桥梁加固方法及其优化设计研究与应用研究

张家顺 安 斌 孙 莹

（1.山东省青州市中晨艺术小镇画廊城凤凰艺术学院 262500）（2.日照交通规划设计院有限公司 276800；3.潍坊工程职业学院 262500）

0 引言

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。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。

1 连续刚构桥粘贴钢板加固设计及分析

1.1 有限单元法概述

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。

1.2 方法运用

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。

2 有限元模型及参数选择

2.1 单元选取

2.1.1 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。

2.1.2 钢筋单元

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，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。

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。（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。

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：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。网格几何形状要合理。质量太差的网格可能会终止运算。

3 模型设计与运用分析

3.1 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。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，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。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，与文献所得结论相同。

3.2 不同宽高比粘钢加固模型

第二组L5 和L6 为在L1 的基础上钢板宽度和厚度分别增加为原来的2 倍。

增加粘钢的厚度要比增加粘钢的宽度加固效果明显。所以，在实际加固维修工程中，优先考虑增加粘钢的厚度。

3.3 不同位置粘钢加固模型

在梁柱节点附近粘贴钢板加固，在加固材料完全相同的情况下，加固效果更好。与文献中试验结论一致。钢板厚度的改变对加固效果有影响，随着粘贴加固的钢板厚度的增加，经过加固的结构的承载力有所提高；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，加固效果更好。对比分析的结果可以为今后相关桥梁加固工程提供参考。

4 结语

利用ANSYS 合理建立连续刚构桥模型，能够有效地揭示结构的薄弱部位，比较真实的模拟构件的内力和变形，提高加固的效率。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，加固效果更显著。本文得到的有限元解比参考文献的实验结果小一些，其原因是在有限元分析中作出了一系列的假设，没有考虑实际工程中可能出现的多种情况，比如有限元分析中假设钢板与混凝土的接触表面黏结充分，导致两者结果之间存在差异。