濱海環(huán)境區(qū)梁構(gòu)件碳纖維加固作用評價

朱建方,戴 欣,胡若鄰

(1.濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司,山東濟南250101；2.中交四航工程研究院有限公司,廣東廣州510230)

濱海環(huán)境區(qū)梁構(gòu)件碳纖維加固作用評價

朱建方1,戴 欣1,胡若鄰2

(1.濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司,山東濟南250101；2.中交四航工程研究院有限公司,廣東廣州510230)

針對濱海環(huán)境區(qū)梁構(gòu)件碳纖維加固效果的問題,結(jié)合橋梁靜載試驗驗證的理念,對橋梁上部結(jié)構(gòu)碳纖維加固前后進行靜載試驗,通過比較碳纖維加固前后的位移、應力值,獲得碳纖維加固前后承載能力提高情況,同時了解碳纖維加固后,梁結(jié)構(gòu)是否滿足設計要求。通過靜載試驗結(jié)果分析可知：梁構(gòu)件碳纖維加固效果良好,可以推廣使用。

濱海環(huán)境；梁構(gòu)件；碳纖維；加固；效果評價

0 引言

我國海岸線蜿蜒曲長,沿海地帶分布著眾多的工業(yè)民用建筑、公路橋梁和港口碼頭。濱海環(huán)境對這些建筑物的耐久性產(chǎn)生重要影響,氯離子和硫酸根離子的侵蝕降低了建筑構(gòu)件的耐久性,使建筑構(gòu)件往往達不到規(guī)定的使用年限。在港口和濱海地區(qū)的建筑物中,許多建筑直接或間接地受到海水的影響,如沿海的港口、碼頭和船塢建設中采用的鋼筋混凝土樁、梁、橋面板和防波堤等?；炷两Ｆ脚_中的一些構(gòu)筑物更是長期處于海水浸泡的特殊環(huán)境中,不可避免地要受到海水的物理和化學侵蝕,造成混凝土表層剝離或內(nèi)部孔隙增大,呈蜂窩狀結(jié)構(gòu),或者因為鋼筋銹蝕形成順筋開裂、鋼筋斷裂等,使混凝土結(jié)構(gòu)強度降低甚至破壞。此外,構(gòu)筑物還要受到風浪的撞擊、凍融循環(huán)作用,大大加速建筑物的破壞［1］。

現(xiàn)階段,我國濱海地區(qū)已建成很多橋梁、碼頭等混凝土結(jié)構(gòu),能否確保濱海環(huán)境下的耐久性并延長其使用壽命,不僅關(guān)系到工程安全性和服役壽命的重大科技問題,也關(guān)系到所在地區(qū)經(jīng)濟能否健康發(fā)展的重大社會問題。特別是運營多年的橋梁結(jié)構(gòu),由于荷載及復雜的腐蝕環(huán)境,使得主梁出現(xiàn)各種病害,如混凝土開裂、破損、變形等,這就需要對梁體結(jié)構(gòu)進行有效的維修加固,甚至升級改造［2-3］。

為了避免結(jié)構(gòu)進一步腐蝕,碳纖維由于其耐腐蝕性,無疑是一種較適宜的加固材料,然而對于碳纖維加固效果,業(yè)界普遍抱有懷疑態(tài)度,特別是針對海工結(jié)構(gòu),加固的構(gòu)件往往在浪濺區(qū),碳纖維與結(jié)構(gòu)物之間的粘結(jié)劑在海水下凝固,從而影響碳纖維加固效果。為此,碳纖維水下粘結(jié)劑開始出現(xiàn),比如中交四航工程研究院開發(fā)了水下碳纖維粘結(jié)劑,并形成了成套海工結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù),不過還需要實際工程驗證碳纖維加固效果［4-6］。

本文以浙江舟山一個高樁碼頭引橋主梁維修加固工程為背景,該碼頭的梁構(gòu)件采用碳纖維加固,并應用了水下碳纖維粘結(jié)劑。為了評估碳纖維加固效果,在此,特別對碳纖維加固梁構(gòu)件進行數(shù)值模擬及試驗分析,分加固前及加固后兩個工況,分別比較實驗值與理論計算值,從而評價碳纖維加固效果。從評價結(jié)果來看,碳纖維加固碼頭梁構(gòu)件效果明顯。

1 加固方法

根據(jù)現(xiàn)場檢測情況,引橋縱梁14根(靠海側(cè)2跨)嚴重受損,另外14根(靠岸側(cè)2跨)產(chǎn)生銹脹大裂縫,需要對引橋縱梁進行碳纖維加固。

梁構(gòu)件粘貼碳纖維加固工藝流程如下：表面處理→涂底膠→找平→涂浸漬膠→粘貼碳纖維布→涂浸漬膠→防腐處理。加固前見圖1,加固后見圖2。

圖1 碳纖維加固前

圖2 碳纖維加固后

2 荷載試驗

2.1 檢算荷載

試驗荷載選取雙后軸重車進行加載,按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)要求,控制截面靜載試驗效率介于0.95～1.05之間,跨中截面的試驗彎矩和荷載效率如表1所示。

表1 試驗彎矩和效率系數(shù)

2.2 試驗方法

本次試驗根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)型式和特點,選擇引橋從岸側(cè)起的第1跨進行靜載試驗。

2.2.1 撓度測試

主要測試梁為中梁2#梁,測試在各級荷載作用下結(jié)構(gòu)各主要斷面的變形,一共9個撓度測點。撓度測試隨著荷載等級分級測試,采用百分表進行測試。如圖3所示,在撓度測點位置固定錨固釘,用鋼絲繩及鐵錘懸掛,在地上錨固百分表進行測試,其中地面用換填砂處理且用鋼板固定,百分表用磁性錨固在鋼板上。

圖3 百分表現(xiàn)場測試圖(單位:cm)

2.2.2 應變測試

應變測點一共有16個,應變測試斷面為a2、b2、c2三個斷面,每個斷面有4個測點,分別在離底面高度0 cm、35 cm、70 cm、100 cm處,實際布置時,可以做微調(diào),并用尺子測試出應變測試位置高度。應變測試隨著荷載等級分級測試,在測試位置貼好應變片,并涂好密封硅膠,將導線引出橋面集中測試。

2.2.3 裂縫監(jiān)測

檢測在試驗荷載作用下結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)展狀況。

2.2.4 試驗加載

靜載試驗主要測試在各級荷載作用下結(jié)構(gòu)的工作性能,包括各測點撓度、跨中截面應力變化等。 通過1輛550 kN雙后軸重車加載、卸載完成跨中正彎矩工況靜載試驗,試驗步驟為：(1)引橋空載,30 min后測試空載數(shù)據(jù)；(2)車輛倒退行駛至加載位置1,15 min后測量梁的撓度及應力；(3)車輛倒退行駛至加載位置2,15 min后測量梁的撓度及應力；(4)車輛駛離橋面,15 min后測試各個主梁的撓度及應力。試驗加載順序見表2。

表2 引橋靜載試驗加載表

3 試驗結(jié)果分析

3.1 撓度變形分析

加固前主梁的校驗系數(shù)為1.05,加固后主梁的校驗系數(shù)為0.95(見表3),滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)規(guī)定的校驗系數(shù)在0.6～1.1之間的要求。卸載后,實測最大撓度變形測點的相對殘余變位為：加固前11%,加固后3%,滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)中規(guī)定的小于20%的要求,說明結(jié)構(gòu)彈性恢復能力較好。

表3 滿載作用下跨中截面撓度分析表

主梁實測最大撓度變形值為：加固前1.75 mm,設計理論值為1.67 mm；加固后1.58 mm,設計理論值為1.7 mm。加固前的撓度值大于設計理論值,加固后撓度值小于設計理論值,說明加固后主梁剛度得到提高。實測最大撓度變形測點的相對殘余變位為：加固前11%,加固后3%。加固前遠遠大于加固后,說明加固后彈性變形能力得到大大改善。

3.2 應變分析

加固前主梁的校驗系數(shù)為1.04,加固后主梁的校驗系數(shù)為0.97(見表4),滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)規(guī)定校驗系數(shù)在0.6～1.1之間的要求。卸載后,可知橫梁實測最大應變測點的相對殘余應變?yōu)椋杭庸糖?%,加固后2%,滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)中規(guī)定的小于20%的要求,說明結(jié)構(gòu)彈性恢復能力較好。

表4 實測應變與理論應變對比情況

主梁實測最大撓度變形值為：加固前205 με,設計理論值為198 με；加固后196 με,設計理論值為202 με。加固前的應變值大于設計理論值,加固后應變值小于設計理論值,說明加固后主梁剛度得到提高。實測最大應變測點的相對殘余變位為：加固前7%,加固后2%。加固前大于加固后,說明加固后彈性變形能力得到大大改善。

3.3 裂縫觀測結(jié)果分析

在整個試驗過程中利用手電筒、裂縫測寬儀觀測新裂縫的產(chǎn)生和舊裂縫寬度的變化,試驗過程中未發(fā)現(xiàn)新裂縫的產(chǎn)生和裂縫寬度發(fā)生變化。

4 結(jié)語

(1)加固前后主梁試驗撓度及應變值求出的校驗系數(shù)均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)規(guī)定校驗系數(shù)在0.6～1.1之間的要求。說明加固前后結(jié)構(gòu)靜載試驗符合規(guī)范要求。

(2)加固前,主梁最大撓度及應變值稍大于設計理論值,說明結(jié)構(gòu)存在安全隱患,需要進行維修加固。

(3)加固后,主梁最大撓度及應變值均小于設計理論值,說明結(jié)構(gòu)滿足正常使用要求,結(jié)構(gòu)維修加固效果較好。

(4)實測最大撓度變形測點的相對殘余變位為：加固前11%,加固后3%。實測最大應變測點的相對殘余變位為：加固前7%,加固后2%。撓度、應變的殘余變位均是加固前大于加固后,說明加固后彈性變形能力得到大大改善,加固效果良好。

［1］ 楊榮君,秦武,沈斌,等.高樁碼頭結(jié)構(gòu)新型加固改造方案設計［J］. 水運工程,2013(10):122-127.

［2］ 丁祺. 高樁碼頭破損檢測及加固技術(shù)研究［D］.天津：天津大學，2010.

［3］ 鄭永來,楊揚.高樁碼頭加固方法分析［J］. 結(jié)構(gòu)工程師,2007 (1): 86-90.

［4］ 時蓓玲,吳鋒,孫穆.高樁碼頭結(jié)構(gòu)承載力檢測與評估方法［J］.中國港灣建設,2009(1):1-2.

［5］ 翁友法,時蓓玲,朱光裕.某高樁碼頭的荷載試驗和承載力評估［J］.水運工程.,2010(1):50-53.

［6］ 張芹,戴冠英. 南京煉油廠10號碼頭船舶荷載試驗分析［J］. 水運工程,1994(11):29-34.

U445.7+2

B

1009-7716(2015)09-0107-03

2015-04-20

朱建方(1979-),男,山東臨沂人,工程師,從事道路橋梁工程設計工作。