預(yù)應(yīng)力碳纖維板局部加固對橋梁整體影響分析

鄧云飛，何　來，杜　芳，金凌志

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.河南三德置業(yè)有限公司，河南 鄭州 450121)

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預(yù)應(yīng)力碳纖維板局部加固對橋梁整體影響分析

鄧云飛1，何來1，杜芳2，金凌志1

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.河南三德置業(yè)有限公司，河南 鄭州 450121)

摘要：對某簡支預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T形橋梁進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，用有限元模擬和實(shí)際監(jiān)測兩種方法，對比分析了局部加固對橋梁整體的影響。研究結(jié)果表明：采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁，由于橫向連接作用，各片T梁間存在一定程度的預(yù)應(yīng)力傳遞，有效提高了整橋承載力。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土橋梁時，碳纖維板與混凝土構(gòu)件接觸部位的縱向、橫向和豎向均存在拉應(yīng)力，有使碳纖維板從混凝土表面產(chǎn)生剝離的趨勢。有限元模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果比較吻合，說明有限元模擬方法可以應(yīng)用于實(shí)際工程的輔助計算。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力碳纖維板；橋梁工程；局部加固；整體效應(yīng)；有限元分析

0引言

碳纖維材料是一種高科技復(fù)合材料[1-2]，最早應(yīng)用于軍事、航空、船舶和汽車等領(lǐng)域，20世紀(jì)50年代首次應(yīng)用于增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件已進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3]用14根預(yù)應(yīng)力碳纖維梁與非預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)前者有更高的極限荷載，而且相同荷載作用下擾度變化較小。文獻(xiàn)[4]對3根碳纖維板加固梁與未加固梁進(jìn)行了對比分析，得出加固后鋼筋混凝土梁變形減緩的結(jié)論。文獻(xiàn)[5]對8根外部粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固受彎構(gòu)件進(jìn)行了研究，分析預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固對試件承載力、使用階段的變形和碳纖維應(yīng)用效率等的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固可大大提高受彎構(gòu)件的開裂荷載和屈服荷載，提高受彎構(gòu)件利用效率。文獻(xiàn)[6]采用外部粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)對某危橋進(jìn)行了加固,橋梁結(jié)構(gòu)承載力滿足加固設(shè)計荷載要求,且撓曲變形顯著減小,橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布得到明顯改善。在工程上，文獻(xiàn)[7]對開裂嚴(yán)重、梁體撓曲變形明顯的鋼筋混凝土簡支T形梁橋進(jìn)行了提載性加固，顯著提高了橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，增大其剛度，改善其內(nèi)力分布，從而有效提升了橋梁的運(yùn)營能力。文獻(xiàn)[8]用預(yù)應(yīng)力碳纖維板對洋河橋進(jìn)行加固，對施工工序、承載力和應(yīng)力進(jìn)行了驗(yàn)算，為后續(xù)橋梁加固提供參考。

但是，有關(guān)預(yù)應(yīng)力碳纖維板局部加固對整橋影響的研究較少。本文通過加固前后混凝土的應(yīng)力變化，以及有限元軟件的仿真模擬，分析局部加固對整橋的影響效應(yīng)，探討預(yù)應(yīng)力碳纖維板對既有橋梁局部加固的整體影響機(jī)理。并將有限元模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了有限元模擬分析的可靠性。

1工程概況及加固方案

1.1工程概況

某橋梁全長456.91 m，橋面寬度23 m，公路等級為雙向4車道高速公路，荷載等級為公路Ⅰ級。橋梁上部為25 m跨長預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，瀝青混凝土橋面鋪裝，路面從中脊線向兩側(cè)2%找坡，毛勒伸縮縫，板式橡膠支座；下部為雙柱式橋墩、輕型橋臺。經(jīng)過16 年的運(yùn)營，橋梁已出現(xiàn)不同程度的損傷。在2011年9月的定期檢查中，發(fā)現(xiàn)部分T梁已出現(xiàn)馬蹄緣開裂、下?lián)献冃巍M隔板混凝土破損、局部鋼筋銹脹、鋪裝層開裂和車轍等病害。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：破損最嚴(yán)重的是1#梁，從離支座1/3跨長的位置到跨中區(qū)域的截面下緣均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，不滿足抗裂要求，部分病害有發(fā)展迅速的趨勢，橋梁加固刻不容緩。橋梁1/2橫斷面見圖1。

圖1　橋梁1/2橫斷面圖

1.2預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方案

根據(jù)文獻(xiàn)[9]的病害程度分類，1#梁、2#梁和3#梁屬于一般病害的3類T梁，經(jīng)過多種方案比較，決定采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固。首先，對裂縫和局部破損部位采用丙乳砂漿或丙乳細(xì)石混凝土進(jìn)行修補(bǔ)；然后，對損傷較嚴(yán)重的1#梁、2#梁和3#梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板側(cè)面體外加固。預(yù)應(yīng)力碳纖維板的張拉控制應(yīng)力取960 MPa，張拉控制力為(0.4×2 400×200) N=192 kN，碳纖維板規(guī)格(寬×厚)為100 mm×2 mm，長21 m，布置在梁兩側(cè)距梁底100 mm處，采用一端同時張拉，預(yù)應(yīng)力損失取張拉控制應(yīng)力的10%～15%,加固示意圖見圖2和圖3。

圖2預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固位置及表面應(yīng)變計布置圖3加固T梁橫截面圖

2加固結(jié)果與分析

為了對比分析預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固前后的整體效果，加固前后橋梁底部的混凝土應(yīng)變采用光纖光柵混凝土表面應(yīng)變計進(jìn)行監(jiān)測。通過測量加固前后光纖光柵波長的改變，研究橋梁承載力的變化。為了便于觀察，假設(shè)加固前為初始狀態(tài)，應(yīng)變基準(zhǔn)值為0，加固后通過光纖光柵傳感器測出變化的波長，并由波長與應(yīng)變值的換算公式得到相應(yīng)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)而由應(yīng)變值計算出應(yīng)力值。表1為主梁底部所測混凝土應(yīng)變和應(yīng)力值。圖4為測點(diǎn)主壓應(yīng)力曲線圖。通過計算分析發(fā)現(xiàn)：對碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力后，1#加固梁、2#加固梁和3#加固梁底部的應(yīng)力由趨近于零變?yōu)樨?fù)值，說明碳纖維板對主梁加固的效果明顯，其原因是預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后使主梁底部承受壓力，其應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，梁承載能力的提高,與文獻(xiàn)[10]的加固效果一致。除加固梁梁底混凝土的應(yīng)力變化較大外，未加固的4#梁和5#梁的應(yīng)力值也發(fā)生了不同程度的變化，變化量較大的4#梁，增加的應(yīng)力為加固梁平均應(yīng)力的26.5%，變化較小的5#梁增加的應(yīng)力為加固梁平均應(yīng)力的8.8%。采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，可以產(chǎn)生整體加固效應(yīng)，即使只加固部分梁，對未加固梁的抗彎能力也有一定程度的提高。主要原因是橋梁的整體效應(yīng)，各T梁具有相互作用，使橋面的T梁之間存在一定程度的預(yù)應(yīng)力傳遞，越靠近加固梁，這種影響越大。

表1　主梁底部所測混凝土應(yīng)變和應(yīng)力值

3有限元模擬驗(yàn)證

圖4　測點(diǎn)主壓應(yīng)力曲線圖

為了驗(yàn)證這種整體效應(yīng)，參考文獻(xiàn)[11-12]，選擇第15跨預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋段，進(jìn)行整橋有限元分析。假定碳纖維板材與混凝土之間有可靠的黏結(jié)，碳纖維板與混凝土單元采用共用節(jié)點(diǎn)法進(jìn)行連接。采用文獻(xiàn)[13]所述降溫法對預(yù)應(yīng)力碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力，橋梁的荷載形式為車道荷載，同時考慮橋梁自身質(zhì)量及欄桿荷載，并進(jìn)行最不利荷載布置。

3.1材料參數(shù)

模型定義的材料有混凝土、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋和碳纖維板，材料參數(shù)見表2。

表2　材料參數(shù)表

3.2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖5給出了原橋在車道荷載及自身質(zhì)量作用下，各橋梁板底面與頂面的縱向應(yīng)力情況。由圖5可知：1#梁、2#梁、3#梁在車道荷載作用下，跨中梁底均出現(xiàn)縱向拉應(yīng)力，未加固的4#梁、5#梁則產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力。加固前后有限元模擬得出橋梁底部各測點(diǎn)的應(yīng)力值，見表3，加固前應(yīng)力最大處在2#梁處，應(yīng)力值達(dá)3.00 MPa，與圖5吻合。對1#梁、2#梁和3#梁的腹板底部側(cè)邊實(shí)施碳纖維板預(yù)應(yīng)力加固后，1#梁、2#梁和3#梁產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，各T梁腹板均為數(shù)值小于0 MPa的受壓狀態(tài)，橋面頂板均處于受拉狀態(tài)，滿足原結(jié)構(gòu)全預(yù)應(yīng)力的要求。

(a) 橋梁板底面(b) 橋梁板頂面

圖5加固前橋梁板底面與頂面縱向應(yīng)力圖

表3　有限元模擬得出各測點(diǎn)的應(yīng)力值　　MPa

模擬結(jié)果還表明:加固的1#梁、2#梁和3#梁在預(yù)應(yīng)力碳纖維板長度范圍內(nèi)，其腹板下邊緣的混凝土縱向處于受拉狀態(tài)，混凝土與碳纖維板的拉應(yīng)變滿足變形協(xié)調(diào)關(guān)系;腹板兩側(cè)碳纖維板的預(yù)應(yīng)力向與其連接的混凝土的T梁傳遞，導(dǎo)致梁沿縱向產(chǎn)生了拉應(yīng)力，而且預(yù)應(yīng)力碳纖維板沿縱向、橫向和豎向均存在不同程度的拉應(yīng)力，有使碳纖維板產(chǎn)生剝離的趨勢。因此，在采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固時，應(yīng)采取措施保證碳纖維板與混凝土之間有可靠黏結(jié)和錨固，避免產(chǎn)生剝離。

4實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元模擬數(shù)據(jù)對比

表4將加固前后混凝土梁應(yīng)力總變化量實(shí)際監(jiān)測值與ANSYS有限元模擬值進(jìn)行了對比。橋梁應(yīng)力總變化量實(shí)測值與模擬值比值的均值為0.93，標(biāo)準(zhǔn)差為0.09，變異系數(shù)為9.68%，說明實(shí)測值與有限元模擬值較為吻合，各測點(diǎn)實(shí)測值與模擬值的誤差基本在10%之內(nèi)，屬于允許范圍。產(chǎn)生誤差的原因可能是由于在模型建立的過程中，未考慮混凝土梁材料的不均勻性、預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉時的偏心誤差以及張拉后碳纖維板與被加固梁梁體的黏結(jié)可靠性等情況，造成有限元模擬的應(yīng)力值略微高于實(shí)測值。

表4　加固前后混凝土梁應(yīng)力總變化量

通過表4實(shí)測值與模擬值測點(diǎn)應(yīng)力變化的對比情況，可以看出兩者的應(yīng)力變化量基本一致，表明預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁可靠性好，局部加固可對全橋產(chǎn)生整體加固效果，所建立的ANSYS模型具有一定的實(shí)用價值，可將有限元模擬作為評估預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁耐久性及橋梁正常運(yùn)營監(jiān)測的參考模型，用于預(yù)測后期損傷與加固效果。

5結(jié)論

(1)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固既有一定損傷和病害的橋梁結(jié)構(gòu)，能顯著減小加固梁底部的拉應(yīng)力，補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)明顯，且整橋的橫向連接作用可使未加固部分梁的承載力得到一定程度地提高，產(chǎn)生良好的整體效應(yīng)。

(2)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土橋梁，沿碳纖維板與混凝土構(gòu)件接觸部位的縱向、橫向和豎向均存在不同程度的拉應(yīng)力，有使碳纖維板從混凝土表面產(chǎn)生剝離的趨勢，處理不當(dāng)會造成結(jié)構(gòu)的二次破壞，所以應(yīng)采取措施予以防患。

(3)加固橋梁實(shí)測值與有限元模擬值的應(yīng)力變化量基本一致，表明所建立的ANSYS模型具有一定的實(shí)用性。在實(shí)際工程中可運(yùn)用有限元模型進(jìn)行模擬，以預(yù)測預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁的加固效果。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51368013);廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項目(2015-A-02)

作者簡介：鄧云飛(1992-),男,江蘇常州人,碩士生;金凌志(1959-),女,通信作者,湖南雙峰人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)轭A(yù)應(yīng)力與新型混凝土材料結(jié)構(gòu).

收稿日期：2015-11-17

文章編號：1672-6871(2016)05-0037-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.009

中圖分類號：U445.7+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A