超高性能混凝土U形包裹加固钢筋混凝土T梁研究_吕长荣.pdf
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1、0引言大型桥梁作为重要的交通设施,一旦出现事故将会对大范围地区的交通、经济和社会生活造成较大影响。随着交通事业的快速发展,诸多桥梁的原设计荷载已不符合现行JTG D602015公路桥涵设计通用规范的要求1。从可持续性发展的角度考虑,对于已建成,特别是运营时间较长的桥梁,采取超高性能混凝土 U 形包裹加固钢筋混凝土T 梁研究吕长荣1,刘鹤1,亓兴军1,*,米家禾1,郭冬梅1,张朋2(1.山东建筑大学 交通工程学院,山东 济南250101;2.山东省公路桥梁建设集团有限公司,山东 济南250101)摘要:为改善简支T梁损伤累积导致的抗弯、抗剪承载能力不足等问题,提出了采用超高性能混凝土(UHPC)
2、U形三面包裹T梁底板和腹板的加固方案,建立了T梁加固前和采用加固后的非线性有限元模型,进行了四点弯曲试验及抗剪试验数值模拟,通过对比加固前后荷载-位移曲线,分析了加固前后的抗弯、抗剪性能。结果表明:基于ABAQUS软件模拟T梁抗弯剪试验的准确性较高,可用于后续桥梁的加固分析;采用C120、C150强度等级UHPC加固后的T梁在极限抗弯承载能力上较加固前分别提升了69%、77%;在相同剪跨比下,加固后T梁的抗剪承载力和抗变形性能显著提升;加固后有效地抑制了损伤的发展,为T梁提供了较大安全储备。关键词:T梁;桥梁加固;超高性能混凝土;承载力中图分类号:TU528.7文献标识码:Adoi:10.19
3、761/j.1000-4637.2023.07.046.05Research on ultra-high performance concrete U-shaped wrapped reinforcedconcrete T-beamsLYU Changrong1,LIU He1,QI Xingjun1,*,MI Jiahe1,GUO Dongmei1,ZHANG Peng2(1.School of Transportation Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China;2.Shandong RoadBridgeCons
4、truction Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,China)Abstract:In order to improve the problems of insufficient flexural and shear bearing capacity caused by theaccumulation of damage in a simply supported T-beam,a reinforcement scheme of reinforcing the bottom plate and web ofreinforced concrete T-beam with U
5、-shaped wrapped reinforcement was proposed.A nonlinear finite element model of theT-beam before strengthening and after strengthening with UHPC reinforcement was established,and numerical simulationsof four-point bending test and shear test were carried out to compare the load-displacement curves be
6、fore and afterstrengthening,and the differences in flexural and shear performance between the two were analyzed.The results indicatethat the accuracy of simulating T-beam flexural and shear tests based on ABAQUS software is high and can be used forsubsequent bridge reinforcement analysis.The ultimat
7、e flexural load capacity of the T-beam after strengthening with C120and C150 UHPC is increased by 69%and 77%respectively compared with that before reinforcement.The shear loadcapacity and deformation resistance of the reinforced simply-supported T-beam can be significantly improved under thesame she
8、ar-to-span ratio.The UHPC reinforcement effectively inhibits the development of damage,and provides a largersafety reserve for the reinforced concrete T-beam.Keywords:T-beam;Bridge reinforcement;Ultra-high performance concrete(UHPC);Bearing capacity基金项目:山东省交通运输厅科技计划项目(2022B06);山东省企业技术创新项目(2022501017
9、26、202160101415)。2023年第7期混 凝 土 与 水 泥 制 品2023 No.77月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTSJuly46-何种经济有效的加固技术来提高旧桥的承载能力已成为我国公路工程建设领域的重要课题。在进行桥梁加固设计时,针对不同缺陷与病害,采取合适的加固材料来延缓桥梁裂缝的产生和发展是提高桥梁承载力的关键。近年来,随着纤维混凝土(FRC)、高性能混凝土(HPC)、超高性能混凝土(UHPC)等纤维凝胶材料的出现,其在实际工程中得到了广泛应用2。随着国内外相关学者的不断探索和研究3-6,UHPC材料在桥梁加固工程中得到了较广泛的应用
10、7。ALAEE等8在2003年进行了预开裂钢筋混凝土梁在采用UHPC加固后的抗弯性能试验,结果表明,在UHPC加固层厚度较小且无配筋的情况下,构件抗弯承载力提高了66%;2004年,瑞士采用30 mm厚的配筋UHPC修复了旧桥桥面板破损,并增强了其抗冲击能力9;2017年,美国联邦公路局采用UHPC加固了工字钢梁10,其承载力提高了28%;2011年,我国首次将UHPC用于肇庆马房大桥加固工程11,该钢-UHPC组合桥面体系至今运营良好;2016年,蕰藻浜大桥因槽型梁混凝土碳化严重,出现底板裂缝及腹板竖向裂缝,采用UHPC加固后效果较好12。上述研究均表明了UHPC加固桥梁结构的优异性,但目前
11、同时考虑主梁抗弯、抗剪性能优化的加固方法较少13-15。鉴于此,本文以跨径20 m的钢筋混凝土简支T梁桥为研究对象,提出一种U形三面配筋UHPC包裹T梁腹板和底板的加固方法。通过ABAQUS有限元软件,分别建立T梁加固前后的有限元模型,对比分析T梁加固前后的抗弯、抗剪性能,为UHPC加固旧病桥梁工程应用提供参考。1工程概况佟家庄大桥位于泰莱高速公路泰安段,桥梁全长270.66 m,桥面宽度为2.00 m11.20 m,上部结构为13孔20 m跨径的装配式钢筋混凝土简支T梁。该桥于1993年建成通车,原设计荷载等级为汽-20、挂-100,2009年维修改造将原水泥混凝土铺装改造为沥青混凝土铺装。
12、现桥面铺装为13 cm厚水泥混凝土+9 cm厚沥青混凝土。桥梁上部结构标准横断面见图1。2承载力验算由于交通量的日益增加,现将原设计荷载提高至公路-级。现有荷载组合如下:恒载为T梁、横隔梁、桥面铺装等结构自重。汽车荷载按公路-级荷载、车辆荷载计算按3车道设计,考虑横向折减。T梁加固前跨中截面弯矩Md、梁端剪力Q0的计算结果见表1。T梁受拉主筋采用直径32 mm和16 mm的HRB335,混凝土设计强度等级为C40,考虑结构长时间的劣化作用,按C35进行数值模拟分析计算。3加固方案通过对原结构底部及腹部3面钻孔植筋,采用U形UHPC三面包裹原T梁的腹板和底板,从而增大简支T梁的有效高度和受拉钢筋
13、的面积,提高原结构的承载力。具体参数如下:梁底增加10 cm,左右侧面各增加3 cm,跨中U形截面高度38 cm,支点U形截面125 cm,受拉区增设直径为16 mm的HRB400钢筋,并设置箍筋。加固后T梁跨中与支点截面见图2。4有限元模拟4.1参数及单元选取采用ABAQUS软件建模时,对T梁和加固层选图1桥梁上部结构标准横断面(单位:cm)Figure 1Standard section of bridge superstructure表1T梁加固前承载力计算值Table 1Calculated bearing capacity of T-beamsbefore reinforcement
14、梁号Md/(kNm)Q0/kN1#2#3#4#5#6#7#2 682.292 605.072 494.222 382.182 502.562 624.492 710.01536.60572.61568.15563.63568.49573.40545.84(a)跨中截面(b)支点截面图2加固截面示意图(单位:cm)Figure 2Diagram of reinforcement section1 02550451301601601601601601601601#2#3#4#5#6#7#9 cm沥青混凝土13 cm水泥混凝土5777763824301424194051252430超高性能混凝土U形
15、包裹加固钢筋混凝土T梁研究吕长荣,刘鹤,亓兴军,等47-(b)截面尺寸及配筋图4试验梁尺寸及配筋(单位:mm)Figure 4Dimensions and reinforcement of test beam用三维实体单元,加载点选用解析刚体,纵筋和箍筋选用线性桁架单元,将所有钢筋合并,整体内置在T梁与加固层中。主要部件单元类型选取见表2。加固材料分别采用强度等级为C120、C150的UHPC,对加固前后的模型进行四点弯曲加载抗弯性能试验和抗剪性能试验,主要测量模拟梁的挠度变化情况、荷载特征值、损伤情况等。4.2梁体混凝土本构依据GB 500102010混凝土结构设计规范(2015年版)16中
16、的参数确定应力-应变关系,结合损伤因子d设置混凝土结构塑性损伤模型。数值模拟中采用的C35混凝土轴心抗压强度为23.40 MPa,抗拉强度为2.20 MPa。塑性损伤参数见表3。4.3钢筋本构模型模拟的HRB335钢筋屈服强度为336.0 MPa,极限抗拉强度为489.0 MPa,塑性应变为60 658。HRB400钢筋屈服强度为400.8 MPa,极限抗拉强度为580.5 MPa,塑性应变为69 621。钢筋的弹性模量和泊松比分别为200.6 GPa和0.3。钢筋双折线模型见图3。4.4UHPC本构模型UHPC本构模型采用塑性损伤模型,其应力-应变关系选用了杨剑等17提出的UHPC单轴受压应
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