桥梁加固方法及其优化设计研究与应用22.9

摘 要伴随着国民经济的蓬勃发展，人们的生活品质逐渐上升，对交通运营的需求也会有提高。许多之前修建的桥梁早已不符合当今交通运营的要求。桥梁结构发生失效的现象而无法正常工作，务必要加固补强。本文的研究内容由以下四部分组成：1.总结桥梁常见病害的情况和几种主要的加固方法。对比研究不同加固方法的力学性能和经济性等指标。2.通过大量相关文献的阅读学习钢筋混凝土和有限元的理论知识，并通过大型有限元分析软件ANSYS中实现了对连续刚构桥的模拟分析。3.利用ANSYS对损伤状态下连续刚构桥的力学性能进行模拟分析，并对比理想状态下的分析结果。4.加固，优化：粘贴钢板加固法由于自重轻，施工过程简单高效，所占空间小，经济性良好等优势被广泛应用到实际工程中。对粘贴钢板加固梁有限元模型进行分析，对加固梁中各材料进行合理的模型选取，合理选用参数，保证分析结果的准确性。通过ANSYS的计算和分析，证明了粘贴钢板加固法将有效的提高原钢筋混凝土梁的强度，且能在较大程度上减小梁的变形。按照桥梁的结构特点，提出了三组不同的粘贴钢板的方法，利用ANSYS分别对三组实验构件进行数值模拟计算，研究各个加固梁的位移和应力，绘制出相应的图表，通过对结果的分析和比较，研究了在不同粘贴钢板条件下结构的变形和受力情况。从模拟结果可知：粘贴钢板的厚度对加固效果会产生较大的影响；增加粘贴钢板厚度比增加粘贴钢板宽度效果明显；在梁柱节点附近粘贴钢板加固，加固材料完全相同的情况下，加固效果更明显。关键词：连续刚构桥；有限元分析；粘贴钢板加固；优化加固方法IIIABSTRACTABSTRACTWith the rapid development of economy and the improvement of peoples living standards,transport operators of service-level requirements are also increasing.Many previous bridge design can not meet the needs of modern transport.Bridge structure because of the failure phenomenon can not meet the requirements of normal use, be sure to reinforcement.Contents of this paper includes the following sections:1.Summary bridge disease situation and several major reinforcement method.Comparative study different strengthening methods of indicators such as mechanical performance and economy.2.Through a large number of literature reading of reinforced concrete and finite element theory, and through large-scale finite element analysis software ANSYS to achieve a continuous rigid frame bridge simulation analysis.3.Using ANSYS mechanical properties of continuous rigid frame bridge under the damage state simulation analysis and comparison of the ideal state analysis results.4.Reinforcement, optimize:Paste the steel reinforcement method has the advantages of light weight, small footprint, etc., it is widely used.Pasted steel reinforcement beam finite element model analysis of each material reinforcement beams reasonable model selection, reasonable selection of parameters to ensure the accuracy of the analysis results.By calculation and analysis of ANSYS software, steel reinforcement paste proved an effective method of improving the strength of the original reinforced concrete beams, and can reduce the deformation of the beam to a greater extent.According to the structure characteristics of the beam,the three groups of pasting steel reinforcement scheme are given.Using ANSYS to calculate the experimental member,study of each beam displacement and stress,draw the corresponding charts.Through analysis and comparison of the results,Studied the structure deformation and stress distribution under the condition of different paste the steel.From the simulation results:Paste the thickness of the steel plate has a larger effect on reinforcement effect;Increasing paste the steel plate thickness than pasting steel plate width effect is obvious;Paste the steel plate reinforced near the beam-column joints,under the condition of reinforcement materials are exactly same,strengthening effect is remarkable.Key words: Continuous rigid frame bridge; Finite Element Analysis; Reinforcing with bonding steel plates; Optimization. 目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录IV第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 研究现状21.3 本文的主要工作5第2章 病害分析和加固措施72.1 桥梁病害形成因素72.2 加固方法82.3 粘贴钢板加固法102.3.1 粘贴钢板加固法构造原理与应用102.3.2 粘贴钢板加固法的优缺点102.3.3 粘贴钢板加固梁的工作原理112.3.4 粘贴钢板加固法的加固要点和施工工艺12第3章 连续刚构桥粘贴钢板加固设计及分析153.1 有限单元法153.1.1 有限元分析的概念35-38153.1.2应用领域153.2有限元模型及参数选择163.2.1单元选取163.2.2建立分析模型183.2.3划分网格及加载求解193.3 损伤模型223.4 加固设计253.4.1不同厚度粘钢加固模型263.4.2不同宽高比粘钢加固模型283.4.3不同位置粘钢加固模型293.5 本章小结30第4章 结论与展望314.1 研究结论314.2 展望31参考文献33V第1章 绪论1.1 研究背景及意义当代时期各地建设桥梁的高峰期即将过去，人们的目光渐渐转到加固和维修桥梁上。由于修建年代的变迁，桥梁病害问题日益突出，桥梁设计标准也在不断提高，桥梁结构已经不能满足结构安全或正常使用需要，严重影响日常交通。特别是最近20年以来，因为拖挂运输方式和集装箱运输方式的大量使用，桥梁负载日趋加重，结构出现疲劳损伤的现象，问题非常严重。对原桥进行加固维修能在保证经济性的前提下使桥梁重新满足正常使用的需求，使桥梁满足正常工作的要求。因此对旧桥进行加固维修是当今桥梁建设工作中亟待解决的问题。许多旧桥的承载力无法满足正常使用要求，经常会有大型车辆无法通过的现象发生1-3。最近十年国内桥梁概况统计见表1.13:表1.1 国内桥梁概况统计表年份永久性桥梁总数危桥数量危桥数量占永久性桥梁的比例(%)座数延米座数延米按座数按延米1999年230778800566144511604911.932.002000年240630865511251761866322.152.162001年28411710649704101313579093.573.362002年29939711612187108043910433.613.372003年31077312466143104433784393.363.042015年7571004257890079600420679510.59.88据统计，美国桥梁总数605103座。缺陷桥梁总数143892座，占23.78%。其中，结构缺陷桥梁总数67562座，占11.16%；功能性老化桥梁总数76366座，占12.62%。对这些病害桥梁的维修加固工程大概需要上百亿美元的开支，而这些病害桥梁会给交通带来不便，间接会给经济造成潜在影响4。英国内部岛上有十一座高架桥，桥梁建设时花费大约为三千万英镑，截至1988年，耗费维修加固资金共计四千五百万英镑，是当时造价总费用的1.7倍5。国内外桥梁发生的重大事故灾害见表1.23:表1.2 桥梁坍塌事故统计表序号桥名时间原因伤亡情况1田台庄大桥2004年6月11日超载、老化2人落水2九江大桥2007年7月14日撞击6辆车3凤凰大桥2007年8月13日施工60人4广汕公路桥2001年9月7日老化无5包头高架桥2007年9月24日超载4人受伤6太原柳林桥2007年9月15日超载无7宜宾南门大桥2002年11月7日超载2人失踪8重庆彩虹桥1999年2月4日质量49人9北京顺义悬索桥2006年12月9日荷载试验3人受伤10加拿大魁北克大桥1961年9月11日设计95人死亡11美国Kanauga的吊桥1967年12月15日39年高负运行46人死亡12美国里根西高架人行桥1981年8月17日振动114人死亡13美国康涅狄格州密乐斯大桥1984年6月26日承载力不足3人失踪14美国密西西比河桥2007年8月2日承载力不足6人受伤15印度西部沿海大桥2003年9月28日结构功能退化24人死亡以上数据显示，国内外桥梁损伤问题日益增多。同时，目前桥梁建设也面临着许多问题。病害桥梁的加固设计和施工工期相对紧张，导致加固设计针对性不强，未能达到预期效果。加固维修桥梁的资金往往有限，导致加固过程缺乏合理的判断准则和高效的加固方法，大多依靠经验推断。没有经过大型有限元软件对病害桥进行分析或分析不够准确，不能真实直观的反应桥梁受力状况，加固的决策受经验的限制，往往不是最优的。为确保交通畅通，加强病害桥梁的考察和研究，分析病害具体原因，比较各种加固方式，采取相对最优的加固方法，充分保证经济性，这是我国现今桥梁加固工程中具有重大意义的任务。1.2 研究现状由于国外桥梁建设工业发展比我国早，桥梁的加固工作也相对起步的早些，针对桥梁维修加固的问题国外已经做了大量的实验、尝试和思考，并取得了突破性的成果，形成了一套相对比较完整的加固体系以及施工工艺6。十九世纪八十年代初分别在英国、美国和徳国开展了桥梁加固理论问题的研究会议；1986年“国际经济合作组织”（OECD）举行了“道桥管理与维修”的专题讨论会议，主要包括以下几方面内容：（1）准确评估旧桥的承载力；（2）及早发现旧桥的破损现象；（3）旧桥的维修加固；（4）桥梁结构设计与维修管理之间的关系；（5）桥梁维修加固的发展情况。前苏联、英国和美国等许多国家都对旧桥结构检测和维修加固管理做了许多的研讨。二十世纪八十年代初召开的“国际桥梁与结构安全会议”和“第十七届国际道路会议”上，针对旧桥的安全指标评估、加固维修管理等方面都开展了大量专题讲座。我国的桥梁加固管理开展得相对晚些，现在还不是特别成熟。自1960年以后，相关部门先后进行了大量旧桥维修加固研究技术的试验和实际工程尝试来满足我们国家旧桥加固维修管理技术发展的要求。近三十年以来，大量桥梁加固维修工程在国内涌现。我国在旧桥加固维修管理上积攒了许多宝贵的经验。自1992年以来，“体外预应力加固法”，“旧桥经加固后承载能力的研究”及“锚固区的应力研究”等多项试验在我国陆续展开，取得了非常有实际意义的研究成果。参考我国桥梁的实际运营情况，总结出了一套切实可行的体外预应力混凝土梁的设计准则7-9。粘贴钢板加固法由于经过加固的构件的耐久性不过关，使得此法推广应用遭受限制。直到70年代以后陆续出现了各方面性能都较好的粘结剂，粘贴钢板加固法才得到广泛应用。各国研究人员围绕粘贴钢板加固法进行了多次的试验和分析，取得了一系列对工程实践有指导意义的结论。1968年，日本道路公团研究所用该法对东京高架桥进行维修加固10。美国加州理工大学对一座多跨桥实行了粘贴钢板加固维修，并在此基础上根据实际工况进行试验，分别研究了抗剪、抗弯和抗弯剪等多种情况下的粘贴钢板加固的效果，最后还应用大型有限元软件对结果进行了数值分析11。1978年，Mac Donald对粘贴钢板加固法进行了一系列实验研究，对结果进行研究分析并归纳出以下几点：粘贴钢板加固法能提高梁的强度和刚度，提高粘贴钢板的厚度会加强梁的加固效果，并作出了荷载-变形曲线12。1981年，中科院大连化物所开发出JGN-I和JGN-II粘结剂，推动了粘贴钢板加固法在国内桥梁加固领域的广泛应用13。Frcnch和Thorp通过对损伤梁利用不同的粘结剂进行粘贴钢板加固进行了大量的对比试验，并最终发现环氧树脂作为粘结剂使得加固效果最优，有良好的耐久性14。1982年，英国R.Joens分别对超筋梁和少筋梁进行粘贴钢板加固，发现在裂缝开始于梁两端的情况下，会沿着受拉钢筋的方向向跨中进一步扩大15。1987年，O.Yilnay针对经过粘贴钢板加固后的钢筋混凝土梁进行分析，主要研究加固钢板和原构件表面之间的作用关系，并总结出弹性理论公式；与此同时，R.Joens对利用此法的加固钢板的锚固效果进行了分析，围绕粘结剂与原构件混凝土表面和钢板之间的作用力做了大量研究15。T.M.Roberts利用弹性力学和断裂力学的理论通过编程语言对经过粘贴钢板加固后的构件进行理论分析，并对当时现有的加固方法进行了补充14。1989年，上海建筑科研院对已经受损的粘贴钢板加固梁进行了大量试验和分析，得出如下结论：经过加固后的构件的损伤形式与加固方法有关，粘贴钢板厚度的提高会对原构件的承载力有很大改善，并能有效制止裂缝进一步扩大16。1995年，我国出版了混凝土结构加固技术，深入分析了混凝土加固构件的病害原因和破坏形式，总结了加固构件与普通构件的根本差异，提出了不同破坏形式应当采用不同的粘贴钢板加固方案的思想17。1996年，混凝土和钢筋的本构关系的研究有了更进一步的发展，这也推动了钢筋混凝土有限元分析的广泛应用。同时，在地震作用下的钢混结构有限元分析方面，我国的研究成果在国际上产生了很大的影响。朱茂法等通过四组经过粘贴钢板加固后的钢筋混凝土梁的施加静力载荷试验得出了受拉钢筋应变与挠度关系图。蔡光汀对粘贴钢板加固法的粘结剂的特性进行了系统分析，提出不适宜用普通粘结剂对长期处于潮湿环境中的损伤构件进行加固的观点18。1998年，李思明研究了粘贴钢板加固梁的抗震性能。结果证明，粘贴钢板加固法能有效提高加固构件的抗震性能19。高作平等人在粘贴钢板加固法的基础上提出了一种新的加固方式-外包钢加固法。通过对未经过加固的柱子和经过外包钢加固的柱子的对比研究，得到如下结论：经过外包钢加固的柱子与未加固的柱子相比，承载力大大提高，并且此法施工简便，所需加固费用较低20。孙晓燕等人认为影响粘贴钢板加固法加固效果的因素主要包括配筋率、预加荷载幅值、粘贴钢板的加固方式；在粘贴钢板层数为1层时，荷载-变形曲线没有明显的变化，在适筋梁的条件下，随着配筋率的提高，经过粘贴钢板加固后构件的承载力提高率反而降低21。科研人员对桥梁加固技术和优化设计的研究做了许多系统的试验和分析工作，各种不同的维修加固技术有各自的优缺点和适用方面，涉及到某个具体的加固工程，不会只使用单一的加固方法，实际工程中需要多种方式混合使用。未来随着科学的进一步研究和社会的快速发展，还会出现更多桥梁维修加固的新材料和新工艺，完善桥梁加固技术使之继续成熟。1.3 本文的主要工作本课题主要研究桥梁加固方法及其优化设计。其主要的研究内容为：（1）总结桥梁的主要病害情况及其加固方法，通过工程调查和数值仿真，对比研究不同加固方法在力学性能、加固效果、施工难易及经济性上的优劣，提出合理化建议。（2）对连续刚构桥建立相应的数学力学模型，进行数值计算，分析结果。（3）模拟损伤状态下的连续刚构桥的力学性能，并与理想状态下的分析结果对比。（4）针对具体加固方法提出合理的加固优化方案，使桥梁加固在满足力学性能及加固效果的前提下费用更低。本课题将主要研究以下三方面：1、总结桥梁的主要病害情况及其加固方法，对比加固方法优劣桥梁病害有很多种，病害的成因也很多。在桥梁加固时，其加固方法的选择需要结合病害、成因和施工等方面的因素来选择。如今常用的桥梁加固方法有桥面补强层加固法、预应力加固法、粘贴碳纤维片加固法、粘贴钢板加固法、外包钢加固法、增大截面和配筋加固法、增加构件加固法等。本课题将从收集文献，工程调查，归纳总结等方面下手，对以上常用加固方法从力学性能、加固效果、施工难易及经济性等方面进行较为系统的研究和总结。2、建立连续刚构桥模型，模拟损伤通过病害原因分析，建立相应的数学力学模型，进行数值计算，分析结果，并与模拟损伤前的理想模型进行对比。3、采用粘贴钢板加固法加固损伤模型，改变粘贴钢板的方式，分别进行数值模拟，对比分析结果，总结相对优化的加固方法。桥梁加固工程是一种利国利民的工程，但由于在加固设计时，设计人员往往偏于保守，不能够很好地满足经济性的要求，所以引入实际可行的优化方法，能够较好地解决桥梁结构后期维修加固费用偏高的问题。工程结构优化设计，能够使结构在满足各种约束的条件下，某一目标值或多个目标值降低，这些目标值在工程中往往就是材料耗费或费用等。本文通过建立相应的数学力学模型，采用不同的粘贴钢板方法，进行数值计算，分析结果，提出合理的加固方案，并采用合理有效的优化方法进行优化设计，使桥梁加固在满足力学性能及加固效果的前提下加固费用更低。第2章 病害分析和加固措施2.1 桥梁病害形成因素桥梁病害指由于自然或人为的因素使桥梁结构呈现不满足标准和规范的现象24。 桥梁病害形成的因素主要有以下几点：桥梁的结构设计不合理；桥梁没有经过系统的养护工作；车辆超载现象比较严重，引发疲劳问题和结构破坏事故；桥梁施工时没有严格依照设计要求和施工规范操作，以烂充好和减少建筑材料以此牟取利益的现象时有发生；地震洪水等自然灾害对桥梁的冲击22。桥梁的常见病害类型和病害原因见表2.1：表2.1 桥梁的常见病害类型和病害原因构件病害类型病害原因上 部 结 构蜂窝、麻面；剥落、掉角；空洞或孔洞施工过程没有严格遵守规范导致。混凝土配合比不准确，造成集料之间存在较大的空隙，搅拌物的和易性较差以至于对施工操作造成不良影响，使拌合不均匀，时间较长会导致分层现象，浇筑过程不便捣实。露筋保护层的垫块设置不牢固，振捣时垫块的位置移动造成钢筋紧贴模板，造成露筋的现象。钢筋锈蚀保护层受到严重损坏或厚度偏小，在周围有害环境作用下产生的破坏均沿钢筋方向。下 部 结 构非结构性裂缝温度的升降和地基不均匀沉降等诸多原因导致的结构发生变形现象，如果变形得不到满足，在构件内部会产生自应力，当自应力的数值大于混凝土容许拉应力时，就会出现裂缝。结构性裂缝由外力产生的裂缝，其裂缝分布规律和发展趋势与外力荷载大小和方向有关。墩 台 基 础掏空、冲刷1） 挖沙引起河床的高度大范围降低；2） 受洪水作用；3） 结构失去原有作用或达不到防护的要求。倾斜、滑移1） 出现下沉的现象或背高填土导致的倾斜和滑移；2） 水位下降，桥台前土压力减小导致滑移现象的发生；3） 基础受洪水的冲刷产生滑移；4） 荷载作用所致。基础沉降、裂缝1) 基础部位土质疏松导致承载能力不能达到预期要求；2) 超过设计荷载的车辆荷载所致；3) 基础沉降不均所致。承台裂缝由于基础出现不均匀沉降或局部的应力造成盖梁裂缝纵向发展的裂缝大部分由于基础的下沉支 座老化、开裂1） 橡胶成分老化，不能达到正常使用的要求；2） 橡胶支座达到使用寿命。局部或全部脱空施工工艺控制不严。活动支座滑动面不平整1） 钢板没有做涂漆处理来防止锈蚀。2） 施工工艺欠佳。伸 缩 缝橡胶止水条破损橡胶成分出现老化的现象；结构水平位移导致。锚固混凝土开裂、破损部分构件破损、松动由于车辆超载、超速行驶或冲击作用。2.2 加固方法旧桥梁进行结构加固补强，改造，确保其使用的安全性，延长桥梁使用的寿命，在最大的程度上有效利用各种资源，是当今国内外关注的重要课题之一。目前，我国存在着严重的桥梁老化现象，危桥的数目也在与日俱增，现在的当务之急就是对旧桥进行加固维修。在旧桥加固维修这一工程领域，通过大量改造项目的实施，我们国家在这方面获得了令人满意的成绩，在实践中累积了大量的工程经验。在旧桥加固改造的过程中，因为每座桥的工作环境有很大差异，实际工况又各有不同之处，但也有相似的方面，所以在遵照旧桥结构加固维修的共同点的同时还要结合各个桥梁的差异性，在实际工程中发挥各种加固方法的优点，经过不停的探求，采用先进的材料和计算方法，设计最优的加固方案，使旧桥原有的使用性能继续得到应用，以确保交通顺畅，为经济的发展提供保障。旧桥加固的方法主要可以分为上部结构加固与下部结构加固两大类27。其中混凝土旧桥上部结构加固的措施主要有以下几种。（1）加大截面加固法：包含加厚桥面板法、喷锚加固法、增焊主筋法和增大梁肋法等27。通过采用植筋和外包混凝土等办法，增大原来截面的尺寸，使构件的抗弯、抗压、抗剪、抗耐久等性能得到提高23。由于其具有施工简便，经济性好的特点，这种加固方法在各种构件的加固中被广泛使用，但增加的承载能力受限，且使得原有构件的尺寸增加，导致原使用建筑空间减少。（2）粘贴加固法：包括粘贴碳纤维加固法、粘贴钢板加固法、粘贴钢筋加固法和粘贴玻璃钢加固法等27。采用粘结剂及锚栓将加固钢板、钢筋或纤维增强复合材料锚固到待加固结构的受拉区和薄弱部位表面来提高结构的抗弯和抗剪能力并控制裂缝的进一步发展23。粘贴加固法可顺应各种不同外形和尺寸的构件，成型便利，不需要破坏原有的结构27，施工简便，不减少桥梁净空，工期短，施工占用场地小，并且可以在不影响或少影响交通的条件下进行施工。（3）体外预应力加固法：包含水平拉杆加固法、下撑式拉杆加固法和组合式拉杆加固法等27。采用高强钢筋或型钢等对梁体外增设预应力拉杆或撑杆，能够抵消一部分的自重，达到卸载的效果，可以提高构件的承载力，对提高截面刚度，防止裂缝进一步发展，提高梁截面的抗裂能力方面效果显著。与其他加固方法相比，体外预应力加固法在自重加重很少的前提下，却能较大程度上加强原构件的承载能力23，对基础受力影响小并且不影响交通。（4）改变结构受力体系加固法：包含八字撑架加固法、梁的连续加固法和梁拱组合加固法等27。该方法是通过采用一定措施变化原有结构的受力体系，从而降低控制截面内力。如在简支梁下面增加支架或将简支梁进行纵向连接，形成连续梁，减少梁内的应力，从而提高原构件的承载能力23。这种方法加固效果很好，是当今国际在处理临时紧急通行的超重车辆时通常采用的一种加固方法。（5）裂缝灌浆法：将水泥浆液、各种树脂浆液或混合物水泥浆等胶结料利用压浆泵压入裂缝中。应用其凝结、硬化后体积膨胀的特性而达到补缝的效果，从而达到恢复构件的完整性的目的。灌浆法包括水泥灌浆法和化学灌浆法两种22。前者只能起承受压力和补充裂缝的作用，而不能抵抗剪应力和拉应力；化学灌浆法能将裂缝两侧的混凝土采用环氧树脂胶结在一起，抗拉强度、抗弯曲变形能力良好。裂缝灌浆法适用于较宽、较深裂缝的补强加固，特别对于受力裂缝的加固，处理效果优于其他方法。下部结构的加固改造具体方法主要有增补桩基加固法、桥台新建辅助挡土墙加固法、扩大基础加固法、钢筋混凝土套箍或护套加固法、墩台拓宽加固法等23。例如下部结构埋设较浅时，经过长期的河水冲刷导致地基土质疏松，引发桥台产生不均匀沉降的现象而出现裂缝。对于以上所述情况，可采取上游设置丁坝或打木桩支撑桥台基础等方法进行加固补强。2.3 粘贴钢板加固法2.3.1 粘贴钢板加固法构造原理与应用粘贴钢板加固法将钢板通过环氧树脂等成分的粘结剂或者采用锚栓粘贴在构件薄弱部位表面或受拉区（混凝土的抗压性能好但抗拉性能差，受压区通常采取现浇混凝土的方法进行加固补强），使之与原构件形成一个整体构件，用来替代需要设置的补强结构钢筋，增设的钢板与原构件共同受力，从而达到提高整个桥梁的强度和刚度的目的28-29。使结构挠度减小，加强原损伤结构的混凝土和钢筋的应力状态，提高构件的抗剪能力和抗弯能力，从而提升桥梁的承载能力30-31。2.3.2 粘贴钢板加固法的优缺点1.粘贴钢板加固法优点24-26（1）粘贴钢板占据空间小，不影响构件外观也不会改变桥梁的净空。（2）粘贴钢板的加固部位和加固强度可以灵活根据所需的设计构造进行设置。 （3）粘结材料的固化是一个突变过程，一般构件加固两天即可正常受力，加固效果不受桥体振动的影响，所以加固施工过程中不用中断交通。（4）加固过程中使用的机械简便，施工工艺简单，施工过程中操作安全高效施工质量易于控制。（5）施工工期短，经济性好。（6）环境温度在5-35范围之间都可以进行施工。（7）对加固梁体的表面要求低，尤其适用于蜂窝面的构件。（8）材料来源广泛，便于推广，加固施工过程中用料少。（9）基本不影响构件的荷载，不改变原构件体系的受力形式。2.粘贴钢板加固法缺点24-27（1）钢板防腐蚀，防生锈问题很难处理，耐久性有待提高。（2）后期养护费用高。（3）粘结剂的质量和耐久性成为影响维修加固效果的主要因素。 （4）加固过程中，钢板弯曲加固成形难度大。（5）粘贴钢板加固法的受力存在滞后现象，并且这种现象随着荷载的增大而愈加明显。（6）由于混凝土与钢板的弹性模量和线膨胀系数存在较大差异，两者在共同工作时的相互协调作用，耐久性等问题有待研究。2.3.3 粘贴钢板加固梁的工作原理钢筋混凝土梁是由混凝土和钢筋组合而成的受弯结构，但两者的物理力学性能相差较大。混凝土的抗压性能很好，但抗拉性能差，抗拉强度大约相当于抗压强度的1/10，钢筋的抗拉性能和抗压性能都很好31-32。在弯矩作用下钢筋混凝土梁会产生受压区和受拉区，梁中性层以下是受拉区，中性层以上是受压区。由于混凝土抗拉强度很低，在较小的拉应力作用下，受拉区会由于较小弯矩产生大于容许范围的拉应力，构件的受拉区混凝土就会发生开裂现象而破坏，但此时受压区混凝土的压应力距离其容许压应力还很大，受压区混凝土没有得到充分利用31。钢筋的抗拉能力很好，如果在构件的受拉区加设合适数量的钢筋，让钢筋分担混凝土部分的拉应力，使得受压区混凝土的抗压性能得到充分利用32，改善梁截面的受力性能和工作性能，这样就可以在很大程度上提高钢筋混凝土梁的抗弯承载力。这就是粘钢加固法理论依据。在对抗弯能力达不到要求的结构进行加固时，将钢板用胶结剂粘贴在梁受拉部位的边缘32。由于钢板较好的抗拉性能可以弥补原结构的不足，使受压部位混凝土更好的发挥抗压能力来达到加固补强的效果。要确保混凝土和钢筋这两种力学、物理性质有较大差异的材料协同工作，前提就是使它们之间存在较大粘合力，包括凝胶体和钢筋表面的粘结力、粗糙的钢筋表面与混凝土间咬结作用的粘合力以及表面的摩擦阻力。使混凝土和钢筋这两种材料在粘合力作用下产生的受力变形保持一致。而两种材料的温差膨胀系数相差不大34，所以温度的变化不会影响两者的整体工作。混凝土在通常情况下是碱性的，而钢筋在碱性环境下不易生锈，所以混凝土在一定程度上可以保护里面的钢筋，提高构件的持久性和稳定性。粘贴钢板加固法是利用粘结剂将钢板粘贴在待加固表面，为避免钢板受周围环境的影响生锈，通常在钢板表面喷一层防护油漆34。由于钢板和混凝土的线膨胀系数，弹性模量存在较大差异，为保证粘贴钢板的钢筋混凝土梁正常工作，必须处理好钢板和混凝土的粘结问题。为确保混凝土构件和加固钢板形成受力整体，两者的粘结表面需要有足够强度的聚结力，钢板通过粘结剂或锚栓粘贴、锚固在受拉区表面，确保钢板与待加固构件表面之间的粘结力满足抗拉强度的要求，能承受界面由于位置滑动产生的剪应力34。混凝土和加固钢板就是通过这种力共同承担荷载的作用，如果两者之间的粘接力达不到强度标准要求那么钢板就失去加固的作用。2.3.4 粘贴钢板加固法的加固要点和施工工艺1.设计要点首先要对桥梁病害的具体情况以及成因做详细的调查，根据具体情况确定粘贴钢板的形状、尺寸和加固方式，以便有效的发挥加固补强后桥梁的抗弯能力和抗压能力，通常情况下将钢板粘贴在结构的受拉部位的边缘，使钢板与被加固前构件形成整体，这样粘接处不至于出现剪切破坏，并且还要封闭粘贴部位的裂缝，阻止裂缝进一步发展扩大。加固计算时，把钢板视为钢筋的断面来处理，将钢板的面积转换成钢筋的面积。原构件承受恒载（含钢板等加固层的自重）与部分活载，加固的钢板承担原来构件承受不了的那部分活载。在构造设计中，可根据实际情况的需要调整加固钢板的形状，应尽可能选择薄而宽的钢板，较薄的钢板弹性很大可以充分适应构件表面的变形。为确保钢板与原来待加固结构形成一个受力整体，加固的钢板要满足足够的锚固长度，选择粘结效果好的胶结剂，有较强的耐久性。在自由端，钢板容易产生脱落的现象，这时可以采用锚栓固定来达到加强钢板和混凝土表面的粘结力的目的24。2.加固材料要求24加固的钢板最好选用A3钢或16锰钢。钢板、加固锚栓和焊缝的设计值要满足国家设计标准钢结构设计规范GBJ 17-88规定。所用的粘结剂要满足粘结性能好，耐久性强的要求，有较强的弹性。为确保加固钢板与混凝土之间的粘结强度满足要求，粘结钢板基层面所用的混凝土强度等级不得低于C15。3.粘贴钢板加固法的施工工艺31-33（1）搭设支架设支撑梁、成型模板。（2）构件表面处理原构件被加固的混凝土表面经过处理后以保证加固后的效果更强。将粘贴钢板部位的混凝土表面清除破碎部分，用工具打磨平整，使加固面坚硬干净，基本能看到混凝土的粗骨料。采用喷砂技术或利用压缩空气和钢丝刷清除杂物来处理表面，将待加固构件表面在粘贴钢板加固前用丙酮进行擦拭。被粘贴的钢板表面不仅除锈工作要进行彻底并且还要保证一定的粗糙度。（3）钻孔采用带有梅花形钻孔形状的冲击电钻在待加固试件和钢板表面钻孔。在构件表面安装膨胀螺栓，采用螺栓加压。（4）粘结剂的配制严格选择钢板和混凝土之间的胶粘剂的材料，一般选择环氧树脂系列粘结剂。要求配胶精确，准确控制各成分的配合比，均匀搅拌。一次的搅拌量不能过多，随拌随用，不能超过一个小时，施工时开始固化的胶不能再用。（5）粘贴钢板一般采用涂拌法去粘贴钢板，粘贴时注意粘结剂的涂抹是否饱满。首先在经过处理的钢板和待加固构件的粘结表面分别均匀的涂一层粘结剂，总共约为2mm。然后在钢板上再用刮刀均匀涂抹一层环氧树脂系列粘结剂，用力将其刮平。挤压排出气泡后，将钢板贴在待加固构件的表面，加压使两者贴合，沿边缘挤出多余的胶液（整个操作过程应保证粘结剂未固化）。（6）加压粘贴好钢板后，务必对钢板进行加压。通常的办法是采用螺栓加压，根据事先在基层上钻好的孔位埋设直径为10mm的膨胀螺栓（兼有固定和压紧的作用）。为了保证在加固过程中可以有效加压，要求螺栓具有可靠的埋设，使其具有充足的抗拔能力。待钢板粘贴好后，迅速旋转膨胀螺栓的螺帽加压处理，这样有利于提高粘贴的耐久性。（7）检查粘贴质量加固完成后，首先应该检查钢板与构件粘贴表面是否有缝隙。如果存在缝隙，应立即用稠度较高的环氧树脂水泥砂浆粘结剂来冲塞。再用环氧树脂系列胶结剂将膨胀螺栓的螺帽封住。当上述补救措施不能及时产生效果时，应该把粘贴好的钢板拆下，打磨表面后重新进行粘贴。（8）表面处理环氧树脂粘结剂固化后，清除掉表面的杂物，用工具打磨，对已粘贴钢板的表面做防锈处理。在钢板部位挂网，在表面喷涂一层厚度大于3cm的M5砂浆，再涂抹两层防锈漆进行防护。第3章 连续刚构桥粘贴钢板加固设计及分析3.1 有限单元法3.1.1 有限元分析的概念35-38有限元法（或称有限单元法）是目前工程界中应用最为普遍的数值计算分析方法。由于它的通用性和有效性较强，在工程领域受到高度的关注。随着计算机科技的发展，其已成为计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助设计（CAD）的重要组成部分，现已发展成为计算机辅助工程（CAE）。航空航天和核工业对结构安全性要求较高，其是最早将有限元分析（FEA）用与结构安全性分析的领域。近20年以来，随着计算机科技的发展，有限元分析方法已经不仅仅运用在结构安全分析上，现有的有限元商业软件已经可以解决非常复杂的分析问题。有限元分析应用于对已有产品的优化设计和新产品的设计，用于验证在制造或建设前期过程中的设计规范，还用于调整现有的产品或结构形式，使其能满足新的设计要求。用简单形状的细小网格单元细分待分析的结构，在每个单元内部，用简单的多项式图形函数和节点位移确定位移变量的假定。由未知的节点位移进一步求得应力和应变方程。将平衡方程假定为矩阵的形式，这种形式的矩阵可在计算机上通过编程求解。节点位移可以通过刚度矩阵方程进行求解。一旦得到了节点位移，单元应力和应变也能够被求解。在每个模拟设计中，程序员能够插入大量的函数，这些函数可以使得系统为线形或非线性的形式。线性系统大大减少了复杂程度，通常它忽略了很多细微的加载和动作模拟；非线性系统计算形式更贴近实际，例如塑性变形、变化载荷等，同时它也能验证各种类型的破坏因素。不管商业软件的功能和扩展性能有多么神奇，它的本质都是将技术的理解和物理分析过程融入到分析中，只有这样才能选择合适的、精准的分析模型，并给出正确的定义和解释依据。3.1.2应用领域实际上，有限元是用来解决偏微分方程和常微分方程的一种高效的数学方法。正因为这样，它能够解决那些采用微分方程的形式描述的非常复杂的问题，当这些类型的方程出现在自然科学的各个方面时，有限元方法被多次运用到求解实际工程的问题中。由于高成本的计算处理年代已经过去，有限元分析有了被用来解决复杂和关键问题的历史。通常情况下，传统单方法不能提供足够的信息来确定土木工程建筑的安全工作限度。例如高层建筑、大的浮动桥或核反应堆的失败，其高昂的经济成本和恶劣的社会影响是我们无法承受的。近年来大量结构工程实际问题应用有限元分析方法得以成功解决。尤其航空工业更加依赖于这个技术。由于对飞机快速、结实、轻便和经济的要求，制造商必须依靠这个技术来保持竞争优势。但是更重要的是，为了安全，这个行业暴露出来的问题是零部件的制造成本高，同时它也是媒体关注的焦点，飞机制造商需要确保每个零件在发生破坏之前，提供停止使用的设计计划。有限元分析被用在大量产品生产和制造工业已有很多年，错误的产品设计将会带来极大的危害，例如一个大的制造商因为一个活塞设计错误而不得不收回一个模型，最后不得不更换100万个活塞。类似地，如果一个主要的部件出现错误，收入的损失远远超过了安装和替换部件所需要的成本费用，这还不包括相应事故所造成的环境和安全损失费用。有限元分析方法是解决工程问题尤为重要的工具，它经常被应用到以下工程领域中35:结构强度设计；结构流体分析；冲击分析；噪声；热分析；振动；碰撞仿真；流体分析；电分析；质量扩散；屈曲问题；动力学分析；电磁计算；金属成型。以物理实验作为标准的时代已经过去，现在看来它的成本确实太高了。现在，有限元的分析方法甚至渗透到最简单产品的设计评估。这是因为使用其他现有的方法通常不能精确和经济实惠地解决当前的设计问题。3.2有限元模型及参数选择3.2.1单元选取单元的选取在ANSYS建模分析过程中显得尤为重要，直接影响整个模型分析的准确性。1.混凝土单元混凝土为非均质的材料，它的力学性能会对实验模拟结果产生很大影响。本文有限元分析将选用SOLID95单元作为混凝土单元进行建模。SOLID95是SOLID45（3维8节点）高阶单元形式，此单元可以完成不规则几何形状的建模任务，但不会对计算的准确性造成影响；同时此单元的兼容性很好，SOLID95有20个经过定义的节点，每个节点都有3个方向的自由度（X,Y,Z方向），此单元在空间的方位不受限制，具有大变形、辐射膨胀、塑性、蠕变、应力刚度以及大应变的能力，并且提供不同的输出项37。图3.1 SOLID95单元 图3.2 Link8单元2. 钢筋单元通常情况下，选用LINK8对钢筋进行模拟。如图3.2：三维杆单元Link8是轴向的拉伸-压缩杆件单元，此单元具有两个节点，每个节点有三个自由度（沿X,Y,Z方向），可用来模拟两端铰接的空间杆件的具体受力情况，而不必考虑杆件的扭曲和弯曲带来的影响。解决很多工程问题过程中都会用到Link8来模拟空间桁架的杆件，三维线弹簧或者连杆等。在使用Link8单元进行建模的过程中需要注意以下几个方面39:（1）单元为匀质的等直杆件，且外力的合力只可能沿着杆件的轴线方向。杆件的长度大于0，即节点i和j不能重合，杆件的横截面的面积比零大；（2）假设温度在杆的长度方向呈线性变化趋势；（3）杆件内部的应力为均匀分布；（4）如条件允许，应该在分析的第一次迭代过程中考虑初始应变给应力刚度矩阵带来的影响；（5）单元不具备阻尼材料特性；（6）不能向单元施加流体荷载；（7）只允许应用应变强化刚度和大变形两种单元。在分析之前，必须为Link8单元输入如下表所列举的数据信息（通过前处理的具体操作来实现相关数据的传递）39。表3.1 Link8单元的输入数据输入项目变量名称单元名称Link8节点编号I,J节点自由度UX,UY,UZ实常数AREA,ISTRN材料参数EX,ALPX,DENS,DAMP表面载荷无体载荷温度：T(I),T(J)、热流量：FL(I),FL(J)特殊功能大变形，膨胀，塑性，蠕变，应力强化，单元死活3.2.2建立分析模型建模过程如下：（1）根据图3.3所示的横断面和图3.4所示的纵断面图进行模型的建立50。图3.3 桥梁横断面（单位：m）图3.4 连续刚构桥一T布置图（单位：m）（2）由于本桥模型的梁的高度是采用二次抛物线模拟的，所以可以利用关键点沿抛物线复制的方法来组合成小的体积（按施工阶段将各个阶段的体积定义成组），再将所有小体积进行粘合。（3）采用工作平面切分实体，切出预应力钢筋的具体方位。（4）将钢筋线单独筛选出分别赋予每个施工阶段的属性。（5）将体选出赋予每个施工阶段的特性。（6）将钢筋直线划分单元。（7）将体划分单元（映射网格划分）。（8）将每一阶段选出，定义成组。（9）根据施工阶段，分别杀死不需要的单元。（10）分析各个施工阶段的应力及内力变化。如下图3.5为理想状态下连续刚构桥模型：图3.5理想状态下连续刚构桥模型3.2.3划分网格及加载求解ANSYS网格的划分对数值模拟分析至关重要。网格划分的好坏直接影响后续结果质量的优劣，网格划分不合理会导致结果不收敛。所以在实际应用中一定要遵守网格划分的原则39：网格的数模程度直接影响到计算结果的精确，但是网格加密会增加CPU计算时间和需要更大的存储空间。理想的网格密度是结果不再随着网格的变化而改变的密度，即随着网格细化后，解没有发生显著的变化；如果可以合理的调整收敛控制选项同样可以达到满足要求的计算结果。网格几何形状要合理。质量太差的网格可能会终止运算。从直观效果来看，网格每个内角的差异不大，各边长度较均匀，不出现弯曲的现象，这样的网格计算出的结果较理想。在结构重点研究的位置，要保证划分网格的高质量性，即使极少数质量较差的网格也会对结果造成影响。模型包含多种不同的材料，不同材料之间的网格划分以及接触面的处理都很重要。本文加固梁的模型有混凝土、钢筋和钢板三种材料，应尽量保证各个单元节点相互重合，不会产生相对滑移的现象，使得各材料协同工作。柱下端施加的位移约束具体为：约束下端所有节点的全部自由度。梁两端节点施加Z向位移约束。依照公路桥涵设计通用规范40规定，公路I级车道荷载的标准值为q=10.5 kN/m。桥面宽12米，由规范可知是单向三车道，平常情况三个车道不可能同时满布均布荷载，所以按照规范应该乘以三车道折减系数0.78。所以均布荷载q=10.530.78=24.57kN/m。图3.6是网格划分、施加荷载约束和位移约束后的连续刚构桥模型图3.6 网格划分和加载后的模型图经过加载求解后，模型各方向的位移和主应力的结果见图3.7-3.10所示：图3.7 理想模型X方向位移图图3.8 理想模型Y方向位移图图3.9 理想模型Z方向位移图图3.10 理想模型第一主应力图3.3 损伤模型结构损伤模拟有多种方式，本文主要考虑损伤引起的截面刚度降低，通过将部分单元的刚度折减20%48来实现。损伤单元的位置见图3.11：图3.11 损伤单元示意图损伤模型各方向的位移和主应力的结果见图3.12-3.15所示：图3.12 损伤模型X方向位移图图3.13 损伤模型Y方向位移图图3.14 损伤模型Z方向位移图图3.15 损伤模型第一主应力图在相同荷载和约束条件下，理想模型和损伤模型结果对比见表3.2：表3.2 理想模型和损伤模型对比结构模型理想模型损伤模型增加率（-）/主梁X方向最大位移 （mm）0.250.2531.2%主梁Y方向最大位移（mm）52.9054.1962.45%主梁Z方向最大位移（mm）3.5073.5661.68%最大主拉应力（MPA）9.029.565.99%最大主压应力（MPA）2.572.611.56%3.4 加固设计应用粘贴钢板法对损伤模型进行加固设计，由于粘贴钢板的厚度，粘贴钢板的形状以及粘贴加固位置的不同会对加固结果产生影响41-47，因此设计了3组构件，比较各个构件的加固效果，从而得到相对优化的加固方案。3.4.1不同厚度粘钢加固模型第一组L1、L2、L3、L4粘贴钢板厚度分别为2mm，4mm，6mm，8mm41，图3.16-3.19为L1加固结果云图。图3.16 L1 X方向位移图图3.17 L1 Y方向位移图图3.18 L1 Z方向位移图图3.19 L1 第一主应力图L1、L2、L3、L4加固结果对比见表3.3表3.3 钢板厚度对加固效果的影响结构模型L1L2L3L4主梁X方向最大位移（mm）0.3480.3340.3230.314主梁Y方向最大位移（mm）51.06148.26246.06244.308主梁Z方向最大位移（mm）3.3273.0422.8122.63最大主拉应力（MPA）52.146.842.739.4最大主压应力（MPA）2.342.081.991.89 图3.20 不同钢板厚度的X方向位移 图3.21 Y方向位移和最大主拉应力 图3.22 不同钢板厚度的Z方向位移 图3.23 不同钢板厚度的最大主压应力由图3.20-3.23可知，钢板厚度的改变会给加固效果带来影响。相同荷载作用下，随着粘贴钢板厚度的增加，梁的挠度逐渐减小，最大主应力随之减小，经过加固的钢筋混凝土梁的承载力有所提高，与文献41所得结论相同。表中的有限元解与文献41中实验数据大致接近，本文的有限元解比实验结果小一些，其原因是在有限元分析中假定