梁頂提升主動卸載加固RC梁及其界面應力分析

李宗哲，　王孝兵，　高榮雄，　胡方杰 ，　樂　穎，　周文瑋

(1.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室， 湖北　武漢　430040；2.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司， 湖北　武漢　430040；3.華中科技大學　土木工程與力學學院， 湖北　武漢　430074)

?

梁頂提升主動卸載加固RC梁及其界面應力分析

李宗哲1,2，王孝兵2，高榮雄3，胡方杰3，樂穎3，周文瑋3

(1.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室， 湖北武漢430040；2.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司， 湖北武漢430040；3.華中科技大學土木工程與力學學院， 湖北武漢430074)

摘要：粘貼纖維或鋼板加固具有顯著優(yōu)點，但由于應變滯后等原因，后加的高強材料無法充分發(fā)揮作用，材料利用率較低。本文所提出的梁頂提升主動卸載加固法通過改變結(jié)構(gòu)在增設(shè)后加材料時的初始力學狀態(tài)，靈活改變提升點個數(shù)、位置和卸載度，提高后加材料與結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作能力，改善被加固結(jié)構(gòu)在使用階段的力學性能。探討了提升點位置、頂升力與結(jié)構(gòu)效應間關(guān)系，提出了合理提升點及卸載度確定原則。進一步深入分析了后加材料與結(jié)構(gòu)的粘結(jié)應力和剝離力，并與常規(guī)方法進行了對比。

關(guān)鍵詞：梁頂提升主動卸載加固法；提升點；卸載度；粘結(jié)應力；剝離力

交通事業(yè)快速發(fā)展，密集的建設(shè)期之后，必將面臨著大量的維修加固。同時，基于我國橋梁工程建設(shè)從規(guī)劃、設(shè)計到工程竣工建設(shè)周期短，有些甚至是邊設(shè)計邊施工的特點，加上大量在役設(shè)計荷載等級偏低的老橋，以及實際運營車輛載重的不規(guī)范性、交通量快速增長和大量除冰氯鹽的使用等結(jié)構(gòu)服役環(huán)境的日趨惡化，可以預見的是：未來很長時間內(nèi)，大量橋梁將面臨維修加固。我國工程建設(shè)的重心也將逐漸轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)物的管養(yǎng)維護上。

橋梁加固方式多樣，但大致可劃分為主動加固和被動加固兩大類[1,2]。被動加固的主要特點是：新增材料僅參與后加載荷(車輛荷載和后加恒載等)的受力，對加固時已經(jīng)存在的載荷不起作用，其應變滯后于原構(gòu)件材料[3]。如擴大截面法、補焊鋼筋、粘貼鋼板和復合纖維材料等。主動加固通過一定措施，改善原構(gòu)件受力狀態(tài)，新增加材料不僅參與后加荷載的作用，也部分參與加固時已經(jīng)存在的恒載作用。此外，主動加固還可以通過調(diào)控新增材料參與共同受力的程度，使加固部分的材料應變不滯后或部分滯后于原材料[4,5]，可大幅度提高加固效果。如體外預應力加固、預應力碳纖維加固等。

由于橋梁病害多樣，產(chǎn)生機理不盡相同，同時受設(shè)計、施工和材料等多因素制約，每種加固方式均有其適用場合。但不論采用何種加固方法，基于橋梁結(jié)構(gòu)自重大的特點，加固基本上都是帶載進行。構(gòu)件的自重和已有恒載內(nèi)力及其變形由原結(jié)構(gòu)承擔，活載和新增恒載產(chǎn)生的效應由加固后的組合截面承受。大量的橋梁內(nèi)力分析表明，活載內(nèi)力占截面總效應的比例通常不高?？缍仍酱螅钶d效應比越低。有些大跨度的混凝土橋梁，活載內(nèi)力甚至占總內(nèi)力的10%都不到。因此，橋梁加固的特點導致結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)時，新增材料無法充分發(fā)揮作用，實際加固效果大大低于預期，導致橋梁結(jié)構(gòu)處于較大風險中運行。舉例如下：

圖1　某T梁構(gòu)造/cm

采用碳纖維進行加固時，橋面封閉交通。根據(jù)平截面假定和忽略受拉區(qū)混凝土的抗拉作用，在活載作用之前，截面受力如下：

按照矩形截面初步分析得，截面受壓區(qū)高度x=195.8 mm>T型截面翼緣板厚度hf′=150 mm，為第二類T形截面，則：

求得，實際受壓區(qū)高度x=242.7 mm(圖2)；該狀態(tài)下受拉區(qū)鋼筋的應力σs=112.78 Mpa；受拉壓鋼筋應變εs=563.9 με。

圖2　截面應變

此時梁體已經(jīng)開裂，在此基礎(chǔ)上采用碳纖維布在梁底面加固，加載至極限破壞狀態(tài)時，梁體內(nèi)部受拉鋼筋達到屈服狀態(tài)，受壓區(qū)混凝土被壓碎。假定在破壞時，膠層還保持良好，則新增加碳纖維的應變增量ΔεCFRP可計算如下：

在極限狀態(tài)，碳纖維的對應應力δCFRP為：

δCFRP=ΔεCFRP×Ef=341.9 MPa

式中：h為梁高；h0為梁有效高度；Δεs為受拉鋼筋應變增量；ΔεCFRP為碳纖維應變增量。

該應力約占纖維標準強度的11.3%。由此可見，在未采取任何措施的前提下，直接在梁底部粘貼高強纖維材料，雖然可以提高構(gòu)件承載力，但極限狀態(tài)下，后加材料的強度遠未發(fā)揮作用。

因此，采用直接粘貼纖維(布)等板材的加固方案，由于受構(gòu)件分階段受力的影響，新增材料僅在二次受力階段才發(fā)揮作用[6]。然而，橋梁結(jié)構(gòu)通常恒載占相當大的比重，加固之前結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在較為顯著的初始應變，新增材料的高強抗拉性能難以得到發(fā)揮，實際加固效果無法達到預定目標，不僅不經(jīng)濟，且隱含的風險可能沒有充分意識到。

為改善被加固結(jié)構(gòu)的受力性能，充分發(fā)揮粘貼高強材料的作用，本文研究加固之前對構(gòu)件進行卸載，探索合理可行的卸載方式，并對主動卸載粘貼纖維加固法的結(jié)構(gòu)受力性能進行深入分析。

1梁頂提升主動卸載加固法

1.1梁頂提升卸載原理

主動卸載加固法的基本原理就是，在結(jié)構(gòu)被加固之前，通過一定的措施，事先降低結(jié)構(gòu)受到的恒載內(nèi)力，然后再實施加固，從而提高后加材料參與共同受力的程度，改善結(jié)構(gòu)受力性能。該方法需要事先對結(jié)構(gòu)進行卸載，卸載的方式通常通過拆除橋面鋪裝和梁底頂升來實現(xiàn)。然而，由于河床水深、橋下凈空和交通要求等條件限制，大多數(shù)橋梁無法從橋下直接頂升，或者代價較高。本文提出的梁頂提升主動卸載法是一種非常有效的方式。除了需要中斷橋面交通外，該方式不受橋下狀況限制，可以方便地調(diào)整卸載度，通過兩端壓重或植筋錨固，可以較大幅度提高卸載度。而且卸載支架移動、安裝便利。該方法的技術(shù)方案具體見圖3。

圖3　梁頂提升主動卸載原理

如圖3所示，梁頂提升卸載通過在梁頂設(shè)置拼裝式反力支架，支架支點盡量靠近支座對應的橋面附近，但對于簡支體系結(jié)構(gòu)，不宜將支架支點置于其它跨。這樣做的目的，一方面是避免卸載時梁體局部應力集中；另一方面可增加支座反壓力，從而提高卸載度，以免支座產(chǎn)生負反力，梁體脫離支座。支架橫梁上適當位置設(shè)置一道或多道提升點(圖示兩點提升)，提升拉桿一端固定在梁頂(可通過植筋或焊接在梁頂內(nèi)部鋼筋上或兜吊方式)，另一端穿過設(shè)置在橫梁上的千斤頂，張拉千斤頂即可實現(xiàn)梁體提升(即卸載過程)。千斤頂張拉行程可精確控制卸載度。此外，通過在支架底部安裝行走輪，可以方便快捷移動，利于在橋梁加固中實際應用，提高加固效率。

1.2提升點及卸載度(提升力)

盡管主動卸載法綜合了主動和被動加固法的優(yōu)點，但頂升點及卸載度的設(shè)置優(yōu)劣直接影響其優(yōu)越性能的發(fā)揮。除了考慮施工可行性等外界因素外，提升點及卸載度的確定可參照如下原則進行：

(1)應力控制：控制截面(如：跨中截面)上緣應力趨于零或不超出混凝土抗拉強度；

(2)變形控制：梁體底面頂升至水平或向上微彎狀態(tài)。

以跨度為L的簡支梁為例(圖4)。簡支梁在恒載作用下，采用兩點對稱頂升(梁頂升間距為L1)，頂升力為N，則頂升力與頂升位置的關(guān)系如下：

圖4　簡支梁頂升示意

若以頂升點對應的截面上緣應力降至0作為頂升控制條件，則可建立如下方程組：

(1)

式中：X1、X2為支反力；g為恒載集度。

在頂升力作用下，梁體底面撓度方程為：

(2)

式中：a=(L-L1)/2;b=(L+L1)/2；x為梁上任一點距支座x1端的距離；EI為梁截面剛度。

頂升位置及卸載度(頂升力)確定：為確定較佳的頂升位置和卸載度，可以從L1=0開始按照橋跨的L/24級差(甚至更小級差)進行頂升位置調(diào)整，以控制截面上緣應力大小及梁體底板水平度為原則確定。

2截面應力分析

受彎構(gòu)件采用主動卸載加固技術(shù)進行加固前后的截面應力狀態(tài)如圖5所示。加固前截面上緣受壓，下緣受拉(若原構(gòu)件為預應力結(jié)構(gòu)，則由于原有預應力效應，也可能截面上下緣受力狀態(tài)恰好相反)，頂升后在梁底粘貼纖維，當移除頂升力之后，梁體在恒載作用下，逐漸恢復下?lián)蠣顟B(tài)。此時，由于纖維受拉，膠層與纖維之間產(chǎn)生粘結(jié)應力τbf，該粘結(jié)應力反作用于梁底，相當于在梁底面施加了“預應力”，使得在同樣載荷作用下，改善了截面應力狀態(tài)，截面拉壓應力均得到降低，降幅可由卸載度(頂升力)人為調(diào)控。另一方面也抑制梁體的下?lián)虾烷_裂，提高了(恢復)梁體剛度。

圖5　正截面應力狀態(tài)

回到圖1所示的20 m鋼筋混凝土簡支T梁，按照圖4的兩點頂升，頂升間距L1=5 m，控制條件為：恒載作用下，頂升點對應的截面上緣應力降至0，則根據(jù)(1)式可得，頂升力為：

應用該頂升力對梁體進行主動卸載加固，當加固完成卸去頂升力時，根據(jù)彈性階段截面受力特性，計算得到跨中截面梁底碳纖維即產(chǎn)生526.9 με微應變。在此基礎(chǔ)上，加載至極限破壞狀態(tài)時，假定破壞條件也同樣是梁內(nèi)部受拉鋼筋達到屈服狀態(tài)，受壓區(qū)混凝土被壓碎。假定在破壞時，膠層還保持良好，則此時碳纖維應力為：

δCFRP=ΔεCFRP×Ef=(526.9+1544.2)×2.2×105=455.6 MPa

可見，主動卸載加固法所粘貼的碳纖維，在極限狀態(tài)時碳纖維應力比常規(guī)加固方法提高了34.1%，這對抑制梁體開裂和改善構(gòu)件受力性能非常有利。

3界面應力分析

3.1膠層粘結(jié)應力分析

針對加固后的受彎構(gòu)件，取一微段如圖6a所示，混凝土-膠層-纖維布(板)之間的粘結(jié)應力如圖6b所示。

圖6　加固梁體微段

建立梁底部纖維微段的水平力平衡方程：

Tf+dTf-Tf=τbfbfdx

(3)

得

(4)

式中：bf為纖維布(板)寬度；Tf為碳纖維拉力；dTf為碳纖維拉力增量；dx為梁微段長度。

另據(jù)梁彎曲理論[7]，可得：

(5)

將(5)代入(4)式，可得：

(6)

式中：Af為纖維布(板)的面積；I0為加固后的截面換算慣性矩；αf為纖維布(板)與混凝土彈性模量的比值；Q為截面剪力；dM為截面彎矩增量；yf為纖維布至中性軸距離。

從式(6)可見，經(jīng)過主動卸載后，由于初始彎矩值增大，正常使用狀態(tài)下膠層粘結(jié)應力顯著大于常規(guī)加固方法，可以獲得更高的梁體開裂抑制力，后加材料參與受載的程度進一步提升。

3.2剝離力分析

不論是常規(guī)的粘貼纖維布(板)還是采取主動卸載加固技術(shù)粘貼，試驗中發(fā)現(xiàn)：都存在粘貼材料端部發(fā)生剝離破壞現(xiàn)象(圖7)，但主動卸載加固的纖維發(fā)生剝離破壞較常規(guī)方法早[7～11]。其破壞特征表現(xiàn)為：靠近纖維端部的混凝土首先產(chǎn)生淺層水平略向上的裂縫，然后往跨中方向迅速擴展。因此，尤其是采用主動卸載加固技術(shù)，在梁體和后加材料發(fā)生極限承載力破壞前，為避免上述破壞模式過早產(chǎn)生，需要詳細分析剝離力并采取構(gòu)造措施。

圖7　剝離破壞

從試驗中觀察發(fā)現(xiàn)，剝離層主要出現(xiàn)在膠層與混凝土的界面上。因此，剝離力Ff應為膠層和后加材料層的總剪力之和：

從圖6b可知，膠層與纖維層界面之間存在粘結(jié)應力τbf，該粘結(jié)應力為梁體軸向的函數(shù)，并不是一個常數(shù)，記為τbf(x)。

取一微小單元dx(圖8)，根據(jù)軸力和扭矩平衡建立如下方程：

dFN=τbf(x)bfdx

(7)

(8)

式中：tf為纖維布(板)厚度；dFN為微段軸力增量；Mxy為微段扭矩。

圖8　剝離力示意

(9)

(10)

式中：tg為膠層厚度。

(11)

從上述剝離力分析可見，當結(jié)構(gòu)達到同一受力狀態(tài)時，由于構(gòu)件反彎的過程，主動卸載加固產(chǎn)生的dM顯然大于常規(guī)加固方式，且卸載度越高，微單元之間的增量彎矩越大，剝離力也增大， 更容易發(fā)生剝離破壞。因此，為避免過早發(fā)生剝離破壞，主動卸載加固的結(jié)構(gòu)，后加材料的約束措施更需加強。

4結(jié)論

(1)主動卸載加固法具有顯著優(yōu)點，實施方便，可以人為控制卸載度，進而有針對性地改善結(jié)構(gòu)受力性能，調(diào)控后加材料應變滯后的程度，改善組合結(jié)構(gòu)的受力和使用性能；

(2)經(jīng)過主動卸載后，初始階段新增材料即參與恒載受力，改善了組合截面受力狀態(tài)，抑制截面開裂，提高(恢復)了結(jié)構(gòu)剛度；

(3)經(jīng)過主動卸載加固后，在正常使用狀態(tài)下，組合截面膠層粘結(jié)應力顯著增大，可以獲得更高的梁體開裂抑制力，后加材料參與受載的程度進一步提升；

(4)主動卸載加固法界面剝離力較常規(guī)加固方法大，后加材料需要設(shè)置更為有效和增強的約束措施。

參考文獻

[1]袁旭斌, 趙小星, 宋一凡, 等. 卸載與不卸載的RC梁橋粘貼碳纖維布加固計算[J]. 中國公路學報, 2005, 18(1): 69-72.

[2]高榮雄， 李敬， 袁衛(wèi)軍, 等. 體外預應力加固T梁及相關(guān)優(yōu)化研究[J]. 土木工程與管理學報, 2014, 31(1): 7-12.

[3]曾祥蓉, 江世永, 陳進, 等. 不卸載時預應力碳纖維布加固混凝土梁有限元分析[J]. 四川建筑科學研究, 2005, 31(3): 60-62.

[4]王濤, 黃平明. 碳纖維布采用預應力卸載法加固鋼筋混凝土空心板橋的分布研究[J]. 太原理工大學學報, 2008, 39(1): 29-32.

[5]孫靜, 杜宜軍. 經(jīng)卸載后加固RC梁的滯后應變影響分析[J]. 水利與建筑工程學報, 2006, 4(1): 30-31.

[6]Okeil A M, Belarbi A, Kuchma D A. Reliability assessment of FRP-strengthened concrete bridge girders in shear[J]. Journal of Composites for Construction, 2012, 17(1): 91-100.

[7]高作平, 陳明祥. 混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)加固技術(shù)新進展[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1999.

[8]程永春, 李春良, 劉寒冰, 等. 碳纖維與混凝土界面粘結(jié)應力計算方法[J]. 交通運輸工程學報, 2007, 7(2): 46-49.

[9]Almassri B, Kreit A, Al Mahmoud F, et al. Mechanical behaviour of corroded RC beams strengthened by NSM CFRP rods[J]. Composites Part B: Engineering, 2014, 64: 97-107.

[10]葉蘇榮, 熊光晶. FRP加固混凝土梁剪彎段的剝離應力分析[J]. 江蘇大學學報(自然科學版), 2011, 32(1): 111-115.

[11]蔣德穩(wěn), 李青松, 邱洪興. 預應力FRP加固受彎構(gòu)件剝離應力分析[J]. 建筑科學, 2008, 24(7): 10-12.

Analysis of Interfacial Stresses and RC Beams Strengthened with Initiative Unload Based on Elevating from the Top of Beams

LIZong-zhe1,2,WANGXiao-bing2,GAORong-xiong3,HUFang-jie3,YUEYin3,ZHOUWen-wei3

(1. Hubei Key Laboratory of Advanced Materials and Reinforcement Technology Research for Marine Environment Structures, Wuhan 430040, China;2. Cccc Wuhan Harbour Engineering Design and Research Co Ltd, Wuhan 430040, China;3. School of Civil Engineering and Mechanics, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)

Abstract:Although the method of bonded fiber or steel plate strengthened has significant advantages, a variety of reasons such as lagged strain cause the bonded high strength materials not to play efficient roles. Thus, material actual utilization is very low. Based on elevating from the top of beams，initiative unload strengthened method proposed in this paper may improve cooperative work performance between original structure and bonded materials and mechanical property of strengthened structures under service stage through flexibly changing number, location and unload degree of elevating points. The relations between structure effect and lifting location and elevating force are also discussed, and the principles to confirm reasonable elevating location and unload degree are presented. At last, bonded stresses and debonding force between bonded materials and structure are deeply analyzed and compared with conventional methods.

Key words：initiative unload strengthened method based on elevating from the top of beams; elevating point; unload degree; bond stress; debonding force

收稿日期：2015-11-01修回日期： 2015-12-29

作者簡介：李宗哲(1960-)，男，河南南陽人，教授級高工, 博士，研究方向為橋梁加固設(shè)計(Email: 151609184@qq.com)通訊作者： 高榮雄(1969-)，男，福建福安人，博士，副教授，研究方向為橋梁船撞、損傷與加固(Email: bridge115@hust.edu.cn)

基金項目：中交第二航務工程局有限公司科技項目(201503A)

中圖分類號：U445.7

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0985(2016)03-0035-05