基于MIDAS的桥梁加固效果分析

基于MIDAS的桥梁加固效果分析
周明朗
【摘要】This article analyzes the reinforcement effect of two bridge reinforcement methods by using finite element software:enlarged-section reinforcement method and steel plate bonding reinforcement method.The conclusion is as follows:the enlarged-section reinforcement method can effectively strengthen the bridge structure, and the bearing capacity of strengthened T section is increased by about 10％～20％, and the plastic deformation ability of strengthened component is also improved to some extent;the steel plate bonding reinforcement method can also effectively increase the stiffness of the component, the bearing capacity of the section after reinforced by 4 mm steel plate and 8 mm steel plate is basically improved within the range of 15％～25％and 20％～30％, and the plastic deformation ability of strengthened components is also improved, and the degree of improvement is greater with the increase of the thickness of reinforcing steel plate.%文章利用MIDAS有限元软件, 对增大截面加固法和粘贴钢板加固法这两种桥梁加固方法的加固效果进行分析, 得到以下结论:增大截面加固法能有效加固桥梁结构, 经加固后的T型梁截面承载能力提高约在10％～20％范围内, 且加固后构件的塑性变形能力也得到一定程度的提升;粘贴钢板加固法也能有效地提高构件刚度, 采用4mm钢板和8mm钢板加固后的截面承载能力提高分别处在15％～25％和20％～30％范围内, 经加固后的构件的塑性变形能力得到提升, 且随着加固钢板厚度的增加, 提升程度越大.
【期刊名称】《西部交通科技》
【年(卷),期】2018(000)011
【总页数】4页(P65-68)
【关键词】桥梁加固;增大截面加固法;粘贴钢板加固法;有限元
【作者】周明朗
【作者单位】南宁高速公路运营有限公司,广西南宁 530100
【正文语种】中文
【中图分类】U445.7+2
0 引言
我国现代桥梁建设发展很早，早期建设桥梁工程中，由于当时经济发展和社会需求的限制，很多桥梁工程无法摆脱所处时代的局限性。

21世纪以来，随着我国公路和铁路交通网络的迅速发展，以及科技进步和人们生活质量的提高，人们对于出行提出了更高的要求，导致很多现有桥梁无法满足目前的刚度和塑性变形能力要求。

目前很多城市存在公路桥梁加固、改扩建和返修新建等现象，然而由于桥梁工程建设成本较高、工期较长，盲目的进行重建只能适得其反。

正因如此，桥梁加固迫在眉睫，这也要求工程建设者和相关领域学者对桥梁加固问题进行更加全面的研究。

近年来，有关学者对桥梁加固进行了相关研究，取得了一定的成果。

例如：胡帅军等人为了分析引桥T梁施工过程中墩侧支架受力情况，按照极端偏载工况、边跨支架拆除后等工况进行分析，并根据主梁的验算结果对桥墩和支座进行验算；刘博以某三跨连续梁桥为例，利用MIDAS／Civil对纤维混凝土梁桥的短期下挠进行仿
真分析，通过对主梁不同部位使用纤维混凝土对桥梁下挠影响的对比分析，得到了综合考虑使用性能和经济因素的最佳局部纤维混凝土梁桥方案；李宁以某特大型梁桥为实例，运用MIDAS／Civil有限元分析，分析计算了混凝土收缩徐变效应对大跨径预应力混凝土连续刚构桥的影响作用。

本文主要以某桥梁加固工程为例，利用有限元软件对增大截面加固法和粘贴钢板加固法这两种方法的加固效果进行分析，以期为实际工程提供参考。

1 桥梁加固方法
桥梁加固方法有很多，且不同种类桥梁对加固方法具有相应的适用性，本文仅对常用的增大梁截面加固法和粘贴钢板加固法这两种加固方法进行分析介绍。

1．1 增大梁截面加固法
增大梁截面加固法，也叫作增大截面与配筋加固法，该种桥梁加固方法主要是采用增大桥梁构件的横截面积以及增大相应构件的配筋率来实现。

通过增大桥梁构件的横截面积和增大相应构件的配筋率可以有效提高桥梁的刚度、强度和稳定性。

该方法在具体施作过程中，一般是在桥梁主梁的侧面和底面增大主配筋量和增大钢筋的尺寸以此提高桥梁界面的有效高度，最终增大桥梁的承载能力。

在保证施工质量的前提下，该方法较为有效，具体加固方法为：
（1）增大截面
所谓增大截面就是增大混凝土截面的横截面积，需要注意的是应采用相同的材料。

运用该种方法通常可以提高桥梁的承载能力以及提高桥梁截面的截面刚度。

该种加固方法具有很多优点：施工较为简单，适用性强，在很多构件中均可以采用。

同时，该种方法也存在一些不足，主要表现在加固后需要长时间的养护，工作量相对较大，增大了结构本身自重等，并且对周围既有建筑和人们生产生活造成很大程度的影响。

此外，该种方法在具体操作中质量难以保证。

（2）增大配筋
增大配筋最重要的目的就是增大结构的抗弯能力。

这一般是在钢筋抗弯能力不足而混凝土应力满足要求时采用。

具体操作时，可以通过在现有钢筋上进行加筋焊接，以此增大构件的抗弯能力。

1．2 粘贴钢板加固法
所谓粘贴钢板加固法，一般是指将一定厚度的钢板利用胶粘贴在混凝土构件外部，以此来提高构件的承载力，达到加固的目的。

采用该种加固手段可以有效提高构件的抗弯和抗剪能力，并且在一定程度上减小裂缝的继续扩展。

该加固方法具有很多优点，例如，可以有效地减少材料的使用，缩短施工工期，并基本不改变原有的构件形状和外观，对周围既有建筑和人们生产生活影响程度较低。

然而，该种方法对施工的精度要求很高，只有保证施工工艺满足要求才能实现其加固的目的。

2 工程概况
本文以某公路混凝土T型桥梁为研究对象，该工程预应力混凝土的截面为T形截面，文中采用增大截面加固法和粘贴钢板加固法两种加固方法进行建模验算，混凝土标号为C40。

如图1所示，为T型梁桥的纵向图。

图1 T型梁桥纵向示意图（cm）
3 模型建立
本文主要采用MIDAS软件建模进行计算，有限元网格的疏密对于模型运算速度非常重要，因此，在考虑不影响模型计算精度的基础上，尽可能地减小网格的密度，增大运行速度。

如图2所示为T梁的整体模型图，其中黄色网格为加固层，该计算模型网格大小在150～250mm范围内，在加固以前模型单元共计5 600个混凝土单元和27 000个钢筋单元，加固以后的混凝土单元数目为6 750个，并增添了150个钢板（即碳纤维）单元。

图2 T型梁建模网格划分示意图
本文中主要采用增大截面加固法和粘贴钢板加固法两种加固方法，每种加固方法对
应的荷载步设置如表1和表2所示。

表1 采用增大截面加固法时荷载步流程表第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步自重荷载和预应力二期恒载和车道荷载卸载叠合层湿重钝化湿重和激活叠层单元二期恒载新车道荷载
表2 采用粘贴钢板加固法时荷载步流程表第五步自重荷载和预应力第一步第二步第三步第四步二期恒载和车道荷载卸载激活碳板和碳纤维布单元二期恒载和新车道荷载
4 数值模拟分析
4．1 增大截面加固法
如图3所示，为利用增大截面加固法在荷载作用下加固前后的挠度与弯矩关系曲线。

由图3可知，加固后的曲线整体处于加固前的曲线之上，在挠度相同时，经加固后的截面的弯矩要明显大于加固前。

在挠度为20mm、40mm、60mm、80mm和100mm时，对应的加固后弯矩比加固前弯矩分别增大10．2%、12．5%、14．6%、18．0%和21．4%，即经加固后的截面承载能力提高基本处在10%～20%范围内。

3 荷载作用下加固前后挠度与弯矩关系曲线图
为了分析经增大截面加固法加固后的构件抵抗塑性变形的能力，如图4所示，提取加固前和加固后T型梁截面跨中的挠度值，分为相同弯矩下T型梁纵向挠度对比和极限弯矩下跨中挠度对比两种情况。

由图4可知，对于相同弯矩下的T型梁纵向挠度，在加固前为52．5mm，在加固后为44．6mm，加固后比加固前值减小15．0%，说明经增大截面加固法加固后的构件的刚度性能大大提升。

对于极限弯矩下跨中挠度，在加固前为110．4mm，在加固后为121．3mm，加固后比加固前增大9．9%，从加固后极限弯矩状态下的挠度增大可知，经增大截面加固法加固后的构件的塑性变形能力也得到一定程度的提升。

4．2 粘贴钢板加固法
下页图5为利用粘贴钢板加固法时在荷载作用下采用不同加固钢板厚度的加固前
后挠度与弯矩关系曲线。

由图5可知，加固后的曲线整体处于加固前的曲线之上。

挠度相同时，经加固的截面的弯矩要明显大于加固前，但随着加固钢板厚度的增加，加固产生的积极效果略减小。

在挠度为20mm、40mm、60mm、80mm和
100mm时，对应的采用4mm钢板加固后弯矩比加固前弯矩分别增大15．1%、17．1%、16．6%、20．3%和24．4%，经加固后的截面承载能力提高基本处在15%～25%范围内；而采用8mm钢板加固后弯矩比加固前弯矩分别增大16．5%、20．7%、24．6%、27．8%和28．4%，此时经加固后的截面承载能力提高基本处在20%～30%范围内。

综上可知，粘结加固法能有效提高构件刚度，但加固钢
板最优厚度值有待进一步讨论。

5 荷载作用下加固前后挠度与弯矩关系曲线图
为了分析利用粘贴钢板加固法加固后的构件抵抗塑性变形的能力，如图6所示，
提取加固前和加固后T型梁截面跨中的挠度值。

由图6可知，与上节相同，也分
为相同弯矩下T型梁纵向挠度对比和极限弯矩下跨中挠度对比两种情况。

对于前者，在加固前为53．0mm，在利用4mm钢板加固后为45．2mm，在利用
8mm钢板加固后为38．5mm，两种加固厚度在加固后比加固前分别减小14．7%和27．4%，这说明经增大截面加固法加固后的构件的刚度性能大大提升，且随着加固钢板厚度的增加，加固效果越好。

对于极限弯矩下跨中挠度，在加固前为109．4mm，在利用4mm钢板加固后为113．2mm，在利用8mm钢板加固后为119．5mm，两种加固厚度在加固后比加固前分别增大3．4%和9．2%。

由
此可知，经粘贴钢板加固法加固后的构件的抗塑性变形能力也得到一定程度的提升，且随着加固钢板厚度的增加，提升程度越大。

5 结语
本文主要以某桥梁加固工程为例，利用有限元软件对增大截面加固法和粘贴钢板加固法这两种加固方法的加固效果进行分析，得到以下结论：
（1）增大截面加固法能有效加固桥梁结构，经加固后的T型截面承载能力提高约在10%～20%范围内；加固后构件的抗塑性变形能力也得到一定程度的提升，在10%左右。

（2）粘贴钢板加固法能有效提高构件刚度，采用4mm钢板和8mm钢板加固后的截面承载能力提高分别处在15%～25%和20%～30%范围内，加固后的构件的抗塑性变形能力得到提升，且随着加固钢板厚度的增加，提升程度越大。

参考文献
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