍，起到U形套箍的作用；（2）在H形套箍下缘焊接一层钢板，使H形套箍下部成为一个封闭的钢箱并与原结构形成整体，达到增大梁体截面的效果；（3）在钢箱内填充微膨胀混凝土[2]。钢箱加固过程示意图如图1所示。

图1 钢箱加固法过程示意图

2 钢箱加固模型的建立

本文建立一钢箱加固钢筋混凝土梁的有限元模型，对钢箱加固法进行分析。钢筋混凝土梁采用矩形截面，梁高0.3 m，宽0.1 m，长3.0 m，混凝土强度等级为C30，抗压强度设计值fc=13.8 MPa，标准值fck=20.1 MPa，弹性模量Ec=3.0×104MPa，泊松比μ=0.2，混凝土保护层厚度as=2.5 cm，混凝土极限抗压应变εcu=0.003 3。梁底配有三根直径为18 mm的HRB335受拉钢筋，钢筋强度设计值fy=280 MPa，强度标准值fyk=335 MPa。钢筋和钢板的弹性模量Es=2.2×105MPa，泊松比μ=0.3。加固钢箱长2.8 m，钢箱高度为h1=25 mm，侧板高度为，钢板厚度t=6 mm。钢箱加固后钢筋混凝土梁尺寸及荷载布置如图2所示。

图2 加固梁截面尺寸及荷载布置简图（单位：mm）

本文采用分离式模型对钢箱加固梁建立有限元模型。混凝土采用八节点六面体SOLID45单元，钢板采用SHELL181单元，钢筋通常选用细长的LINK杆单元，钢筋与混凝土的粘结通过耦合命令来实现[3]。最终钢箱加固钢筋混凝土梁的有限元模型图如图3所示。

图3 钢箱加固钢筋混凝土梁有限元模型

3 钢箱加固效果有限元分析

3.1 钢箱加固梁应力分析

（1）混凝土应力分析

采用钢箱法加固后的梁截面属于钢箱—混凝土组合截面，钢箱的H型钢套箍三面包裹混凝土梁底，能有效阻止梁底混凝土开裂及裂缝发展，还能使因开裂而丧失功能的混凝土区域重新参加工作。钢箱—混凝土组合截面增大了原梁截面，新增加的钢箱直接提高了抗剪面积，增大了混凝土剪压区混凝土面积，从而增大了抗剪承载能力[4]。未加固梁和钢箱加固梁在F=30 kN对称荷载作用下的应力云图分别如图4和图5所示。

从图4、5可以看出，在相同载荷作用下，未加固梁跨中梁底混凝土拉应力已超出混凝土极限拉应力，而钢箱加固后梁的混凝土应力水平较底。

（2）钢箱应力分析

钢箱通过锚固螺栓和结构胶与原混凝土梁锚粘在一起，能够保证与原混凝土梁保持变形协调，共同承载荷载。钢箱上、下缘钢板应力曲线如图6（a）和（b）所示。

图4 原梁应力云图（单位：Pa）

图5 加固后梁应力云图（单位：Pa）

从图6可以看出，钢箱下缘钢板由于处在钢箱—混凝土截面受拉区最外缘，应力水平较高。而钢箱上缘钢板相对下缘钢板的应力水平较小。钢箱加固梁在荷载作用下，钢箱上缘最大拉应力约为下缘最大拉应力的66%，所以加固梁承受极限荷载时，钢箱下缘钢板首先屈服进入强化阶段，此时钢箱上缘钢板应力持续增长[5]，当上缘钢板也达到屈服强度后宣布加固梁破坏。

3.2 钢箱加固梁位移分析

（1）加固梁挠度分析

在F=30kN对称荷载作用下，未加固梁和钢箱加固梁的位移如图7和图8所示。

从图7、8可以看出，钢箱加固后钢筋混凝土梁的刚度有了明显提升，在相同荷载作用下钢箱加固梁的挠度远小于未加固梁[6]。在F=30 kN对称荷载作用下，未加固梁跨中最大挠度为f=-4.12 mm，而加固梁跨中挠度仅为f=-1.90 mm，钢箱加固后梁体跨中挠度减小约53%。

（2）钢箱位移分析

图6 钢箱上、下缘钢板应力曲线

图7 原梁位移云图（单位：m）

图8 加固后梁位移云图（单位：m）

钢箱加固梁中，结构胶层是混凝土与钢箱能够共同工作的重要保证，钢箱与混凝土之间存在相对滑移现象，这导致钢箱端部混凝土存在应力集中现象，钢箱钢板与混凝土之间有很大的剪应力和拉应力。钢箱沿梁纵向位移如图9所示，钢箱端部局部放大图如图10所示。

图9 钢箱位移云图（单位：m）

图10 钢箱端部位移云图（单位：m）

从图9、图10可以看出，钢箱加固梁在荷载作用下，钢箱端部沿梁纵向位移最大，容易引起粘结破坏或混凝土剥落，导致钢箱沿端部向跨中方向延伸脱落，失去加固功能。这种破坏属于脆性破坏，对结构的安全性由重要影响。所以钢箱加固设计时应加强钢箱端部的锚固强度。

3.3 钢箱和侧板高度的影响

本文针对不同钢箱高度和侧板高度共建立13片对比梁模型，分析钢箱高度和侧板高度对加固梁的挠度影响。对比梁未加固前的钢筋混凝土梁参数与上文相同，仅钢箱高度和钢箱侧板高度不同。对比梁的加固钢箱参数设置见表1。

（1）钢箱和侧板高度对截面惯性矩的影响

经分析计算，钢箱高度h1和侧板高度h2对钢箱惯性矩的影响分别如图11和图12所示。

从图11、图12可以看出，钢箱截面惯性矩随着钢箱高度和侧板高度的增长而增长，侧板高度的变化对截面惯性矩的影响较大。

表1 对比梁加固钢箱参数 mm

图11 h1对钢箱惯性矩的影响

图12 h2对钢箱惯性矩的影响

（2）钢箱和侧板高度对加固梁挠度的影响

对各对比梁进行分级对称加载，集中荷载从F=5 kN开始每级5 kN增加到F=40 kN，各对比梁在荷载作用下的跨中挠度如图13、图14所示。

图13 h1对加固梁挠度的影响

图14 h2对加固梁挠度的影响

从图13、14可以看出，钢箱高度对加固梁的刚度贡献较大，钢箱高度越大，加固梁在荷载作用下的挠度越小；而侧板高度对钢箱刚度的贡献较小，钢箱侧板高度变化对加固梁挠度的影响较小。但实践表明，不能为了提高加固后结构承载能力而选择较大钢箱高度和较小侧板高度。因为钢箱高度太大会导致加固梁受压区混凝土压碎时钢箱的应力水平还很低，造成材料的浪费。同时不利于结构受力[7]。一般钢箱高度宜在5～10 cm内。如果侧板高度过高，接近中和轴位置，则对加固梁的抗弯承载力贡献并不明显，所以宜将侧板高度控制在梁高的三分之一以内。

3.4 钢箱加固梁的动力特性分析

桥梁结构在动荷载作用下会发生各种振动，所以对其动力特性进行分析非常有必要，尤其对加固后的桥梁进行分析，更能对其加固效果进行进一步评价。本文分别对钢箱加固前后钢筋混凝土梁有限元模型动力特性进行分析，得出加固前后钢筋混凝土梁的前5阶频率和振型模态。通过对比分析了钢箱加固前后钢筋混凝土梁的各阶次频率大小，如图15所示。

图15 钢箱加固前后各阶次频率

从图15可以看出，钢箱加固后梁的各阶频率均大于加固前，这说明钢箱加固法能够有效提高梁体的整体刚度，钢箱加固后钢筋混凝土梁的动力性能得到了很大提升[8]。

4 结论

（1）针对钢箱加固的矩形截面钢筋混凝土梁建立ANSYS有限元分析模型，对钢箱加固梁的力学行为进行分析。钢箱下缘钢板的应力水平较高，上缘钢板最大拉应力约为下缘最大拉应力的66%，钢箱侧板能有效保证上下缘钢板的受力协调，并为钢箱提供足够的锚固区，使钢箱与混凝土共同受力。

（2）通过对加固前后梁体有限元模型的静力及动力特性的对比分析，得出钢箱加固法能够降低混凝土的应力水平，有效提高梁体刚度。分析还得出，钢箱端部沿梁纵向位移最大，所以实际工程中该部位容易发生剥离现象。

（3）通过对12根对比梁进行5～40 kN的分级加载，分析各对比梁跨中挠度可知，钢箱越高加固梁的刚度越大，梁体在荷载作用下挠度越小，侧板对加固梁整体挠度的变化影响较小。说明钢箱高度的变化对加固梁抗弯刚度影响较大，而侧板高度的变化对结构抗弯刚度影响较小。钢箱和侧板高度的变化对加固梁抗剪能力都利。

总之，钢箱加固法不仅能有效提高钢筋混凝土梁的抗弯和抗剪承载力，增大加固梁的刚度，还能有效改善梁的受力性能，降低加固梁的跨中挠度。该加固法具有良好的加固效果，可以推广应用于类似桥梁的加固工程中。