基于Ansys的桥梁横向预应力碳纤维板加固仿真分析

杨晓东，傅长荣，黄 金，白 石

（1.丽水市公路管理局，浙江 丽水 323000；2.丽水学院；3.智性纤维复合加固南通有限公司，江苏 南通 226000）

1 引言

近年来，装配式空心板桥经常出现沿空心板间企口缝的纵向裂缝、坑槽和塌陷，且空心板间铰缝处混凝土破碎、脱落、大面积渗漏，致使板间横向联系失效，出现单板受力现象，严重影响行车安全，成为整条公路交通的瓶颈[1-3]。因此，对这类病害桥梁进行加固研究具有重要的工程实用价值。

常用的加固方式有粘钢及体外预应力。体外预应力的加固效果更好，可以有效改善荷载横向分布，增加结构横向联系，成为目前研究的热点。陈淮[4]等采用横向体外预应力筋来加固空心板桥，对比施加横向预应力加固空心板桥前后的计算结果，得出采用施加横向预应力的方法能有效改善荷载横向分布，增加空心板结构横向联系，避免单板受力，加固效果明显。杜红静[5]研究了横向预应力大小、位置等对空心板桥加固效果的影响，得出横向张拉预应力可以很好的增加结构刚度及承载能力，加固效果良好。韩相宏[6]利用有限元软件Ansys建立空心板梁桥的有限元模型，以接触单元模拟铰缝混凝土的开裂面，计算分析荷载作用下横向预应力、板间摩擦系数、板梁竖向挠度三者之间的相互关系。宋宇锋等[7]将有限元方法和全尺寸模型试验得出的空心板梁桥横向分布结果与现行设计方法采用的铰接板法计算结果进行对比，发现铰接板法在计算空心板梁桥横向分布时存在较大误差，铰缝实际受力方式与设计方法所假设的受力方式有很大区别。但上述研究未说明在一定的铰缝损伤工况下，横向预应力加固使得铰缝梁端一定距离范围内出现拉应力值超限后如何处理。另外，目前所用的大多数加固材料均采用钢绞线，容易受到服役环境的腐蚀，影响加固效果。

本文将根据上述研究现状，采用有限元分析软件Ansys 对水口殿大桥空心板梁横向预应力碳纤维板加固进行建模分析，研究在最不利荷载挂车-100 级中载加载下，碳纤维板加固前后铰缝底缘横向正应力和挠度的变化情况[8，9]，并分析在一定的铰缝损伤工况下横向预应力加固使得铰缝梁端一定距离范围内出现拉应力值超限后如何进行处理，为实际桥梁结构的横向预应力加固分析提供参考。

2 桥梁空心板梁建模

利用有限元软件Ansys，参照水口殿大桥空心板梁桥标准图的相关数据进行建模。加固模型中铰缝和空心板材料为C40 混凝土，采用Solid65 实体单元进行模拟，在铰缝开裂失效位置处添加仅受压的link10 单元，模拟横向预应力加固后铰缝混凝土恢复的受压性能，纵向预应力束采用15.2mm 高强钢绞线，横向预应力材料采用截面尺寸为100mm×2mm 的碳纤维板，主要材料特性及模拟方式见表1。

表1 加固模型材料参数

截面几何尺寸如图1所示，7 块板有限元模型如图2 所示，从左到右依次为1 号～7 号板。7 块板之间共6个铰缝，即板与板之间相接的部分，从左往右依次为1号～6 号铰缝。根据国内外研究进展，建模时考虑梁体自重、预应力钢绞线和桥面二期恒载的影响，在最不利荷载挂-100级中载加载下分析碳纤维板加固前后铰缝底缘横向正应力和挠度的变化情况，单根预应力钢绞线张拉吨位19.6t，桥面铺装采用C40 混凝土，厚15cm，每片板受力5.98 kN/m，护栏一侧受力为8kN/m，不考虑桥面铺装层的刚度影响，直接将其作为二期恒载加载在空心板梁上。采用横向碳纤维板加固时，布置位置分别为0.5L-5m、0.5L-3m、0.5L-1m、0.5L、0.5L+1m、0.5L+3m、0.5L+5m 位置处，单条碳板采用100mm 宽、2mm 厚，单端张拉力为20t；纵向碳纤维板的加固位置在每个空心板梁下方的纵向中心线上，单端张拉力为15t。

图1 水口殿大桥空心板梁横截面标准图（cm）

图2 水口殿大桥有限元模型

3 有限元计算结果分析

3.1 未损伤工况下加固分析

由于结构的对称性，只给出了1号～3号铰缝的分析数据，有限元仿真模型计算结果如图3、图4所示。分析数据表明，在铰缝未损伤情况下，空心板梁桥的纵向预应力碳纤维板加固对铰缝底缘横向正应力的改善作用不明显，而对跨中截面的挠度改善较为明显。当采用7道15t 的纵向预应力碳纤维板和7 道张拉力为20t 的横向预应力碳纤维板加固时，除各铰缝距离梁端0.1m 范围内出现少许拉应力外（峰值小于0.4MPa），其余桥梁纵向长度范围内均未出现横向拉应力，横向预应力加固使得边板产生一定的下挠，因此加固后跨中断面梁顶的横向拉应力呈现出边梁增大中梁减小的趋势，加固后裸梁状态下跨中梁顶的最大横向拉应力为0.825MPa，小于C40 混凝土的抗拉强度设计值1.71MPa。

图3 未损伤工况加固前后铰缝横向正应力对比

图4 未损伤工况下加固前后对跨中挠度与梁顶横向应力影响

因此，在铰缝未损伤情况下，各项关键指标均符合设计要求。说明采用7道15t的纵向预应力碳纤维板和7 道张拉力为20t 的横向预应力碳纤维板加固是可行的。

3.2 各铰缝损伤工况下加固分析

根据水口殿大桥的实际情况及建模分析，确定铰缝损伤比例在45%～65%之间，以此作为铰缝损伤模型的建立标准。

由图5、图6 可以看出，在各铰缝损伤工况下，空心板梁桥的纵向预应力碳纤维板加固对铰缝底缘横向正应力的改善作用不明显，而对跨中截面的挠度改善较为明显。当采用7道15t的纵向预应力碳纤维板和7道张拉力为20t的横向预应力碳纤维板加固时，各铰缝在距离梁端一定范围内的横向正应力反而增大，各铰缝在距离梁端1.6m 范围内出现较大拉应力（距离梁端一定范围内甚至超出C40 混凝土的抗拉强度设计值1.71MPa），其余桥梁纵向长度范围内出现的横向拉应力值得到改善且均未超限。在各铰缝损伤工况下，横向预应力加固同样使得边板产生一定的下挠，因此加固后跨中断面梁顶的横向拉应力呈现出边梁增大中梁减小的趋势，加固后裸梁状态下跨中梁顶的最大横向拉应力为0.867MPa，小于C40 混凝土的抗拉强度设计值1.71MPa。

图5 损伤工况下加固前后铰缝横向正应力对比

图6 损伤工况下加固前后对跨中挠度与梁顶横向应力影响

因此，各铰缝损伤严重到一定程度时，即在各铰缝损伤比例为45%～65%的工况下，仅采用7道15t的纵向预应力碳纤维板和7道张拉力为20t的横向预应力碳纤维板加固是不可行的，它会使铰缝梁端一定距离范围内出现拉应力值超限。

通过分析及文献参考[8-10]，小铰缝空心板梁桥加固时，需要确保铰缝底部施工缝距梁底30cm左右高度范围内封闭密实，可使得铰缝横向拉应力不超限。

3.3 施工缝30cm密实填充前后各铰缝损伤工况下加固分析

将小铰缝底部施工缝30cm 高度范围内填充密实后，得到的各铰缝损伤工况下加固前后铰缝横向正应力、挠度对比如图7、图8所示。

图7 30cm密实灌浆后各铰缝损伤工况下加固前后铰缝横向正应力对比

图8 30cm密实灌浆后加固前后对跨中挠度与梁顶横向应力影响

由图7、图8中可以看出，在各铰缝损伤工况下，将小铰缝底部施工缝30cm 高度范围内填充密实后，同样采用7 道15t 的纵向预应力碳纤维板和7 道张拉力为20t的横向预应力碳纤维板加固时，各铰缝横向正应力均小于0.2MPa，横向预应力加固使得边板产生一定的下挠，因此加固后跨中断面梁顶的横向拉应力呈现出边梁增大中梁减小的趋势，加固后裸梁状态下跨中梁顶的最大横向拉应力为0.52MPa，小于C40混凝土的抗拉强度设计值1.71MPa，满足加固设计要求。

通过上述分析可知，为了解决空心板桥横向预应力加固时铰缝横向拉应力超限的问题，将空心板桥小铰缝底部施工缝30cm 高度范围内填充密实，提高铰缝摩擦系数，可以有效减小铰缝及梁顶横向正应力，减小跨中挠度，提高加固效果并保证桥梁的安全运营。

4 结语

本文主要对空心板桥横向预应力碳纤维板加固设计进行有限元仿真模拟，建立空心板桥横向预应力碳纤维加固模型，主要分析了铰缝未损伤工况下、铰缝损伤工况下以及施工缝30cm 密实填充工况下的桥梁结构加固前后跨中挠度、梁顶横向应力和铰缝底缘正应力的影响。

结果表明，采用7道15t的纵向预应力碳纤维板和7道张拉力为20t的横向预应力碳纤维板加固是有效的，但此时需要特别注意的是铰缝底缘和跨中截面顶缘的横向拉应力是否已经超限，如果超限将影响结构安全。将铰缝底部施工缝30cm 高度范围内填充密实，可以有效提高铰缝摩擦系数，减小铰缝及梁顶横向应力，减小跨中挠度，提高加固效果并且保证桥梁的安全运营。