預應力碳纖維板局部加固對橋梁整體影響分析

2016-07-23 07:49:04鄧云飛金凌志

河南科技大學學報(自然科學版) 2016年5期

鄧云飛，何　來，杜　芳，金凌志

(1.桂林理工大學廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林 541004；2.河南三德置業有限公司，河南鄭州 450121)

鄧云飛1，何來1，杜芳2，金凌志1

(1.桂林理工大學廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林 541004；2.河南三德置業有限公司，河南鄭州 450121)

摘要：對某簡支預應力鋼筋混凝土T形橋梁進行了預應力碳纖維板加固，用有限元模擬和實際監測兩種方法，對比分析了局部加固對橋梁整體的影響。研究結果表明：采用預應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應力傳遞，有效提高了整橋承載力。預應力碳纖維板加固混凝土橋梁時，碳纖維板與混凝土構件接觸部位的縱向、橫向和豎向均存在拉應力，有使碳纖維板從混凝土表面產生剝離的趨勢。有限元模擬數據與實際監測結果比較吻合，說明有限元模擬方法可以應用于實際工程的輔助計算。

關鍵詞：預應力碳纖維板；橋梁工程；局部加固；整體效應；有限元分析

0引言

碳纖維材料是一種高科技復合材料[1-2]，最早應用于軍事、航空、船舶和汽車等領域，20世紀50年代首次應用于增強混凝土結構，國內外對預應力碳纖維板加固結構構件已進行了大量研究。文獻[3]用14根預應力碳纖維梁與非預應力梁進行測試，發現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[4]對3根碳纖維板加固梁與未加固梁進行了對比分析，得出加固后鋼筋混凝土梁變形減緩的結論。文獻[5]對8根外部粘貼預應力碳纖維板加固受彎構件進行了研究，分析預應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用效率等的影響，發現預應力碳纖維板加固可大大提高受彎構件的開裂荷載和屈服荷載，提高受彎構件利用效率。文獻[6]采用外部粘貼預應力碳纖維板技術對某危橋進行了加固,橋梁結構承載力滿足加固設計荷載要求,且撓曲變形顯著減小,橋梁結構的內力分布得到明顯改善。在工程上，文獻[7]對開裂嚴重、梁體撓曲變形明顯的鋼筋混凝土簡支T形梁橋進行了提載性加固，顯著提高了橋梁結構的承載能力，增大其剛度，改善其內力分布，從而有效提升了橋梁的運營能力。文獻[8]用預應力碳纖維板對洋河橋進行加固，對施工工序、承載力和應力進行了驗算，為后續橋梁加固提供參考。

但是，有關預應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，探討預應力碳纖維板對既有橋梁局部加固的整體影響機理。并將有限元模擬數據與實測數據進行了對比分析，驗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跨長預應力混凝土簡支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。經過16 年的運營，橋梁已出現不同程度的損傷。在2011年9月的定期檢查中，發現部分T梁已出現馬蹄緣開裂、下撓變形、橫隔板混凝土破損、局部鋼筋銹脹、鋪裝層開裂和車轍等病害。監測數據表明：破損最嚴重的是1#梁，從離支座1/3跨長的位置到跨中區域的截面下緣均出現了拉應力，不滿足抗裂要求，部分病害有發展迅速的趨勢，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預應力碳纖維板加固方案

根據文獻[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，經過多種方案比較，決定采用預應力碳纖維板進行加固。首先，對裂縫和局部破損部位采用丙乳砂漿或丙乳細石混凝土進行修補；然后，對損傷較嚴重的1#梁、2#梁和3#梁進行預應力碳纖維板側面體外加固。預應力碳纖維板的張拉控制應力取960 MPa，張拉控制力為(0.4×2 400×200) N=192 kN，碳纖維板規格(寬×厚)為100 mm×2 mm，長21 m，布置在梁兩側距梁底100 mm處，采用一端同時張拉，預應力損失取張拉控制應力的10%～15%,加固示意圖見圖2和圖3。

圖2預應力碳纖維板加固位置及表面應變計布置圖3加固T梁橫截面圖

2加固結果與分析

為了對比分析預應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變采用光纖光柵混凝土表面應變計進行監測。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，假設加固前為初始狀態，應變基準值為0，加固后通過光纖光柵傳感器測出變化的波長，并由波長與應變值的換算公式得到相應的應變數據，進而由應變值計算出應力值。表1為主梁底部所測混凝土應變和應力值。圖4為測點主壓應力曲線圖。通過計算分析發現：對碳纖維板施加預應力后，1#加固梁、2#加固梁和3#加固梁底部的應力由趨近于零變為負值，說明碳纖維板對主梁加固的效果明顯，其原因是預應力碳纖維板加固后使主梁底部承受壓力，其應力由拉應力轉變為壓應力，梁承載能力的提高,與文獻[10]的加固效果一致。除加固梁梁底混凝土的應力變化較大外，未加固的4#梁和5#梁的應力值也發生了不同程度的變化，變化量較大的4#梁，增加的應力為加固梁平均應力的26.5%，變化較小的5#梁增加的應力為加固梁平均應力的8.8%。采用預應力碳纖維板加固，可以產生整體加固效應，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，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應力傳遞，越靠近加固梁，這種影響越大。

表1　主梁底部所測混凝土應變和應力值

3有限元模擬驗證

圖4　測點主壓應力曲線圖

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

3.1材料參數

模型定義的材料有混凝土、普通鋼筋、預應力筋和碳纖維板，材料參數見表2。

表2　材料參數表

3.2數值模擬結果與分析

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

(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力圖

表3　有限元模擬得出各測點的應力值　　MPa

模擬結果還表明:加固的1#梁、2#梁和3#梁在預應力碳纖維板長度范圍內，其腹板下邊緣的混凝土縱向處于受拉狀態，混凝土與碳纖維板的拉應變滿足變形協調關系;腹板兩側碳纖維板的預應力向與其連接的混凝土的T梁傳遞，導致梁沿縱向產生了拉應力，而且預應力碳纖維板沿縱向、橫向和豎向均存在不同程度的拉應力，有使碳纖維板產生剝離的趨勢。因此，在采用預應力碳纖維板進行加固時，應采取措施保證碳纖維板與混凝土之間有可靠黏結和錨固，避免產生剝離。

4實測數據與有限元模擬數據對比

表4將加固前后混凝土梁應力總變化量實際監測值與ANSYS有限元模擬值進行了對比。橋梁應力總變化量實測值與模擬值比值的均值為0.93，標準差為0.09，變異系數為9.68%，說明實測值與有限元模擬值較為吻合，各測點實測值與模擬值的誤差基本在10%之內，屬于允許范圍。產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、預應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可靠性等情況，造成有限元模擬的應力值略微高于實測值。

表4　加固前后混凝土梁應力總變化量

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

5結論

(1)預應力碳纖維板加固既有一定損傷和病害的橋梁結構，能顯著減小加固梁底部的拉應力，補強效應明顯，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，產生良好的整體效應。

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

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

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基金項目：國家自然科學基金項目(51368013);廣西重點實驗室基金項目(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,碩士生導師,主要研究方向為預應力與新型混凝土材料結構.