碳纖維加固對(duì)鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)效應(yīng)影響分析

程宇鵬

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

目前，隨著時(shí)間的推移，我國(guó)的許多橋梁均已產(chǎn)生了不同程度的老化，甚至有些橋梁逐漸接近或超過(guò)設(shè)計(jì)的使用年限。而且隨著使用荷載和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，有許多過(guò)去的橋梁已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足現(xiàn)行荷載的要求，需要對(duì)現(xiàn)有橋梁通過(guò)加固來(lái)提高其荷載等級(jí)及安全系數(shù)?，F(xiàn)在對(duì)橋梁的加固方法有多種，如體外預(yù)應(yīng)力、粘貼鋼板、粘貼碳纖維復(fù)合材料或增大截面等方法[1-2]。粘貼碳纖維是一種施工比較簡(jiǎn)單，而且加固效果較好的加固方法，而且碳纖維材料具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐久性。本文是針對(duì)某市現(xiàn)有的現(xiàn)澆連續(xù)梁橋，對(duì)其用碳纖維加固前后分別進(jìn)行了荷載試驗(yàn)檢測(cè)，研究加固后對(duì)該橋各項(xiàng)控制指標(biāo)的影響。

1 工程概況

本項(xiàng)目為某市城區(qū)為緩解交通壓力而修建的高架橋。本文針對(duì)該橋第二聯(lián)進(jìn)行分析，其上部結(jié)構(gòu)為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑組成為（40+56+40）m，橋面總寬為23.5 m，其橋面布置為：0.5 m防撞護(hù)欄+11.0 m機(jī)動(dòng)車(chē)道+0.5 m中央分隔帶+11.0 m機(jī)動(dòng)車(chē)道+0.5 m防撞護(hù)欄。橋面鋪裝采用8 cm厚鋼筋混凝土墊層+10 cm厚瀝青混凝土面層。橋墩采用帶橫梁雙立柱橋墩，基礎(chǔ)均為承臺(tái)配樁基，橋臺(tái)采用樁接蓋梁形式。設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)，抗震設(shè)防烈度為8度。由于施工等原因造成該橋的承載能力存在不足，補(bǔ)強(qiáng)方案采用粘貼碳纖維的方法。

圖1 主梁斷面圖（單位：cm）

2 有限元模型的建立

根據(jù)主橋活載效應(yīng)包絡(luò)圖及橋梁實(shí)際情況確定橋梁的試驗(yàn)控制斷面。本次試驗(yàn)選擇了1個(gè)正應(yīng)變測(cè)試斷面，具體的試驗(yàn)斷面布置見(jiàn)圖2。靜載試驗(yàn)計(jì)算采用平面桿件有限元法，根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)型式，采用橋梁計(jì)算通用程序Midas Civil對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及加載計(jì)算，計(jì)算模型見(jiàn)圖3。橋梁計(jì)算采用的材料參數(shù)均根據(jù)公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范確定[3-5]。

圖2 試驗(yàn)主要控制斷面布置圖（單位：cm）

圖3 有限元計(jì)算模型

3 計(jì)算分析

靜載試驗(yàn)采用模擬等代荷載進(jìn)行加載設(shè)計(jì)計(jì)算和加載，加固前后試驗(yàn)荷載采用同一標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)共選用8輛雙后軸車(chē)輛作為靜載試驗(yàn)加載車(chē)輛。試驗(yàn)控制采用逐級(jí)加載方式，根據(jù)加載位置的不同，所有的程序采用3級(jí)加載的方式進(jìn)行。各測(cè)試斷面內(nèi)力影響線及加載位置見(jiàn)圖4，經(jīng)模擬計(jì)算，試驗(yàn)最終選取加載程序及試驗(yàn)荷載效率見(jiàn)表1，試驗(yàn)荷載所產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)基本上能夠滿(mǎn)足對(duì)橋梁力學(xué)性能檢驗(yàn)和分析的要求。

表1 荷載試驗(yàn)荷載效率及相應(yīng)測(cè)試項(xiàng)目表

圖4 1號(hào)斷面彎矩影響線

圖5 第五跨截面最大正彎矩加載圖（偏載）（單位：cm）

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 碳纖維加固對(duì)主梁應(yīng)變影響分析

對(duì)主梁進(jìn)行加固前后，檢測(cè)所得應(yīng)變值與理論計(jì)算的應(yīng)變值比較見(jiàn)表2、表3。

表2 加固前主要控制斷面混凝土正應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)表

表3 加固后主要控制斷面混凝土正應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)表

圖6 加固前后主要控制斷面應(yīng)變對(duì)比圖

由表2、表3可以看出，加固前正應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)主要集中在1.04～1.11范圍內(nèi)；加固后正應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)主要集中在0.80～0.88范圍內(nèi)，表明試驗(yàn)跨主梁經(jīng)過(guò)碳纖維加固后混凝土應(yīng)變值明顯減小20%左右。

4.2 碳纖維加固對(duì)主梁撓度影響分析

對(duì)主梁進(jìn)行加固前后，檢測(cè)所得撓度值與理論計(jì)算的撓度值比較見(jiàn)表4、表5。

表4 加固前主要控制斷面撓度校驗(yàn)系數(shù)表

表5 加固后主要控制斷面撓度校驗(yàn)系數(shù)表

圖7 加固前后主要控制斷面撓度對(duì)比圖

由表4、表5可以看出，加固前撓度的校驗(yàn)系數(shù)主要集中在0.89～0.93范圍內(nèi)；加固后正應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)主要集中在0.83～0.89范圍內(nèi)，表明試驗(yàn)跨主梁經(jīng)過(guò)碳纖維加固后撓度值減小5%左右。

5 分析與結(jié)論

通過(guò)對(duì)該橋進(jìn)行計(jì)算分析，并且用碳纖維對(duì)該橋進(jìn)行加固，對(duì)其加固前后兩次荷載試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可得出如下結(jié)論：

a）加固后荷載試驗(yàn)檢測(cè)控制斷面的混凝土應(yīng)變值可減小20%左右。

b）加固后荷載試驗(yàn)檢測(cè)控制斷面的撓度值可減小5%左右。

綜上，采用碳纖維加固技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行加固，可有效提高橋梁的抗彎強(qiáng)度，并對(duì)抑制橋梁裂縫的開(kāi)展有明顯的作用。對(duì)橋梁的抗彎剛度也有一定提高，且該方法施工簡(jiǎn)單，工藝成熟，因此亦是一種有效可行的橋梁加固方法。