預應力CFRP板加固在役梁橋性能評估

摘要：為評估預應力碳纖維增強復合材料（carbon fiber reinforced polymer/plastic， CFRP）板對在役預應力混凝土連續(xù)空心板橋的加固效果，采用數(shù)值模擬和荷載試驗結合的方式，研究預應力CFRP板的加固機理和加固效果。結果表明：預應力CFRP板加固在役預應力混凝土連續(xù)空心板橋能改善梁體開裂后的下?lián)蠣顟B(tài)，抑制裂縫擴展，提高結構耐久性，但對開裂結構本身的剛度提高效果非常有限；該加固方式不適用于開裂梁體在正常使用狀態(tài)下的剛度提升需求。

關鍵詞：預應力CFRP板；橋梁加固；數(shù)值模擬；荷載試驗

中圖分類號：U445.7⁺2文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）03-0084-07

引用格式：朱振祥，李鵬程，龐學冬，等.預應力CFRP板加固在役梁橋性能評估［J］.山東交通學院學報，2024，32（3）：84-90.

ZHU Zhenxiang， LI Pengcheng， PANG Xuedong， et al. Performance evaluation of in-service beam bridge strengthened by prestressed CFRP plates［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（3）：84-90.

0 引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車保有量和交通量日益增大，給交通基礎設施建設提出了更高要求。為減少工程造價，通常對高速公路進行改擴建工程或對舊橋進行改擴建再利用^[1]。因設計年代較早，或結構設計不合理、施工存在缺陷、疲勞荷載作用和超限車輛作用等因素，在役諸多鋼筋混凝土橋梁結構出現(xiàn)較多病害，不能滿足當下交通荷載要求，制約了舊橋再利用^[2-3]。通常評估此類橋梁加固后的抗彎、抗剪承載力及剛度性能后再決定是否進一步利用^[4-6]。

鋼筋混凝土橋梁的加固材料及方式較多，碳纖維增強復合材料（carbon fiber reinforced polymer/plastic，CFRP）因力學強度高、質量輕、耐腐蝕等特點，逐漸成為橋梁結構加固研究的熱點，特別是預應力CFRP板應用廣泛，在設計階段將碳纖維材料代替鋼筋作為箍筋，增大構件的抗剪能力^[7-8]。洪華等^[9]對運行近30 a的20 m空心板實施破壞試驗后進行預應力CFRP板加固試驗，結果顯示梁體剛度約恢復到原有剛度的75%；李碧卿等^[10]認為單純的碳纖維板加固易造成黏結面滑移而失效，不能充分利用抗拉強度；王渠等^[11]對非預應力和預應力CFRP板加固的構件進行室內力學試驗，結果顯示加固構件在受彎過程中剛度無明顯變化；強旭紅等^[12]對預應力CFRP板加固鋼梁-混凝土組合梁進行四點彎曲試驗，試驗結果表明預應力CFRP板加固可顯著增大橋梁結構的極限承載力；肖喜平^[13]認為預應力CFRP板會大幅度提高構件的極限荷載，顯著提高結構剛度；洪雷等^[14]對預應力CFRP加固下的高強混凝土梁進行承載能力試驗研究，結果表明預應力CFRP板能顯著提升結構開裂荷載和極限荷載；金瀏等^[15]認為在大尺寸梁橋實體結構上進行試驗耗時耗力且成本高昂，此類加固性能評估研究較少；王作虎等^[16]認為受限于尺寸效應，構建模型的加載水平和破壞模式與實際橋梁存在差異，能否將模型梁橋研究成果應用于真實大型結構還需進一步驗證。預應力CFRP板加固橋梁的主要目的是提高原結構的極限抗彎承載力，加固機理和提高梁橋加固后的結構剛度也是橋梁加固需研究的重要問題，目前缺乏實橋加固效果作為參考，在一定程度上影響了加固設計和高速公路改擴建工程的決策和建設。

本文依托服役超過20 a的某高速公路橋梁，以預應力CFRP板加固的連續(xù)梁橋為例，通過實橋荷載試驗，結合有限元理論計算分析結構撓度和裂縫變化，探討預應力CFRP板的加固機理和結構剛度變化，明確大型實橋上的加固效果，為預應力CFRP板的加固設計及高速公路改擴建中橋梁結構的決策提供參考。

1 工程背景

某高速公路橋梁迄今已運行超過20 a。上部結構型式為4×25 m的預應力混凝土連續(xù)空心板梁，單幅橋凈寬15.75 m，橋面布置為單向三車道，設計汽車荷載為汽車-超20級，掛車-120；下部結構型式為多柱框架式橋臺、雙柱實心薄壁式橋墩，墩梁固結。梁體、橋墩分別采用40^#、30^#混凝土。經(jīng)過現(xiàn)場調研，發(fā)現(xiàn)該橋中跨跨中位置2 m范圍內存在2條貫通底板和腹板的U型裂縫（以下簡稱裂縫a、b），經(jīng)檢驗判斷為因結構承載力不足引起的結構性開裂。

采用預應力CFRP板和體外預應力束2種方式對該梁橋結構進行組合加固，如圖1所示。

在分離式主梁底部橫向對稱布置9片CFRP板，間距如圖2所示，每片CFRP板設計寬度為100 mm，厚2 mm，采用錨固一端后進行單端張拉，張拉控制應力為960 MPa，并采用專用錨固膠粘結于梁底，如圖3所示。本文僅分析預應力CFRP板的加固機理和加固效果。

2 現(xiàn)場荷載試驗

對橋梁加固前、后分別進行荷載試驗，確定實際加固效果。加固前，此橋交通量大，無法封閉交通，故未在加固前進行荷載試驗。近期進行高速公路改擴建，需封閉該橋交通?，F(xiàn)場荷載試驗方案步驟為：1）放張梁體腹板的體外預應力束，保留預應力CFRP板，進行現(xiàn)場荷載試驗，試驗結果作為預應力CFRP板加固后的效果評價依據(jù)；2）從跨中和四分點部位將預應力CFRP板切斷并全部拆除，1^#～6^#位移計同步測量拆除預應力CFRP板后梁體的撓度作為反拱值，再次進行現(xiàn)場荷載試驗，試驗結果作為預應力CFRP板加固前的效果評價依據(jù)；3）對比分析2次試驗結果。

依據(jù)公路-I級荷載要求^[17]進行荷載試驗，確定試驗加載車的質量及加載位置。以梁底板撓度作為對比參數(shù)，評估預應力CFRP板的加固效果?，F(xiàn)場試驗選取中跨跨中斷面作為控制截面，采用總質量為35 t的三軸自卸車作為加載車，加載車參數(shù)示意圖如圖4所示，加載車橋面布置如圖5所示。

3 數(shù)值模擬

采用有限元分析軟件ANSYS進行數(shù)值模擬計算，分別模擬中跨預應力CFRP板加固前、后2種狀態(tài)，分析結構撓度和裂縫變化，分析加固機理并評估預應力CFRP板的加固效果。

3.1 有限元參數(shù)

梁體混凝土、橋墩混凝土采用實體單元Solid95，預應力CFRP板多采用殼單元Shell181模擬^[18-20]，梁體混凝土、橋墩混凝土、CFRP板的彈性模量分別為33、30、160 GPa，泊松比均為0.2。CFRP板的線膨脹系數(shù)為-1.90×10^-6 /℃。荷載試驗過程中梁體與預應力CFRP板間黏結良好無滑移，將梁體混凝土和預應力CFRP板做共用節(jié)點處理^[21]，不考慮普通鋼筋和預應力鋼筋。實體模型網(wǎng)格劃分（六面體網(wǎng)格）如圖6所示，紅色是加載示意，黃色是邊界條件。

3.2 裂縫區(qū)域模擬

采用折減混凝土彈性模量的方式模擬混凝土損傷區(qū)域^[22]，但以往研究未提及彈性模量折減計算依據(jù)。梁體開裂后絕大部分裂縫處的拉力由鋼筋承擔，如圖7所示。

對彈性模量的折減幅度進行公式推導，有限元模型中折減彈性模量后的混凝土稱為等效混凝土單元。根據(jù)應力-應變關系可知裂縫處鋼筋應變

ε_s=Δl_s/L_s=F/（A_sE_s） ，

式中：Δl_s為在荷載作用下鋼筋的伸長量，E_s為鋼筋的彈性模量。

裂縫處等效混凝土單元應變

ε_c=Δl_c/L_c=F/（A_cE_c） ，

式中：Δl_c為荷載作用下等效混凝土單元增大的寬度，L_c為等效混凝土單元縱橋向網(wǎng)格寬度，A_c為裂縫截面等效混凝土橫截面積，E_c為等效混凝土單元的彈性模量。

Δl_s與Δl_c相等，得FL_s/（A_sE_s）=FL_c/（A_cE_c），即

Ε_c=L_cA_sE_s/（L_sΔH_iB），（1）

式中B為裂縫寬度。

加載前通過裂縫測寬儀測得裂縫初始寬度約為0.1 mm，滿載時測得最終裂縫寬度，即鋼筋伸長量約為0.1 mm，假設鋼筋與混凝土無滑移，按此計算鋼筋應力約為210 GPa，遠超標準鋼筋抗拉強度，故假設不成立，因此推斷在裂縫兩側部分長度內，鋼筋與混凝土黏結失效，故不能將裂縫初始寬度作為鋼筋標距計算，而應將黏結失效段作為鋼筋標距，鋼筋標準抗拉強度f_sk=235 MPagt;（Δl_sE_s）/L_s。

求得L_sgt;89.4 mm，即裂縫兩側鋼筋與混凝土黏結失效段長度大于89.4 mm，等效混凝土單元網(wǎng)格在縱橋向寬度可取10 cm。以從梁底板向上16 cm的區(qū)間為例，梁底板設計寬度為4.66 m，該區(qū)間高度內包含5組19-Φ^S15.24 mm的鋼束，16根直徑為12 mm的縱筋和30根直徑為8 mm的縱筋，代入式（1）求得E_c=1.68 GPa，其他裂縫區(qū)間計算同理。

3.3 CFRP板預應力

采用溫度法模擬CFRP板單元預應力^[23]，公式為：

α_lΔt=ε=σ/E，

式中：α_l為CFRP板的線膨脹系數(shù)，Δt為模擬溫度差，ε為CFRP板的應變，σ為CFRP板張拉控制應力，E為CFRP板彈性模量。

因無法測得預應力CFRP板的有效預應力，取文獻[24]預應力損失的10％，即有效預應力為864 MPa。采用共節(jié)點處理橋墩節(jié)點與地面，梁端節(jié)點均只釋放縱橋向位移。加載前輪與地面接觸面積為0.3 m×0.2 m，后輪為0.6 m×0.2 m^[25]，根據(jù)輪重對該面積內的節(jié)點施加豎向集中荷載。

4 對比分析

4.1 預應力CFRP板加固前、后實測撓度與設計撓度對比

考慮主梁未開裂前的設計狀態(tài)，計算設計公路-I級^[17]荷載作用下的理論撓度，與預應力CFRP板加固前、后的實測撓度進行對比，評價加固效果，結果如表1所示。

由表1可知：加固后結構的撓度變化量較小，平均減小6.14%；加固前、后各測點的撓度校驗系數(shù)均大于1.00，結構剛度均不滿足現(xiàn)行設計要求，表明預應力CFRP板加固對結構的剛度提升效果非常有限，這主要是因為梁體開裂后底板和部分腹板截面混凝土退出抗拉工作，梁體由全截面受力狀態(tài)轉變?yōu)殚_裂截面受力狀態(tài)，預應力CFRP板截面積遠遠小于實橋橫截面，不能彌補因截面開裂導致的剛度損失，預應力CFRP板加固所提供的預壓應力也不能完全抵消設計活載引起的底緣拉應力，梁體仍處于開裂截面受力狀態(tài)，故該加固方式并不適用于開裂梁體在正常使用狀態(tài)下的剛度需求。

4.2 數(shù)值模擬有效性驗證

對比預應力CFRP板加固前1～6測點的實測撓度與有限元理論撓度（考慮裂縫），如表2所示，二者數(shù)據(jù)基本吻合，證明前述數(shù)值分析的結果準確可靠，可以此為基礎進一步分析加固前、后的撓度變化和裂縫開合情況。預應力CFRP板加固前結構的豎向位移云圖如圖8所示。

4.3 加固對裂縫擴展的影響分析

預應力CFRP板加固前、后，裂縫a、b在荷載作用下的理論寬度（不考慮裂縫初始寬度）如表3所示。由表3可知：在設計最不利荷載作用下，預應力CFRP板加固后，有限元計算顯示裂縫依然會有開合，且與現(xiàn)場觀測到的現(xiàn)象吻合，但裂縫開合情況比加固前有明顯改善，表明理論上預應力CFRP板能有效抑制裂縫在荷載作用下的擴展，提高結構耐久性。

4.4 加固對結構下?lián)系挠绊懛治?/p>

拆除預應力CFRP板前、后梁體實測撓度與理論計算撓度如表4所示，其中加固狀態(tài)下的實測撓度扣除了拆除預應力CFRP板時測得的反拱。

由表4可知：（考慮反拱）加固后各測點實測撓度比不加固實測撓度減小19.29%～29.18%，平均減小23.37%；理論撓度相對減小20.87%～36.34%，平均減小28.20%。實測撓度與理論撓度較吻合，預應力損失取張拉控制應力的10%合理。預應力CFRP板加固可通過預應力產(chǎn)生的反拱抵消部分結構在活載作用下的撓度，即減小橋梁在日常運營荷載下的絕對下?lián)隙?，改善開裂后的下?lián)蠣顟B(tài)，抑制裂縫擴展，提升結構耐久性。

5 結論

1）通過荷載試驗與理論計算相結合的方式，探究預應力CFRP板的加固機理和加固效果。預應力CFRP板加固可通過預應力產(chǎn)生的反拱抵消部分結構在活載作用下的撓度，減小橋梁在日常運營荷載下的絕對下?lián)?，改善梁體開裂后的下?lián)蠣顟B(tài)，抑制裂縫擴展，提升結構耐久性。

2）預應力CFRP板加固前、后，開裂梁體在同等活載作用下的撓度變化不大，且下?lián)隙瘸^設計撓度，預應力CFRP板加固對結構本身剛度的提升效果不明顯。

參考文獻：

[1] 折欣，張兵，劉光濤，等. 高速公路改擴建安全交通組織研究[J].公路交通科技，2018，35（11）：116-121.

[2] 王保群，邢德進，陳成勇，等. 高速公路改擴建既有橋梁承載力評定[J].公路，2021，66（8）：216-220.

[3] 陳衛(wèi)霞，石紅磊.高速公路改擴建中既有空心板橋檢測評估方法研究[J].中外公路，2022，42（2）：164-168.

[4] 尹貽新. 上跨鐵路站場鋼桁架輸煤棧橋加固設計[J].山東交通學院學報，2021，29（3）：64-70.

[5] 管澤斌，李晉，吳鵬，等. 鋼絲繩聚氨酯水泥復合材料加固損傷空心板梁試驗研究[J].山東交通學院學報，2022，30（1）： 52-58.

[6] 傅晨曦，胡可，葉見曙. 有粘結預應力筋加固連續(xù)箱梁技術研究[J].山東交通學院學報，2009，17（4）：47-52.

[7] 黃僑，萬世成，關健，等. 裝配式預應力CFRP板錨具有限元分析與施工技術[J].中外公路，2019，39（2）：98-102.

[8] BIELAK J， SCHMIDT M， HEGGER J， et al. Structural behavior of large-scale I-Beams with combined textile and CFRP reinforcement[J].Applied Sciences， 2020， 10（13）： 4625.

[9] 洪華，胡皓，卓靜，等. 受損空心板梁預應力碳纖維板加固后成效研究[J].工程抗震與加固改造，2022，44（6）：142-147.

[10] 李碧卿，姜濤，徐文平，等.碳纖維板-角鋼-體外預應力索聯(lián)合加固梁試驗[J].結構工程師， 2023， 39（1）：132-140.

[11] 王渠， 吳慶雄， 黃宛昆，等. 預應力碳纖維板加固空心板橋試驗研究[J].南昌大學學報（工科版）， 2019， 41（3）： 247-252.

[12] 強旭紅，陳龍龍，姜旭. 張弦式預應力CFRP板加固鋼-混凝土組合梁的抗彎試驗[J].復合材料學報，2022，39（11）： 5135-5147.

[13] 肖喜平. 預應力碳纖維板加固RC梁二次受力抗彎性能研究[D].長沙：湖南大學，2016.

[14] 洪雷，太永偉. 預應力CFRP加固高強混凝土梁試驗[J].建筑科學與工程學報，2018，35（6）：66-72.

[15] 金瀏，張江興，李冬，等. CFRP布加固方案對RC梁剪切性能及尺寸效應影響分析[J].工程力學，2022，39（12）：31-40.

[16] 王作虎，申書洋，崔宇強，等. CFRP加固混凝土柱軸壓性能尺寸效應試驗分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2020，52（8）： 112-120.

[17] 中華人民共和國交通運輸部，中交公路規(guī)劃設計院有限公司. 公路橋涵設計通用規(guī)范： JTG D60—2015[S].北京： 人民交通出版社， 2015.

[18] 陳果. 預應力碳纖維板在橋梁加固中的應用研究[D].南京：東南大學， 2015.

[19] 于濤. 預應力碳纖維板抗彎加固鋼筋混凝土梁橋試驗研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2022.

[20] 張健. 預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土簡支梁的有限元分析[D].桂林：桂林理工大學，2008.

[21] 鄧朗妮. 預應力碳纖維板加固受彎構件試驗研究及理論分析[D].南寧：廣西大學， 2010.

[22] 李鵬程，周廣利，渠廣鎮(zhèn)，等.裝配式空心板橋鉸縫破壞原因分析[J].公路與汽運，2018（6）：138-141.

[23] 鄧朗妮， 余兆航， 廖羚，等. 基于彈簧-剛域的預應力CFRP板加固鋼梁的ANSYS分析[J].廣西大學學報（自然科學版）， 2014， 39（1）：38-42.

[24] 黃僑，萬世成，侯旭. 橋梁預應力碳纖維板加固中的參數(shù)取值及損失計算方法研究[J].公路交通科技，2016，33（9）： 52-57.

[25] 張喜剛. 公路橋梁汽車荷載標準研究[M].北京： 人民交通出版社， 2014．

Performance evaluation of in-service beam bridge strengthened by

prestressed CFRP plates

ZHU Zhenxiang¹， LI Pengcheng²， PANG Xuedong¹，

LI Guangqi²， SONG Xiaodong³

1.Shandong Hi-Speed Co.， Ltd.， Jinan 250014， China; 2.Shandong Transportation Institute， Jinan 250100， China;

3.School of Transportation， Southeast University， Nanjing 211189， China

Abstract：To evaluate the strengthening effect of prestressed carbon fiber reinforced polymer （CFRP） plates on an in-service prestressed concrete continuous hollow slab bridge， the mechanism and effectiveness of prestressed CFRP plate strengthening an in-service prestressed concrete continuous hollow slab bridge are studied using a combination of numerical simulation and load testing. The results indicate that prestressed CFRP plate strengthening can improve the deflection state of the beam after cracking， suppress crack propagation， enhance structural durability， but the effect on increasing the stiffness of the cracked structure itself is very limited， and this strengthening method is not suitable for the stiffness enhancement requirements of cracked beams in normal service conditions. The theoretical research and results can provide a basis for the reinforcement design of similar structures and decision-making for the expansion and reconstruction of highways.

Keywords：prestressed CFRP plate; bridge reinforcement; numerical simulation; load testing

（責任編輯：王惠）