知識預應(yīng)力碳纖維板加固梁正截面抗彎性能分析

1、預應(yīng)力碳纖維板加固梁正截面抗彎性能分析吳 羨1 徐振立2 許宏元2（1.廣東清連公路發(fā)展有限公司 清遠 511515 2. 西安瑞通路橋科技有限責任公司 西安 710068）摘 要：作為國內(nèi)公路橋梁加固首次采用的張拉碳纖維板技術(shù)，本文通過杜步大橋加固工程實踐，進行了預應(yīng)力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析，加固施工后進行了荷載試驗，通過理論和試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了分析理論的正確性和可靠性，并給出了相應(yīng)的計算公式，為今后推廣使用該技術(shù)提供借鑒參考。關(guān)鍵詞：橋梁加固；預應(yīng)力碳纖維板；正截面抗彎；1 預應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù) 碳纖維板材是目前建筑材料中耐腐蝕(氣候)性能最好的材料之一。已有的研究成果表

2、明：弱酸、弱堿、凍融循環(huán)、長時間日照等環(huán)境作用對碳纖維的力學性能及耐老化性能影響極小。目前常用的非預應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)，是在結(jié)構(gòu)受拉區(qū)域用化學膠粘劑粘貼碳纖維板材，使其與構(gòu)件混凝土及內(nèi)部鋼筋共同承受拉應(yīng)力。但這種加固工藝對碳纖維強度的利用率極低，因為碳纖維板材的彈性模量為165170 GPa，抗拉強度高達2800M Pa，要發(fā)揮抗拉強度需要1.7%的拉伸變形；而鋼筋的彈性模量一般為200 GPa，抗拉強度僅為300MPa左右，要發(fā)揮抗拉強度需要0.15%的拉伸變形。當碳纖維板材與構(gòu)件內(nèi)部鋼筋共同工作時，不考慮鋼筋原有的初始應(yīng)變，鋼筋屈服時碳纖維板材所能發(fā)揮的強度也僅為抗拉強度的8.8%；而在

3、讓碳纖維發(fā)揮全部強度所需要的1.7%的應(yīng)變下，混凝土結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生大的變形及明顯的裂縫。如上所述，碳纖維加固RC梁承載能力的提高是以較大的變形為代價的，因為碳纖維材料彈性模量與鋼筋相近、強度是鋼筋的10 倍，因此碳纖維材料發(fā)揮其強度時變形較大。預應(yīng)力碳纖維加固法可較好的解決該問題，提高開裂荷載、屈服荷載，改善使用荷載下的性能。國內(nèi)外許多研究人員及工程師對此技術(shù)進行了大量的研究，以期使預應(yīng)力碳纖維加固成為傳統(tǒng)碳纖維加固及其他加固技術(shù)的良好替代技術(shù)。本文研究應(yīng)用此技術(shù)，進行杜步大橋結(jié)構(gòu)加固工程的應(yīng)用與評估。2 杜步大橋概況及加固方案杜步大橋位于原107國道，現(xiàn)清（遠）連（州）一級公路上，橋長833m，

4、斜交角度90°，橋?qū)?1.5m，跨徑布置為27×30m，上部結(jié)構(gòu)采用預制預應(yīng)力混凝土T梁，下部橋臺采用重力式橋臺、擴大基礎(chǔ)，橋墩采用柱式墩、樁基礎(chǔ)。該橋設(shè)計荷載為汽車超20級，掛車120。在清（遠）連（州）一級公路升級改造過程中，由于路基施工標段在刷坡施工中防護不當，部分巨石砸落到杜步大橋上，造成右幅橋第一跨橋面及梁體嚴重破壞。加固方案采用了在其中3片T梁馬蹄側(cè)面張拉預應(yīng)力碳纖維板以補償原結(jié)構(gòu)承載力。1、順橋向在T梁馬蹄位置張拉單層碳纖維板，碳纖維板設(shè)計厚度2.4mm、寬度為60mm，抗拉強度2800Mpa，彈性模量1.65X104 Mpa，極限承載力為403.2KN，張拉

5、控制力為220KN。2、預應(yīng)力碳纖維板通過固定端與張拉端鋼構(gòu)件與T梁馬蹄側(cè)面連接，鋼構(gòu)件采用Q345鋼，鋼構(gòu)件表面采用整體鍍鋅防銹處理，鍍鋅外面再涂兩道紅色和銀色防銹漆；固定端和張拉端鋼構(gòu)件與混凝土梁采用M20高強錨栓連接。3、施工完畢后，應(yīng)在碳纖維板外表面涂抹涂料作為防護。3 預應(yīng)力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析1、非預應(yīng)力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析在分析過程中，考慮了材料的非線性，采用了如下假定：1）平截面假定，由試驗結(jié)果分析及各文獻資料可以看出，CFRP片材加固RC梁在純彎段范圍內(nèi)，其平均應(yīng)變分布滿足平截面假定。2）鋼筋采用完全彈塑性模型，不考慮強化段，其數(shù)學表達式如下：當時

6、，（） （1-1）當時， （1-2）3）不考慮混凝土的抗拉強度。 4）壓區(qū)混凝土采用 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50010）規(guī)定的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：（） （1-3） （） （1-4） （1-5） （1-6） （1-7）其中-對應(yīng)于混凝土壓應(yīng)變?yōu)闀r的混凝土壓應(yīng)力；-對應(yīng)于混凝土壓應(yīng)力剛達到時的混凝土壓應(yīng)變，當計算的值小于0.002時，應(yīng)取為0.002；-正截面處于非均勻受壓時的混凝土極限壓應(yīng)變，當計算的值大于0.0033時，應(yīng)取為0.0033；正截面處于軸心受壓時的混凝土極限壓應(yīng)變應(yīng)取為0.002；-混凝土立方體抗壓強度標準值；-系數(shù)，當計算的值大于2.0時，應(yīng)取為2.00。5）CFRP片材采用線

7、彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。2、預應(yīng)力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析預應(yīng)力碳纖維加固梁可按照普通預應(yīng)力混凝土梁理論計算預應(yīng)力碳纖維后混凝土梁的應(yīng)力狀態(tài)，參照預應(yīng)力碳纖維的施工工藝，基本上與后張法相同。施加預應(yīng)力碳纖維后，混凝土產(chǎn)生的法向應(yīng)力為： (2-l)式中： -預應(yīng)力碳纖維產(chǎn)生的合力，；-碳纖維預拉應(yīng)力；-加固前預應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)生的混凝土初始應(yīng)力；-碳纖維預拉應(yīng)變；-碳纖維面積；-碳纖維彈性模量；-加固梁截面面積；-截面重心至碳纖維合力點的距離；I -截面慣性矩；-截面重心至所計算纖維處的距離；-碳纖維抗彎計算折減系數(shù)。由于碳纖維用量較小，預拉合力不大，張拉過程中對原梁的性能影響較小，假定混凝土

8、在該應(yīng)力作用下處于彈性階段，則預應(yīng)力碳纖維后梁上下截面的應(yīng)變分別為： (2-2) (2-3)式中-加固梁下邊緣截面產(chǎn)生的壓應(yīng)變，壓為正；-加固梁上邊緣截面產(chǎn)生的壓應(yīng)變，壓為正；-加固梁下邊緣截面的初始壓應(yīng)變，壓為正；-加固梁上邊緣截面的初始壓應(yīng)變，壓為正；相應(yīng)階段碳纖維的預拉應(yīng)變?yōu)?，因此碳纖維鉆貼位置處混凝土法向應(yīng)力為零時的碳纖維應(yīng)變?yōu)椋藨?yīng)變即為碳纖維的超前應(yīng)變。參照二次受力的承載力計算方法，改碳纖維的滯后應(yīng)變?yōu)槌皯?yīng)變，即可得預應(yīng)力碳纖維加固梁正截面抗彎承載力的計算方法。3、預應(yīng)力碳纖維加固梁正截面抗彎承載力的計算1）破壞狀態(tài)為混凝土壓碎參照第二章計算公式，考慮碳纖維的超前應(yīng)變，其極限抗彎

9、承載力為： (2-4)混凝土受壓區(qū)高度x 按下列公式計算： (2-5)其中： 。2）破壞狀態(tài)為碳纖維拉斷當破壞狀態(tài)為碳纖維拉斷時，考慮碳纖維超前應(yīng)變，取中和軸高度為，相對受壓區(qū)高度。對受壓區(qū)高度的一半取距，忽略受壓鑰筋產(chǎn)生的作用，所以極限抗彎承載力為： (2-6)3）破壞狀態(tài)的判定（1）采用相對界限受壓區(qū)高度判定混凝土受壓區(qū)高度采用如下公式計算： (2-7) -受壓區(qū)高度，界限破壞時中性軸高度為： (2-8)按照普通鋼筋混凝土理論，界限受壓區(qū)高度，因此相對界限受壓區(qū)高度為： (2-9)若混凝土受壓區(qū)高度，則采用計算的受壓鋼筋應(yīng)力替換式（4-7）中受壓鋼筋強度，從而可計算受壓區(qū)高度。（2）采用拉

10、、壓區(qū)合力判定碳纖維加固梁破壞狀態(tài)的判斷還可采用下述方法：計算界限破壞時壓區(qū)合力及拉區(qū)合力，若，則破壞狀態(tài)為碳纖維拉斷；若，則破壞狀態(tài)為混凝土壓碎；若，則破壞狀態(tài)為界限破壞。及分別采用下述方法計算： (2-10) （2-11） (2-12) (2-13)4 靜載試驗為檢驗橋梁實際承載能力和工作狀況，綜合評價加固效果，結(jié)合杜步大橋的特點，進行了橋梁靜載試驗。4.1 測試方案 測試截面的確定（1）、試驗荷載作用下，跨中截面的最大應(yīng)力測試。（2）、試驗荷載作用下，大撓度觀測。 測點布置為了測試T梁在試驗荷載下的應(yīng)力(應(yīng)變)狀況，在1#、2#、3#T梁跨中腹板下部外側(cè)布設(shè)應(yīng)變片。測點布置如圖4-1所示

11、：圖4-1 跨中截面應(yīng)變測點布置圖對于撓度的測量選用精密水準儀測量，測點布置于跨中截面處。測點布置如圖4-2所示：圖4-2 跨中撓度測點布置示意圖 試驗荷載及試驗工況根據(jù)測試截面的活載內(nèi)力和撓度影響線，按最不利位置布載，在保證加載效率條件下，經(jīng)計算確定靜載試驗需用載重汽車20噸4輛?，F(xiàn)場進行車輛軸距、輪距等量測，裝載過磅，并按實際情況布置車輛荷載。4.2 試驗成果論值對比見表4-1、4-2，其撓度橫向分布曲線如圖4-3、4-4所示。撓度以向上變形為負，表4-1 跨中一級偏載工況撓度計算值、實測值與校驗系數(shù)測點編號試驗值 (mm)理論值 (mm)校驗系數(shù)平均校驗系數(shù)加載撓度殘余變形0.46表4-

12、2 跨中二級偏載工況撓度計算值、實測值與校驗系數(shù)測點編號試驗值 (mm)理論值 (mm)校驗系數(shù)平均校驗系數(shù)加載撓度殘余變形0.59圖4-3 偏載一級工況跨中截面撓度橫向分布圖圖4-4 偏載二級工況跨中截面撓度橫向分布圖 應(yīng)變在試驗荷載作用下各個工況相應(yīng)控制截面應(yīng)變實測值與計算值見表4-6，4-7，應(yīng)變值以拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓?yīng)變?yōu)樨?。?-3 跨中一級偏載載工況應(yīng)變計算值、實測值與校驗系數(shù)()()()表4-4 跨中二級偏載載工況應(yīng)變計算值、實測值與校驗系數(shù)()()()4.3 靜載試驗結(jié)論(1) 在幾種荷載工況下，撓度測試結(jié)果與理論值趨勢一致,基本吻合；(2) 結(jié)構(gòu)測試跨中撓度平均校驗系數(shù)在0.460.59之間，T梁跨中下緣應(yīng)變校驗系數(shù)在0.440.51之間，