CFRP加固不同肋板式橋臺(tái)軸-偏壓性能研究

趙香玲，張小強(qiáng)，魏 強(qiáng)

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400044；3. 青藏鐵路公司，西寧 810000）

CFRP加固不同肋板式橋臺(tái)軸-偏壓性能研究

趙香玲1，張小強(qiáng)2，魏 強(qiáng)3

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400044；3. 青藏鐵路公司，西寧 810000）

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料（CFRP）對(duì)不同橋臺(tái)的加固效果，采用CFRP分別加固8、10、12和14 m肋板式橋臺(tái)，并進(jìn)行了軸和偏壓試驗(yàn)。結(jié)果表明：通過(guò)觀察橋臺(tái)裂縫，得出高度對(duì)CFRP加固橋臺(tái)的受力非常敏感；加之考慮中載、偏載及人群活載、混凝土收縮應(yīng)力、溫度荷載等因素作用下，作用荷載不變時(shí)，隨加固橋臺(tái)高度增加臺(tái)帽順橋向位移逐漸減小，橫向應(yīng)力以3％的增幅增大。利用有限元軟件Midas進(jìn)行模擬，與試驗(yàn)結(jié)果相比，吻合良好。

碳纖維復(fù)合材料；肋板式橋臺(tái)；加固；軸-偏壓試驗(yàn)；受力性能

0 引言

高速公路經(jīng)常穿過(guò)丘陵和山區(qū)，為滿(mǎn)足高速公路線路平緩要求，出現(xiàn)了高橋臺(tái)。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：8 m以下橋臺(tái)的運(yùn)營(yíng)良好；然而對(duì)于8 m以上的橋臺(tái)，在臺(tái)帽與肋板接觸處、跨中底部、承臺(tái)底部及帽頂會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂隙甚至裂縫，損壞了橋臺(tái)的整體性，運(yùn)營(yíng)的安全行受到威脅。孫治國(guó)[1]等人運(yùn)用有限元分析了高原大橋臺(tái)的地震破壞機(jī)理；祝志文[2]等人通過(guò)數(shù)值模擬橋臺(tái)局部沖刷，對(duì)橋臺(tái)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；賀薇[3]通過(guò)測(cè)試橋臺(tái)背后填土的水平位移，得出分層鋪設(shè)土工格柵可有效控制橋臺(tái)水平位移。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)橋臺(tái)的研究取得了一定成果，但對(duì)高橋臺(tái)從提高自身偏壓能力方面研究很少[4-～9]。試驗(yàn)利用CFRP技術(shù)對(duì)肋板式橋臺(tái)進(jìn)行加固和軸-偏壓試驗(yàn)，并利用有限元軟件Midas分析其受力性能。

1 工程背景

汕（頭）湛（江）高速公路云浮至湛江段（簡(jiǎn)稱(chēng)“云湛高速”）是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中“第二橫”的重要組成部分，項(xiàng)目將與已有高速公路形成連接云浮、湛江等市便捷通道。項(xiàng)目的建設(shè)完善了廣東省高速公路網(wǎng)布局和區(qū)域綜合運(yùn)輸體系，緩解國(guó)、省道交通壓力，推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。規(guī)劃如圖1所示。然由于沈海高速要進(jìn)行加寬，在林屋交通樞紐處，設(shè)計(jì)線路進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)優(yōu)化如圖2所示。

2 試驗(yàn)方案

由于設(shè)計(jì)變更，在林屋交通樞紐處，距沈海高速最近的10 座橋臺(tái)報(bào)廢。經(jīng)與中鐵七局集團(tuán)有限公司協(xié)商，將10 座肋板式橋臺(tái)用作現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究CFRP加固橋臺(tái)的力學(xué)性能。

在10 座橋臺(tái)中，將其中3 座用CFRP全包加固，并在頂部架設(shè)簡(jiǎn)易鋼梁，以便堆載，以砂袋方式進(jìn)行堆載，直到荷載設(shè)計(jì)值的30％，作為預(yù)載值進(jìn)行加載，其后進(jìn)行軸-偏壓試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如表1所示，試驗(yàn)過(guò)程如圖3～5所示。

圖1 云湛高速公路規(guī)劃圖

圖2 林屋交通樞紐優(yōu)化線路圖

表1 試驗(yàn)方案

圖3 橋臺(tái)制作

圖4 在CFRP加固表面粘貼應(yīng)變片

圖5 板式橋臺(tái)加載

按原設(shè)計(jì)，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用跨徑40 m[10]的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁[11]，橋面單幅寬12.75 m，雙車(chē)道，荷載為公路―I級(jí)，上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土。橋斷面由6 片T梁組成，為了使各片T梁相互聯(lián)系，兩片T梁之間添加0.3（H）×2.5（B）m橫向虛梁。下部結(jié)構(gòu)為肋板式橋臺(tái)，肋板橋臺(tái)高分別選取8、10、12和14 m，基礎(chǔ)采用8 根端承樁，橋臺(tái)的肋板上部由臺(tái)帽連接背墻和耳墻。肋板橋臺(tái)各部件尺寸如表2所示。橋臺(tái)三維效果如圖6所示。進(jìn)行偏壓試驗(yàn)，同時(shí)考慮各種外界因素考慮。

表2 不同高度橋臺(tái)各部位的具體尺寸

圖6 肋板結(jié)構(gòu)圖

3 不同橋臺(tái)高度下橋臺(tái)各部位的土壓力計(jì)算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》條文說(shuō)明第

4.2.3條規(guī)定為[12]：

式中：ΣG為B×l0面積內(nèi)車(chē)輪總重力；l0為填土棱體破壞長(zhǎng)度，l0=H×tanθ（m）；B為橋臺(tái)橫寬（m）；θ為破裂面與垂直線間夾角。

式中：α為橋臺(tái)與垂直面夾角，α=0；δ為填土與臺(tái)背面的摩擦角，一般為15°；φ、γ為土內(nèi)摩擦角及容重。

土壓力系數(shù)按規(guī)范4.2.3條：

式⑷中：β是填土面與水平面夾角，β = 0。

臺(tái)帽背墻的土壓力為：

力劈臺(tái)帽背墻的土壓力對(duì)臺(tái)身頂?shù)膹澗貫椋?/p>

計(jì)算上部結(jié)構(gòu)時(shí)按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.3.6條規(guī)定，計(jì)算汽車(chē)制動(dòng)對(duì)40 m跨徑橋梁產(chǎn)生的荷載。

不同橋臺(tái)高度各部位土壓力計(jì)算如表3所示。

4 CFRP高橋臺(tái)軸-偏壓有限元分析

利用Midas/Civil對(duì)跨徑為40 m橋梁分別在軸壓、偏壓下對(duì)CFRP加固橋臺(tái)及上部橋梁建模分析

[13～15]，添加溫度荷載、行人荷載、混凝土收縮應(yīng)力的影響。對(duì)CFRP加固橋臺(tái)頂部沿道路縱向間隔0.4 m和縱向?qū)挾? m進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)CFRP進(jìn)行建模（不考慮粘結(jié)劑的厚度）。三維模型如圖7～9所示。

4.1 不同橋臺(tái)高度對(duì)橋臺(tái)中載作用下受力特性分析

運(yùn)用Midas/Civil模擬CFRP加固橋臺(tái)軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)，將橋臺(tái)上部等效荷載加載在支座墊石上。橋臺(tái)主要承受切線方向土壓力、上部荷載及CFRP的套箍力，沿橋線路切線方向設(shè)為Y方向，橫橋向?yàn)閄、垂直橋面為Z方向。在靜荷載作用下對(duì)不同高度的肋板橋臺(tái)進(jìn)行線性分析，計(jì)算云圖如圖10～16所示。

表3 不同臺(tái)高時(shí)橋臺(tái)各個(gè)部位的土壓力

圖7 T梁的梁格模型

圖8 T梁橋三維效果

圖9 肋板模型圖

圖10 順橋向橋臺(tái)的位移(DY)

圖11 橫向軸應(yīng)力(SXX)

圖12 順向軸應(yīng)力(SYY)

圖13 垂直軸應(yīng)力(SZZ)

圖14 最大拉應(yīng)力(P1)

圖15 CFRP局部應(yīng)力分布圖

為了簡(jiǎn)化分析肋板橋臺(tái)受力數(shù)值模擬結(jié)果，重點(diǎn)選取承臺(tái)、地面、臺(tái)身頂面、臺(tái)身、臺(tái)身中點(diǎn)、臺(tái)帽中點(diǎn)以及邊緣節(jié)點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行位移應(yīng)力分析，總計(jì)22 個(gè)關(guān)鍵節(jié)，節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)圖17。DY為肋板橋臺(tái)順切線位移、SXX為橫向軸應(yīng)力、SYY為順向軸應(yīng)力、SZZ為垂直軸向應(yīng)力、P1為最大主拉應(yīng)力。

4.2 軸壓參數(shù)分析

4.2.1 同肋板橋臺(tái)高度在中心荷載作用DY位移分析

比較不同肋板橋臺(tái)高度在中心荷載作用下，各處橋臺(tái)DY變化曲線。得出盡管橋臺(tái)高度不同，但DY最大值都發(fā)生在肋板橋臺(tái)臺(tái)帽處，且最大值均為超過(guò)規(guī)范規(guī)定的3.16 cm。不同高度的肋板橋臺(tái)，其DY都是由其頂部到底部逐漸變小。結(jié)合云圖分析，得出隨著肋板橋臺(tái)高度的增加肋板底部的DY逐漸增大（見(jiàn)圖18）。

4.2.2 不同肋板橋臺(tái)高度在中心荷載作用下P1分析

隨著橋臺(tái)高度的變化，在相同節(jié)點(diǎn)處P1變化不顯著。但在肋板頂部和臺(tái)帽底部?jī)?nèi)側(cè)，變化較為突出，在肋板頂部14 m高橋臺(tái)P1＞8 m高橋臺(tái)的主應(yīng)力。P1達(dá)1.75 N/mm2，且臺(tái)帽跨中出現(xiàn)的P1＜C30混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（見(jiàn)圖19）。

4.2.3 不同肋板橋臺(tái)高度在中心荷載作用下軸向分析

由圖20分析SXX曲線可得出：不同高度橋臺(tái)巖X方向最大SXX均發(fā)生在臺(tái)帽跨中底部與肋板頂接觸的臺(tái)帽頂部，當(dāng)橋臺(tái)高度為10 m時(shí)最大SXX為1.78 MPa，最大SXX發(fā)生在橋臺(tái)高度為14 m的臺(tái)帽與肋板頂部外側(cè)接觸面處，最大值為2.5 MPa。由以上分析可知，在對(duì)高橋臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)肋板頂部外側(cè)配筋，以提高肋板承載了。

圖16 CFRP整體應(yīng)力分布圖

圖17 研究節(jié)點(diǎn)示意圖

圖18 中心荷載作用同肋板橋臺(tái)高度DY位移曲線圖

圖19 不同肋板橋臺(tái)高度在中心荷載作用下P1曲線圖

圖20 不同肋板橋臺(tái)高度在中心荷載作用下SXX分析圖

由圖21分析SYY曲線得出：橋臺(tái)高度不同橋臺(tái)各部位SYY不同，但其最大值均發(fā)生在承臺(tái)底部順橋向兩個(gè)樁基礎(chǔ)之間；而SYY并非完全隨橋臺(tái)高度的增加而增加，橋臺(tái)高度為10 m是最大其值為2.31 MPa，而橋臺(tái)高度為14 m時(shí)SYY為1.97 MPa；而在肋板底部與承臺(tái)接觸處，內(nèi)側(cè)隨橋臺(tái)高度變化顯著，橋臺(tái)越高其內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力越大。

由圖22分析SZZ曲線可知：不同高度橋臺(tái)的承臺(tái)到臺(tái)帽均處于受壓狀態(tài)，且承臺(tái)跨中區(qū)域各節(jié)點(diǎn)處壓力隨橋臺(tái)高度變化影響不大；臺(tái)帽跨中部位SZZ較大，橋臺(tái)高度14和8 m臺(tái)帽跨中SZZ＞12和10 m高度跨中SZZ。

圖21 不同肋板橋臺(tái)高度在中心荷載作用下SYY分析圖

圖22 不同肋板橋臺(tái)高度在中心荷載作用下SZZ分析圖

圖23 偏載作用下節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)力變化DY曲線圖

圖24 偏載作用下節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)力變化SXX曲線圖

圖25 偏載作用下節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)力變化SYY曲線圖

4.3 不同橋臺(tái)高度對(duì)橋臺(tái)偏載作用下受力特性分析

由圖23中DY曲線分析可得：當(dāng)不同高度肋板橋臺(tái)承受偏載作用時(shí)，肋板橋臺(tái)DY最大并均發(fā)生在肋板與臺(tái)帽接觸處的內(nèi)側(cè)和臺(tái)帽外邊緣處；相比中載作用下的DY變化，偏載時(shí)時(shí)順橋DY沿偏載側(cè)增大，其DY增大幅度不顯著；當(dāng)橋臺(tái)承受偏載時(shí)對(duì)肋板底部DY影響不大；比較橋臺(tái)高度為8、10、12和14 m，在偏載作用下最大位移變化曲線高度為8 m時(shí)順橋向DY最大為5.036 mm，14 m高橋臺(tái)DY最小為3.518 mm。

由圖24中SXX曲線分析得出：8、10、12和14 m橋臺(tái)橫橋向最大軸應(yīng)力拉應(yīng)力最大值，均發(fā)生在肋板與臺(tái)帽跨中底部的接觸處，分別為2.58、3.35、2.43和2.46 MPa，因此在設(shè)計(jì)高度不同的橋臺(tái)時(shí)，10 m橋臺(tái)臺(tái)帽處相比其他高度橋臺(tái)應(yīng)加強(qiáng)受力鋼筋的配置，橋臺(tái)其他部位的應(yīng)力值遠(yuǎn)＜C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，且大多部位均為受壓狀態(tài)，因此在高橋臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)僅需要配置適當(dāng)構(gòu)造筋。

由圖25中SYY曲線分析得出：在橋臺(tái)承受偏載作用下，不同橋臺(tái)高度順橋向軸向應(yīng)力最大值均在承臺(tái)底部順橋向的兩個(gè)樁基礎(chǔ)之間，且8、10、12和14 m高度肋板橋臺(tái)的最大軸向拉應(yīng)力分別為1.96、2.36、1.93和2.29 MPa；相比中載作用下SYY順橋向軸力，偏載作用時(shí)橋臺(tái)各部位順橋向軸向應(yīng)力有一定增加，并且在肋板橋臺(tái)外側(cè)軸向應(yīng)力增加顯著，說(shuō)明8 m及以上橋臺(tái)在受偏載時(shí)對(duì)其橋臺(tái)的順橋向拉應(yīng)力影響較大。

在比較分析不同高度橋臺(tái)在受偏載時(shí)，由圖26中SZZ曲線得出：垂直于橋面軸向應(yīng)力，在承臺(tái)、臺(tái)帽和背墻底部局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，由于混凝土抗拉強(qiáng)度較小因此兩肋板均處于受壓狀態(tài)，8、10、12和14 m高度橋臺(tái)最大壓應(yīng)力分別為9.90、9.44、9.93和9.45 MPa。

由圖27中P1曲線分析得出：分析偏載時(shí)作用下不同高度橋臺(tái)最大主應(yīng)力變化曲線圖，其最大值出現(xiàn)橋臺(tái)臺(tái)帽底部中間、肋板頂接觸的臺(tái)帽頂部、背墻底部和承臺(tái)底部等位置，且8、10、12和 14 m各最大主應(yīng)力分別為2.74、2.86、2.84和2.92 MPa且各處最大主應(yīng)力均＞C30混凝土2.01 MPa的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值。

圖26 偏載作用下節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)力變化SZZ曲線圖

圖27 偏載作用下節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)力變化P1曲線圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)云湛高速林屋樞紐工程中不同高度橋臺(tái)采用CFRP加固后，進(jìn)行軸壓和偏壓試驗(yàn)，并利用有限元軟件Midas模擬CFRP加固橋臺(tái)中載和偏載的受力性能，得出以下結(jié)論：

⑴ 通過(guò)軸-偏壓試驗(yàn)，充分說(shuō)明CFRP能夠有效提高橋臺(tái)的承載力和穩(wěn)定性；通過(guò)有限元軟件模擬后發(fā)現(xiàn)：橋臺(tái)高度相同時(shí)，中載和偏載對(duì)臺(tái)帽DY位移影響不大；作用荷載不變時(shí)，隨橋臺(tái)增高臺(tái)帽DY位移逐漸減小且各特征節(jié)點(diǎn)處位移均＜0.5√L。

⑵ 根據(jù)橋臺(tái)應(yīng)力云圖可得出：跨徑40 m的橋梁在中載和偏載作用下，隨著臺(tái)高的增大，CFRP的應(yīng)力逐漸增加，速度呈增加趨勢(shì)；而對(duì)于臺(tái)帽，SXX應(yīng)力以3％的增幅增大。

⑶ 在CFRP加固肋板P1應(yīng)力均發(fā)生在靠近橋跨方向與樁基接觸的正上方，且隨橋臺(tái)高度的增大而增大；P1應(yīng)力隨肋板厚度的增加其值有所減小。

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The inf uence analysis of the different abutment height on the ribbed plate-type abutment stress characteristics

ZHAO Xiang-ling1, ZHANG Xiao-qiang2, WEI Qiang3
( 1. Shaanxi Railway Institute, Weinan Shaanxi 714000 China; 2. School of civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044 China; 3. The qinghai-tibet railway company, Qinghai Xining 810000 China )

Research on axis-eccentrically compression of the CFRP reinforce different ribbed-plate type abutment for studying the reinforcement effect of the carbon fiber reinforced polymer(CFRP) to different abutment further. The axis-eccentrically compression is conducted with CFRP to reinforce 8 m, 10 m and 12 m, 14 m ribbed-plate abutment. The experimental results showed that: By observing abutment cracks, the height is sensitive for the CFRP reinforced abutment stress; Under the influence of the load and partial load of car, the crowd load and temperature load, creep and shrinkage of concrete, the loading is unchanged, the cap displacement along the bridge decreases with the reinforced abutment height increase, the lateral stress increase with 3％. The finite element software Midas is used to simulation, and it is good agreement with experimental results.

CFRP; rib-plate-shaped bridgeabutment; uniaxia-bias test; FIM Midas

U443.21; TQ327.3

: A

: 1007-9815（2016）03-0026-08

定稿日期: 2016-05-12

陜西省渭南市科研發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2015KYJ-3-2）

趙香玲（1988-），女，陜西西安人，助教，碩士，主要從事橋梁與隧道方面研究，(電子信箱)624602536@qq. com。