先张法预应力空心板梁加固后抗弯承载力有限元对比分析

2021-09-13杨允宁石春秀

兰州工业学院学报 2021年4期

杨允宁 ,石春秀

(1. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安 710000; 2. 宝鸡建安集团股份有限公司,陕西宝鸡 721000)

0 引言

我国国民经济持续快速增长和经济总量的不断扩大,必将带动全社会人员、物资流动总量的升级,导致全社会运输总需求量的不断增长,从而引发公路交通需求的持续增长[1].各地区积极借经济、交通发展的浪潮,大力改建既有交通线路,扩建道路,提速增载.既有桥梁在公路运营过程中,遭受着来自外界侵蚀等不同程度的损伤.在如今对既有桥梁改扩建过程中,早期修建的桥梁还能否适应新荷载规范的承载能力要求,就急需对结构承载力重新计算验证.

早在我国20世纪90年代,高速公路建设逐渐开展,先张法预应力空心板梁结构形式简单,方便拼装施工而被广泛采用.但其梁高较小,配筋数量受到限制,承载能力较低.外加既有结构在服役中材料性能发生退化,承载能力往往不能满足改建要求[2].为了能够继续利用以节约成本,选择什么样的加固方案最为合理,则是当前诸多改扩建工作中最为紧迫的问题.

1 既有空心板梁状况

标准跨径16 m预应力混凝土简支空心板梁,计算跨径为15.64 m,板宽1 m,高0.7 m.采用40#混凝土(C38),预应力筋采用标准强度为1 860 MPa钢绞线,松弛度为3.5%,张拉控制力为1 339 MPa,张拉力为132.17 kN.边梁为16根φs12.7钢筋,中梁为15 根φs12.7钢筋.箍筋采用2根R235φ8钢筋,箍筋间距为梁端10 cm,跨中20 cm.标准跨径20 m预应力混凝土简支空心板梁,计算跨径为19.53 m,板宽1 m,高0.85 m.采用50#混凝土(C48),预应力筋采用标准强度为1 860 MPa钢绞线,松弛度为3.5%,张拉控制力为1 339 MPa,张拉力为187.46 kN.边梁为15根φs15.2钢筋,中梁为14根φs15.2钢筋.箍筋采用2根R235φ8钢筋,箍筋间距为梁端10 cm,跨中20 cm.

根据资料,既有桥梁设计荷载标准采用汽车-20级、挂车-120级,根据规范[3]的要求,承载力检算采用现行荷载标准对既有桥梁承载能力进行检算,在验算时考虑5 cm上部现浇层对结构承载能力的贡献,横向分布系数16 m跨径及20 m跨径分别为边梁取0.238、0.229,中梁取0.229、0.217,抗弯承载能力计算结果见表1所示.

表1 原桥上部结构抗弯承载能力验算

根据原有桥梁承载能力计算结果,需针对承载能力不足的进行抗弯提载.故本文需用16 m跨径进行抗弯加固分析.

2 加固方案介绍

本次选取当前最常用的3种加固方法进行加固前后承载能力分析,加固方法分别为梁底粘贴钢板法、粘贴碳纤维布法和预应力碳板的加固方法.加固前先对梁体破损、裂缝病害进行处理,再进行相应材料及加固工艺进行加固.

1) 方案一:粘贴钢板法.

粘贴钢板法应用广泛,是借助粘钢胶及锚栓将钢板固定在梁体抗弯受力部位.施工工期短,施工质量易于控制,加固质量主要依靠于粘结剂的质量及耐久性,一般粘钢方法分为粘贴法和压力注胶法[4].本次采用M10锚栓先将钢板固定,在单片板梁底采用压力注胶法粘贴2片宽20 cm、厚度为5 mm的Q345c纵向钢板,并在梁端设置钢板压条.

2) 方案二:粘贴碳纤维布法.

碳纤维布具有较高的抗拉强度,质量轻,操作简单,通过环氧浸渍胶将其贴在梁体受拉部位,能够有效地提高梁体的抗拉强度,碳纤维材料有较高的变形协调能力,对混凝土表面具有较高的贴合性,不易与梁体脱离.本次采用单片板梁底板粘贴2层纵向碳纤维布,长度14.4 m,梁底部全宽粘贴.碳纤维布采用300 g高强度碳纤维布,厚0.167 mm,抗拉强度标准值≥3 400 MPa.

3) 方案三:预应力碳板法.

安装粘贴预应力碳板法加固梁体随着材料及工艺的逐渐成熟被广泛采用,施工简单,对结构承载能力提高显著,能够充分的利用材料性能功能[6].不同于前2种加固方法,预应力碳板法能够对既有桥梁的恒载进行一定程度的卸载,更好的起到加固效果[5].该方法主要通过锚具夹住碳纤维板材,采用千斤顶施加预拉力,并通过胶体将碳纤维板材与梁体混凝土进行粘接.本次采用单片梁板底粘贴3道预应力碳纤维板,碳纤维板采用50×3 mm规格.预应力碳板抗拉强度标准值不得低于2 400 MPa(高强度I级),预应力碳纤维板张拉控制力应力为1 150 MPa.锚具锚栓规格采用8.8级M16×165化学锚栓,锚固深度12.5 cm,精度要求±5 mm.

3 有限元数值模拟

为了更准确地得出加固对结构承载能力的提升效果,采用Ansys实体单元进行有限元分析.Ansys能够准确地得到在外荷载作用下结构的位移、应力、应变等信息,以材料应力达到设计值作为结构达到承载能力极限条件,确定结构的极限承载能力,更真实地反应出结构在加固前后的承载能力状态.

3.1 基本假定

在承载能力分析时,本文对有限元模型作了如下假设:1) 各项加固材料均符合相关规范的性能参数要求,并为理想的线性材料;2) 梁体与加固材料之间及混凝土与钢筋之间不产生相对滑移,结构失效前不考虑加固材料的剥离破坏;3) 受力过程中,模型各材料应变满足协调原理,符合平截面假定[7].

3.2 有限元模型建立

1) 单元选用.

根据梁体实际尺寸并考虑上部现浇层对结构抗弯承载能力的贡献作用,分别建立中梁及边梁的有限元模型.采用实体力筋法对预应力钢筋混凝土进行模拟,根据本次有限元结构分析的需要,结合各种材料的特性,主要选取Solid65单元模拟梁体混凝土,线单元Link180模拟梁体内预应力钢筋,为防止支座处应力集中,采用Shell45单元模拟钢垫块.

采用壳单元Shell63对加固钢板进行模拟,Shell63既具有弯曲能力又具有膜力,可以承受平面内荷载和法向荷载.

采用壳单元Shell41对碳纤维布进行模拟,Shell41单元是一种3D单元,具有膜的刚度,该单元有4个节点,每个节点有3个自由度,适合大变形的非线性有限元分析.

采用壳单元Shell181对预应力碳板进行模拟,Shell181单元在计算时,仅考虑薄膜刚度,即只考虑抗拉特性,不考虑弯曲特性.该单元支持对材料施加初始应力或初始应变[8].

2) 材料性能指标.

梁体混凝土弹性模量为Ec=3.25×104MPa,极限抗拉强度为ft=2.4 MPa.普通钢筋抗拉强度设计值为fsd=280 MPa,弹性模量为Es=1.95×105MPa.预应力钢筋抗拉强度设计值为fpd=1 260 MPa.加固用粘贴钢板弹性模量为Esp=2.06×105MPa,抗拉应力设计值fsd=275 MPa.加固用碳纤维布弹性模量为Ef=2.40×105MPa,抗拉强度设计值为ff=3 400 MPa.加固用预应力碳纤维板材料弹性模量为Ef=1.60×105MPa,抗拉强度设计值为ff=1 150 MPa.

3) 模型建立.

混凝土材料的本构关系本次采用分线性KINH模型进行模拟,其他材料本构关系均采用线性BISO模型进行模拟.预应力筋和预应力碳板均采用初应变法对预应力进行模拟,考虑预应力损失,预应力筋的有效长度作为预应力筋的建模长度,普通钢筋采用配筋率的形式,输入Solid65单元属性中[9],有限元模型如图1～2所示.