預(yù)應(yīng)力混雜C/G布加固板梁橋的受力性能研究*

蘇 林，方太云，張 劍，陳雄飛，汪 鋒，艾 軍

(1.江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.江蘇省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，江蘇 南京 210001；3.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

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預(yù)應(yīng)力混雜C/G布加固板梁橋的受力性能研究*

蘇 林1，方太云2，張 劍3，陳雄飛1，汪 鋒1，艾 軍3

(1.江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.江蘇省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，江蘇 南京 210001；3.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

對(duì)空心板采用預(yù)應(yīng)力C/G布加固，計(jì)算結(jié)果表明，通過(guò)閉合裂縫，提高了梁的有效剛度，恢復(fù)或部分恢復(fù)了梁的剛度，保證了橋梁的正常使用功能。板梁底張拉C/G布為鋼筋卸載，延長(zhǎng)了橋梁的疲勞壽命。在荷載作用下，纖維布上產(chǎn)生了彈性應(yīng)變，且應(yīng)變隨著荷載的增加而增大，表明纖維布參與板受力而發(fā)揮了作用。纖維布與混凝土能夠協(xié)同工作，預(yù)應(yīng)力纖維布主動(dòng)加固效果較為顯著。預(yù)應(yīng)力C/G布為板梁橋提供了一種新的加固方法，可供工程加固設(shè)計(jì)參考。

預(yù)應(yīng)力混雜C/G纖維布；板梁橋；受力性能；有限元

在目前的纖維布加固工程中，大部分采用的是碳纖維材料，但其價(jià)格較高，且延性較差；因此，近年來(lái)，許多研究工作者開(kāi)始關(guān)注混雜纖維的加固性能，并開(kāi)展了許多有關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究及理論分析[1-5]。熊光晶等[6]首次提出了混合采用玻璃纖維布和碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固的思路，并開(kāi)展了對(duì)比試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，相對(duì)碳纖維布加固方法，采用混雜纖維復(fù)合材料加固法，既能在保證承載力的前提下顯著提高構(gòu)件的延性，又能顯著降低加固成本，僅剛度略有下降。喻林等[7]提出了用混雜纖維(由碳纖維和玻璃纖維組成)布加固混凝土結(jié)構(gòu)的方法，使用C/G布來(lái)提高鋼筋混凝土梁受彎承載力的補(bǔ)強(qiáng)加固方法是有效的，加固材料的混雜比例及混雜方式均對(duì)鋼筋混凝土梁受彎承載力有一定的影響，層內(nèi)混雜纖維的抗彎性能、延伸性能以及經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于單一纖維和層間混雜纖維。周明芳[8]試驗(yàn)研究了碳-玻璃層間C/G布加固混凝土梁的抗彎性能，并與單一碳纖維及單一玻璃纖維進(jìn)行了比較。謝志紅等[9]通過(guò)9根鋼筋混凝土梁的抗彎試驗(yàn)，分析了碳-芳綸層間C/G布對(duì)RC梁的抗彎剛度、初裂荷載以及極限荷載的影響，建立了加固梁數(shù)值計(jì)算的有限元模型。王冬英[10]通過(guò)建立C/G布加固RC梁的有限元模型，對(duì)預(yù)應(yīng)力HFRP加固RC梁跨中撓度進(jìn)行了參數(shù)化分析。

預(yù)應(yīng)力混雜FRP加固鋼筋混凝土構(gòu)件已成為重要的研究課題，本文對(duì)預(yù)應(yīng)力C/G布加固空心板的受力性能展開(kāi)研究。

1 工程背景

某混凝土空心板梁橋(見(jiàn)圖1)位于204國(guó)道灌南段沂河大堤南側(cè)，橋梁中心樁號(hào)K538+994，老橋建于1998年，2004年對(duì)該橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，利用老橋下部結(jié)構(gòu)，跨徑組合為：6+4×8+6=44 (m)，設(shè)計(jì)寬度為：0.5+12.5+0.5=13.5 (m)。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-20，掛100。上部結(jié)構(gòu)中主梁采用空心板梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

圖1 某混凝土板梁橋橫斷面布置簡(jiǎn)圖(單位：cm)

采用預(yù)應(yīng)力單層C/G混雜纖維布對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，以提高構(gòu)件疲勞承載力并恢復(fù)其剛度。每塊空心板下安裝4道150 mm寬的單層C/G布，板底噴涂保護(hù)層。與普通碳纖維加固相比，采用該方法節(jié)約20%成本，且加固效果明顯提高。

2 加固空心板的受力分析

該橋跨徑6 m，跨徑較小，控制截面取為跨中及支點(diǎn)2個(gè)截面，重點(diǎn)考察跨中截面?？招陌鍞?shù)量共計(jì)10塊。本文采用模擬加載的方法進(jìn)行分析，以說(shuō)明預(yù)應(yīng)力C/G布加固效果。

加固后試驗(yàn)采用2輛標(biāo)準(zhǔn)30 t汽車(chē)進(jìn)行模擬加載。車(chē)輛加載方式如圖2所示，縱向中軸位于跨中截面上；橫向2輛車(chē)車(chē)輪中心距1.3 m，對(duì)稱于橋面中心線布置。

圖2 跨中截面對(duì)稱加載布置圖

空心板梁選用solid45單元(見(jiàn)圖3)，纖維布模型采用shell63單元(見(jiàn)圖4)，材料屬性由設(shè)計(jì)參數(shù)給定。

圖3 空心板梁網(wǎng)格模型

圖4 纖維布網(wǎng)格模型

加載計(jì)算結(jié)果云圖如圖5所示。根據(jù)病害調(diào)查，加固前板梁間橫向聯(lián)系薄弱，按鉸接空心板計(jì)算。加固前、后的荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比如圖6所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力C/G布加固空心板撓度云圖

圖6 各片板加固前、后的荷載橫向分布系數(shù)

由圖6分析可知，加固后各片梁的荷載橫向分布趨于均勻，表明整體加固后各片梁的橫向性能發(fā)揮良好，且裂縫閉合后梁的剛度恢復(fù)。

3 加固后性能分析

1)對(duì)現(xiàn)有的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)封閉，將開(kāi)裂的混凝土進(jìn)行粘合，避免了含鹽水汽對(duì)混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕，保證了結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期工作性能。

2)部分構(gòu)件的變形得到了恢復(fù)，在構(gòu)件變形恢復(fù)的過(guò)程中，可對(duì)早期封閉的裂縫形成擠壓效應(yīng)，促進(jìn)膠體與混凝土的結(jié)合性能，提高了裂縫封閉的質(zhì)量。

3)通過(guò)閉合裂縫，提高了梁的有效剛度，恢復(fù)或部分恢復(fù)了梁的剛度，保證了橋梁的正常使用功能。

4)板梁底張拉C/G纖維布為鋼筋卸載，延長(zhǎng)了橋梁的疲勞壽命。

5)在荷載作用下，纖維布上產(chǎn)生了彈性應(yīng)變，且應(yīng)變隨著荷載的增加而增大，表明纖維布參與板受力而發(fā)揮了作用。纖維布與混凝土能夠協(xié)同工作，預(yù)應(yīng)力纖維布主動(dòng)加固效果較為顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力混雜FRP加固鋼筋混凝土構(gòu)件已成為熱點(diǎn)研究問(wèn)題，本文對(duì)預(yù)應(yīng)力C/G布加固空心板的受力性能展開(kāi)了研究。加固后各片梁的荷載橫向分布均勻，表明整體加固后各片梁的橫向性能良好，且裂縫閉合后梁的剛度恢復(fù)。板梁底張拉C/G布為鋼筋卸載，延長(zhǎng)了橋梁的疲勞壽命。纖維布與混凝土能夠協(xié)同工作，預(yù)應(yīng)力纖維布主動(dòng)加固效果較為顯著。

[1] 蔡晨寧, 歐世坤, 楊杰, 等. 在役橋梁預(yù)應(yīng)力混雜纖維布加固后靜載試驗(yàn)研究[J]. 新技術(shù)新工藝, 2015(5):96-100.

[2] 韋全余, 歐世坤, 朱金華, 等.預(yù)應(yīng)力混雜CFRP/GFRP纖維布加固橋梁結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用與評(píng)估[J]. 新技術(shù)新工藝, 2014(9): 46-51.

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[10] 王冬英. 預(yù)應(yīng)力HFRP混雜加固RC梁跨中撓度分析[J]. 低溫建筑技術(shù), 2009(3):30-32.

* 江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司資助項(xiàng)目(GCJS2014-37) 江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20130787)

責(zé)任編輯 鄭練

Mechanical Behavior of the Slab Bridge Reinforced with Prestressed C/G Sheets

SU Lin1, FANG Taiyun2, ZHANG Jian3, CHEN Xiongfei1, WANG Feng1, AI Jun3

(1.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd., Nanjing 214521, China; 2.Quality Supervision Bureau of Transportation Department of Jiangsu Province, Nanjing 210001, China; 3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

While the prestressed C/G sheet is used to reinforce the hollow slab, the calculation results have been studied. Through restoring the closed fracture stiffness of the member, the effective stiffness of the beam can be improved, the stiffness of the beam is restored or partially restored, and the normal using function of the bridge can be improved. The C/G sheet of the bottom of the plate beam is loaded with the steel bar to prolong the fatigue life of the bridge. Under the load action, the elastic strain is produced on the fiber sheet. With the increase of the load, the strain increases which indicates that the fiber sheet plays a role in the stress of the plate. Fiber sheet and concrete can work together. The prestress effect of the fiber sheet is obviously achieved. The prestressed C/G sheet is a new method to reinforce the slab bridge, which can be used for engineering reinforcement design.

prestressed hybrid C/G fiber, slab bridge, mechanical behavior, finite element

U 441

A

蘇林(1970-)，男，高級(jí)工程師，主要從事土木工程等方面的研究。

2016-07-07