碳纖維片材對變截面連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)加固研究

劉 錦，李峰輝

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西 渭南 714000；2. 鄭州市交通規(guī)劃勘察設計研究院，鄭州 450000）

碳纖維片材對變截面連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)加固研究

劉 錦1，李峰輝2

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西 渭南 714000；2. 鄭州市交通規(guī)劃勘察設計研究院，鄭州 450000）

利用有限元軟件橋梁博士V3.1.0建立變截面連續(xù)梁橋的模型，分別在梁體模型的頂板和底板粘貼碳纖維片材后的結(jié)構(gòu)進行加載計算，通過計算分析碳纖維片材加固梁體結(jié)構(gòu)的受力，確保橋梁加固后的使用安全。結(jié)果表明，采用碳纖維復合材料（CFRP）加固的梁體，能有效提高橋梁的承載力，防止裂縫的進一步擴大。

碳纖維片材；連續(xù)梁；結(jié)構(gòu)加固；應力計算

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，公路交通量的不斷增加，很多橋梁已經(jīng)出現(xiàn)了各種病害，如梁體開裂、鋼筋裸露等。傳統(tǒng)加固橋梁的方法有增加截面、增補樁基等，但因施工時間長，樁基深度有限[1～2]，在很多橋梁加固中受到限制。而碳纖維加固技術(shù)因為高強高效、耐腐蝕、不增加自重、便于施工等優(yōu)點被廣泛采用[3]。碳纖維無論是片材還是棒材，加固橋梁都有顯著的優(yōu)勢，實驗表明，用質(zhì)量30 t重車對碳纖維片材加固的大箱梁加載，梁體裂縫沒有繼續(xù)擴大，撓度小于規(guī)范值，碳纖維片材在彈性范圍內(nèi)[4～5]，陸洲導等人在研究變截面箱梁加固中指出，碳纖維片材對橋梁裂縫處理能取得良好的效果[6～7]。

通過有限元軟件計算可知，用碳纖維片材加固后的橋梁不僅承載力得到較大的提高，同時動力特性也恢復到較好的水平，主梁的剛度也有所改善[8]，同樣，對于配筋較低或鋼筋銹蝕嚴重的梁、板進行抗彎和抗剪加固，也能取得很好的效果[9]。

研究主要介紹了碳纖維片材對變截面連續(xù)梁橋加固后取得的效果，運用有限元軟件橋梁博士，依托工程實例簡要分析橋梁加固后的受力特點，確保橋梁使用安全。

1 工程概況

射陽河大橋位于329省道阜寧城區(qū)改線段，在k009＋707.006處跨越射陽河，該橋中心線與射陽河航道中心線正交，射陽河航道為V級，通航凈空為B＝60 m、H＝5 m的矩形，主橋采用3跨連續(xù)梁跨越射陽河航道，兩側(cè)引橋采用30 m預應力混凝土組合箱梁，孔跨布置為（6×30）+（50+80+50）+（6×30）m，橋梁全長547.28 m，橋梁寬度組成為2×0.5 m（組合式護欄）＋11.5 m（行車道）+0.75 m（波形護欄），左右幅橋相隔0.5 m，橋梁總寬26 m，見圖1。

后期使用時發(fā)現(xiàn)，在射陽河大橋梁體的下緣和箱梁頂板下緣出現(xiàn)不同程度的裂縫，為保證橋梁使用安全，防止裂縫進一步擴大，設計決定采用碳纖維片材進行加固處理，恢復橋梁的承載力。

2 碳纖維片材特性及其加固方案

2.1 碳纖維片材特性

碳纖維復合材料在破壞之前能保持很好的線彈性變化，在碳纖維片材補強加固計算分析中，可以認為其應力/應變?yōu)榫€性關(guān)系，該直線的斜率即為碳纖維增強復合材料的拉伸彈性模量[10]。加固使用碳纖維片材的基本性能見表1。

圖1 主橋連續(xù)梁主體布置圖

圖2 碳纖維片材加固示意圖

2.2 加固方案

加固部位主要是箱梁的底板和頂板。首先，處理箱梁底板下表面和頂板下表面，用砂紙打磨平整光滑；其次，在打磨后的混凝土表面涂刷一層底層樹脂，然后涂刷碳纖維浸漬樹脂，涂刷完成后每隔25 cm在底板下表面縱向粘貼一層碳纖維片材，在頂板下表面每隔25 cm橫向粘貼一層碳纖維片材，為增加牢固，中跨設置兩層碳纖維片材（具體方案見表2）；最后，待樹脂粘結(jié)固化好，在碳纖維表面涂浸漬樹脂，以起到對碳纖維和樹脂的保護作用，見圖2～4。

3 全橋結(jié)構(gòu)分析

3.1 有限元分析

有限元法，是根據(jù)橋梁不同的結(jié)構(gòu)建立不同的模型，將模型離散成微小的有限的單元進行模擬，利用有限元方法得出數(shù)值解，用求得的有限數(shù)值解反映無限的數(shù)值解。有限元的程序能快速準確計算，極大的提高了效率，雖然只得出節(jié)點數(shù)值，但通過有限節(jié)點數(shù)據(jù)的分析可以反映全橋的受力狀態(tài)，能滿足工程的要求。

結(jié)構(gòu)分析采用平面有限元橋梁專用軟件橋梁博士V3.1.0，全橋共分為96 個單元，結(jié)構(gòu)離散圖見圖5。

表1 碳纖維片材基本力學性能表

表2 碳纖維片材加固方案

圖3 碳纖維施工

3.2 荷載類型

3.2.1 永久荷載

⑴ 恒載

一期恒載，主梁和鋼束自重；

二期恒載，橋面鋪裝和護欄自重。

鋼筋混凝土密度取2 650 kg/m3，橋面混凝土鋪裝采用2 550 kg/m3，瀝青混凝土鋪裝采用2 449 kg/m3；按圖紙計算出混凝土護欄的密度為942 kg/ m3，波形梁護欄密度為336 kg/m3。

⑵ 預應力

縱向預應力采用φs15.2高強度低松弛鋼絞線，標準強度1 860 MPa，設計張拉應力1 395 MPa；豎向預應力JL32精軋螺紋鋼筋，標準強度785 MPa，設計張拉力543.0 kN。

⑶ 收縮徐變

按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》取值。

⑷ 支座不均勻沉降

圖4 碳纖維片材施工流程圖

主墩2.0 cm，邊墩1.0 cm。

3.2.2 基本可變荷載

設計荷載標準：公路-I級

3.2.3 其他可變荷載

①溫度荷載。系統(tǒng)溫度，溫度變化±25 ℃；溫度梯度，按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》取值。

②地震作用。地震動峰值加速度0.1 g。

3.3 計算結(jié)果

⑴ 正應力計算

① 抗裂計算。持久狀況正常使用極限狀態(tài)在作用短期效應組合下，主梁應力見圖6：

從圖6中可以看出，主梁上緣均為壓應力，上緣最小壓應力為0.16 MPa，下緣跨中出現(xiàn)了拉應力，最大法向拉應力為-0.79 MPa，若按照全預應力構(gòu)件的要求，截面不能出現(xiàn)拉應力，跨中部截面未能滿足正截面抗裂要求。

② 壓應力計算（持久狀況應力驗算）。持久狀況正常使用極限狀態(tài)在作用標準組合下，主梁應力見圖7。

新《公橋規(guī)》第7.1.5條規(guī)范：使用階段對未開裂構(gòu)件，預應力混凝土受彎構(gòu)件正截面混凝土最大壓應力，應符合下列公式⑴規(guī)定：

式中：σkc為混凝土法向壓應力；σpt為預加力產(chǎn)生的混凝土法向拉應力；?ck混凝土軸心抗壓強度標準值（本橋為C50混凝土，取32.4 MPa）。

本橋在標準組合下上緣最大壓應力為15.15 MPa，下緣最大壓應力為12.57 MPa，均小于規(guī)范規(guī)定的0.5?ck＝0.5×32.4＝16.2 MPa，計算得出，梁體各個截面都能滿足壓應力要求。

圖5 結(jié)構(gòu)離散圖

圖6 短期效應組合下主梁上下緣最小法向應力

⑵ 主應力計算

① 短期效應組合Ⅱ下主拉應力見圖8。新《公橋規(guī)》第6.3條規(guī)范：斜截面抗裂應對構(gòu)件斜截面混凝土的主拉應力進行計算，全預應力混凝土構(gòu)件，在作用（或荷載）短期效應組合下，現(xiàn)場澆筑構(gòu)件應符合公式⑵要求。

式中：σpt為構(gòu)件混凝土中的主拉應力；?tk為混凝土軸心抗拉強度標準值（C50混凝土取2.65 MPa）；

本橋主梁在作用短期效應組合下，邊跨約1/4處及中跨1/4處最大主拉應力值最大，分別為1.54 MPa和1.66 MPa，均大于0.4×2.65 MPa =1.06 MPa，不能滿足規(guī)范規(guī)定要求。

② 標準主壓應力見圖9。新《公橋規(guī)》第7.1.6條規(guī)范：使用階段預應力混凝土受彎構(gòu)件正截面混凝土的主壓應力，應符合下列公式⑶：

式中：σcp為構(gòu)件混凝土中的主壓應力。

本橋在標準組合下有最大主壓應力15.2 MPa≤0.6×32.4 MPa=19.4 MPa，滿足規(guī)范要求。

③ 主橋箱梁抗彎極限承載力計算。箱梁縱向抗彎極限承載力計算表明，運營階段所有區(qū)域荷載效應組合值均小于主梁的承載能力設計值，主橋箱梁抗彎承載力滿足規(guī)范要求，見圖10～11：

由圖10～11可見，承載能力極限狀態(tài)下全橋的正截面抗彎強度滿足要求。

4 主橋橋面板受力計算

圖7 標準組合下主梁上下緣法向最大壓應力

圖8 短期效應組合下主梁下緣最大主拉應力

圖9 標準組合下主梁最大主壓應力

圖10 最大彎矩及其對應抗力圖

主橋橋面板采用橫向框架計算模式，沿主梁縱向取出1 m寬度，將車輪荷載按有效分布寬度計算出作用在每延米橋面板的荷載值為25 kN/m（單個車輪），沖擊系數(shù)取1.3，非線性溫度按照通用規(guī)范取值，在其實際作用范圍按橫向最不利加載。

箱梁橫向計算共劃分50 個單元，其中橋面板單元為1～30，結(jié)構(gòu)離散圖見圖12。

在短期荷載作用下，計算橋面板正應力、主拉應力，在標準荷載作用下，計算法向壓應力、主拉應力等，計算結(jié)果見圖13。

從圖13-a中可以看出，正常使用極限狀態(tài)短期效應組合下，行車道板上緣法向最大拉應力為-1.31 MPa≤0.70?tk=0.7×2.65= -1.855 MPa，能滿足規(guī)范要求，而下緣最大拉應力為-1.53 MPa≤0.7?tk=0.7×2.65= -1.855 MPa，能滿足A類構(gòu)件要求。

從圖13-b中可以看出，正常使用極限狀態(tài)短期效應組合下，行車道板懸臂根部最大主拉應力為-1.31 MPa≤0.50?tk=0.5×2.65= -1.325 MPa，能滿足規(guī)范要求，而中部下緣最大主拉應力為：-1.54 MPa≥0.5?tk=0.5×2.65= -1.325 MPa，略微超標，不能滿足要求。

圖11 最小彎矩及其對應抗力圖

從圖13-c中可以看出，正常使用極限狀態(tài)標準組合下，行車道板最大法向壓應力為11.84 MPa≤0.50?ck=0.5×32.4=16.2 MPa，能滿足規(guī)范要求，而中部下緣最大壓應力為9.32 MPa≤0.5?ck=0.5×32.4=16.2 MPa，均能滿足規(guī)范要求。

從圖13-d中可以看出，正常使用極限狀態(tài)標準組合下，行車道板最大主壓應力為11.84 MPa≤0.6?ck=0.6×32.4=19.44 MPa，能滿足規(guī)范要求，而中部下緣最大主拉應力為-1.53 MPa≤0.6?ck=0.6×32.4=19.44 MPa，同樣也能滿足規(guī)范要求。

5 碳纖維片材計算

分別選取中跨和邊跨梁體底板下表面及中跨頂板下表面的3 個碳纖維片材加固面，受力云圖見圖14～16。

圖12 橋面板單元結(jié)構(gòu)圖

圖13 橋面板計算結(jié)果

從圖14～16中可以看出，橋梁加固后，碳纖維片材與梁體共同受力，中跨明顯比邊跨的碳纖維片材受力要大，梁底比頂板的碳纖維片材受力要大，中跨底板碳纖維片材受力最大為0.7 MPa，頂板最大為0.4 MPa，邊跨底板最大為0.35 MPa，并且碳纖維片材受力不均勻。

圖14 中跨底板碳纖維片材受力圖

圖15 中跨頂板碳纖維片材受力圖

圖16 邊跨底板碳纖維片材受力圖

6 結(jié)語

對射陽河大橋梁體頂板和底板經(jīng)過碳纖維片材加固后，用橋梁博士計算全橋和橋面板在短期效應和標準組合狀態(tài)下的受力性能，重點分析了縱向全橋的正應力、主應力以及橫向橋面板的正應力、壓應力等，得出以下結(jié)論。

⑴ 通過計算可知，經(jīng)過碳纖維片材加固后，梁體的應力、抗裂、撓度、極限承載力等各項指標大部分滿足規(guī)范要求，各項性能有所改善，說明碳纖維片材能有效的提高橋梁的承載力，保證橋梁的使用安全。

⑵ 橋梁的跨度越大，在梁體的下緣以及橋面板的下緣就會受到越大的拉應力，雖經(jīng)碳纖維片材加固后，但抗裂性能仍不能滿足要求，說明碳纖維片材加固梁體的能力有限。

⑶ 通過碳纖維片材的應力云圖可以看出，碳纖維片材縱向使用加固梁體底板時的受力更大，更能發(fā)揮其加固作用。

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Study on the reinforcement of continuous beam bridge with variable cross section

LIU Jin1, LI Feng-hu2
( 1. Shanxi Railway Institute, Shanxi Weinan 714000; 2. Zhengzhou Transportation Planning Survey and Design Institute, Zhengzhou 450000 China )

By using the finite element software V3.1.0 to establish the bridge cross-section continuous girder bridge model, calculate the girder in the roof and floor model of CFRP structure loading respectively, through calculation and analysis of beam and carbon fiber structure of the force, and ensure the safe use of reinforced bridge, the results show that the carbon fiber composite material reinforcement the beam body, can effectively improve the bearing capacity of the bridge, to prevent cracks further expand.

carbon fibre; continuous beam; stress calculation; crack

TB334; U445.7

A

1007-9815（2016）06-0061-06

定稿日期: 2016-12-20

劉錦（1983-），男，陜西渭南人，碩士，助教，主要從事橋梁與隧道方面的研究，(電子信箱)douge1.414@163. com。