預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T梁橋效果評(píng)價(jià)

王 渠

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建福州 350116； 2.工程結(jié)構(gòu)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350116)

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T梁橋效果評(píng)價(jià)

王 渠1,2

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建福州 350116； 2.工程結(jié)構(gòu)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350116)

文章介紹了一座20m鋼筋混凝土T梁橋預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方法，并通過(guò)荷載試驗(yàn)、承載能力驗(yàn)算與技術(shù)狀況對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)定。荷載試驗(yàn)結(jié)果表明：同一試驗(yàn)荷載作用下，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的T梁跨中截面應(yīng)變減小約24%，撓度減小約7%，加固后各片梁受力更加均勻，橋梁的橫向聯(lián)系增大。加固前、后主梁的固有振型不變，一、二階實(shí)測(cè)頻率分別較加固前增加了2.54%和20.68%。承載能力驗(yàn)算表明：采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后主梁抗彎承載能力提高了17%。技術(shù)狀況評(píng)定表明：加固后橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)估等級(jí)由4類(lèi)橋變?yōu)?類(lèi)橋。研究表明，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法可以增加主梁的抗彎剛度和承載能力，是一種合理有效的橋梁加固方案。

T梁橋；預(yù)應(yīng)力碳纖維板；加固；效果評(píng)價(jià)

0 引言

目前，我國(guó)路橋建設(shè)事業(yè)快速發(fā)展，截止到2015年年底，全國(guó)公路橋梁達(dá)到77萬(wàn)多座，其中需要進(jìn)行維修加固的橋梁超過(guò)12萬(wàn)座[1]，橋梁維修加固任務(wù)繁重。隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，碳纖維材料加固在橋梁加固行業(yè)也得到快速發(fā)展和應(yīng)用，其具有質(zhì)量輕，抗拉強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，施工操作方便，加固效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。但是，鋼筋屈服時(shí)碳纖維材料所受到的拉力還未達(dá)到自身極限抗拉強(qiáng)度的15%[3]。因此，預(yù)應(yīng)力碳纖維板開(kāi)始應(yīng)用于橋梁加固，它同時(shí)具有體外預(yù)應(yīng)力和碳纖維材料的優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠修復(fù)結(jié)構(gòu)的變形和閉合裂縫，而且可大大提高碳纖維材料的利用率，大幅提升加固構(gòu)件的極限承載力[4-7]。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力碳纖維板的加固效果研究，Garden與Hollaway[8-9]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了加固中是否采用預(yù)應(yīng)力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：施加預(yù)應(yīng)力發(fā)生碳纖維板的拉斷破壞，反之發(fā)生碳纖維板剝離破壞。施加預(yù)應(yīng)力不僅可以增大混凝土受壓區(qū)的高度，而且還提高了構(gòu)件剛度和碳纖維板的利用率，最終也提高了構(gòu)件的抗彎承載力。徐福全[10]進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，體外碳纖維板加固明顯提高了梁的剛度。碳纖維板加固只能有效地延緩裂縫的發(fā)展。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固則可以明顯提高梁的承載能力，且梁的抗彎承載力隨著預(yù)應(yīng)力的增加而提高。肖驍[3]、趙玉霞[11]通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固既有橋梁的有效性。

本文介紹了一座實(shí)際橋梁工程的預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方案。并通過(guò)對(duì)比分析加固前、后抗彎承載力、橋梁技術(shù)狀況，及同一試驗(yàn)荷載時(shí)橋梁的應(yīng)變、撓度和自振頻率的變化情況，驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方案的合理性和有效性。

1 工程概況

1.1 背景工程概況

背景橋梁工程為20m+3×20m+4×20m+4×20m+2×20m+20m鋼筋混凝土先簡(jiǎn)支后橋面板連續(xù)T梁橋，橋面寬9.0m，其斷面形式為凈-7.0m(行車(chē)道)+2×1.0m(人行道)，由4片T梁組成，梁高1.5m。設(shè)計(jì)荷載為汽-20級(jí)、掛-100，1998年1月建成投入使用。一跨標(biāo)準(zhǔn)圖如圖1所示。

(a)立面圖

(b)跨中截面圖1 一跨標(biāo)準(zhǔn)圖(單位：cm)

1.2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方法

為了提高主梁結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，采用封閉T梁腹板裂縫后，在T梁腹板底和側(cè)面采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行抗彎加固，在梁端采用粘貼鋼板進(jìn)行抗剪加固，如圖2所示。采用SST Laminates CFK LA200碳纖維板，寬100 mm，厚1.4 mm，碳纖維板主要性能如表1所示。

表1 LA200碳纖維板主要性能

(a)1/2立面圖

(b)1/2平面圖

(c)A-A斷面 (d)B-B斷面圖2 主梁預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固設(shè)計(jì)方案(單位：cm)

2 實(shí)橋荷載試驗(yàn)

為提高橋梁的強(qiáng)度和承載力，管養(yǎng)部門(mén)于2009年對(duì)該橋主梁采取了三面粘鋼的方法進(jìn)行加固。但是，該橋15#孔于2012年1月被橋下堆積雜物起火焚燒，致使主梁粘貼的鋼板變形脫落。為驗(yàn)證粘鋼能否起到加固效果，2013年1月對(duì)該橋15#孔進(jìn)行了荷載試驗(yàn)。

為確保橋梁運(yùn)營(yíng)安全，管養(yǎng)部門(mén)又于2013年3月采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板的方法對(duì)15#孔主梁進(jìn)行加固，對(duì)支座附近主梁截面采用鋼板進(jìn)行加固，并對(duì)橋面鋪裝裂縫進(jìn)行了修復(fù)。為對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為橋梁管養(yǎng)部門(mén)提供了橋梁的基礎(chǔ)技術(shù)狀況資料，2013年10月再次進(jìn)行了荷載試驗(yàn)。

按照等代荷載的方式進(jìn)行加載。加載汽車(chē)采用2輛重量約320kN的三軸雙后軸汽車(chē)。靜載試驗(yàn)各個(gè)工況最終的加載效率如表2所示，試驗(yàn)效率系數(shù)在0.95～0.96，滿(mǎn)足規(guī)范的0.95～1.05的要求[12]。

對(duì)跨中和L/4截面進(jìn)行應(yīng)變和撓度測(cè)試。在每片T梁梁肋底緣布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，全橋共布置應(yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn)各8個(gè)，應(yīng)變、撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

表2 主梁靜載測(cè)試工況及測(cè)試內(nèi)容

圖3 跨中截面應(yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固T梁橋效果評(píng)價(jià)

3.1 加固前后主梁應(yīng)變對(duì)比

圖4列出試驗(yàn)荷載作用下截面應(yīng)變的實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值，負(fù)值表示壓應(yīng)變，正值表示拉應(yīng)變。工況1荷載作用下跨中和L/4截面的最大應(yīng)變分別為1.62×10-4和1.58×10-4，卸載后最大殘余應(yīng)變分別為3×10-6和8×10-6。工況2荷載作用下跨中和L/4截面最大應(yīng)變分別為1.59×10-4和1.34×10-4，卸載后最大殘余應(yīng)變分別為2.1×10-5和1.1×10-5。對(duì)比可得：應(yīng)變實(shí)測(cè)值L/4截面變化規(guī)律與理論計(jì)算值變化規(guī)律基本一致，但跨中截面與理論計(jì)算值變化規(guī)律不一致，控制截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大值為1.10，卸載后控制截面測(cè)點(diǎn)的最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?1.05%，不符合《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》)[13]規(guī)定的要求。說(shuō)明跨中截面存在大量裂縫，導(dǎo)致荷載作用下主梁的應(yīng)變分布不均勻。

圖5列出試驗(yàn)荷載作用下截面應(yīng)變的實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值。工況1荷載作用下跨中和L/4截面的最大應(yīng)變分別為1.28×10-4和7.4×10-3，卸載后最大殘余應(yīng)變分別為1.8×10-5和1.3×10-5。工況2荷載作用下跨中和L/4截面最大應(yīng)變分別為1.31×10-4和7.6×10-3，卸載后最大殘余應(yīng)變分別為1.4×10-5和8×10-6。對(duì)比可得：荷載作用下控制截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值變化規(guī)律與理論計(jì)算值變化規(guī)律基本一致，卸載后各截面應(yīng)變基本可恢復(fù)。控制截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.75，最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?8.60%，符合《規(guī)程》規(guī)定的要求。

(a)跨中截面

(b)L/4截面圖4 加固前應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值的比較

(a)跨中截面

(b)L/4截面圖5 加固后應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值的比較

對(duì)比圖4和圖5，加固后工況1和工況2跨中截面最大應(yīng)變分別減小0.34×10-4和0.28×10-4。同一試驗(yàn)荷載作用下，加固后主梁梁底應(yīng)變較加固前減小約24%。采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的主梁抗彎剛度增加，減小了加固后的主梁梁底的應(yīng)力和應(yīng)變。同時(shí)，加固后同一截面不同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變實(shí)測(cè)值更加均勻，各片梁受力均勻，橋梁的橫向聯(lián)系增大。

3.2 加固前后主梁撓度對(duì)比

圖6列出了試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙葴y(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值，撓度以向下為正、向上為負(fù)。工況1荷載作用下跨中和L/4截面的最大撓度分別為6.48mm和4.16mm，卸載后最大殘余變形分別為1.38mm和0.64mm。工況2荷載作用下跨中和L/4截面最大撓度分別為5.93mm和4.26mm，卸載后最大殘余變形分別為0.71mm和0.13mm。對(duì)比可得：主梁撓度變化規(guī)律與理論計(jì)算基本一致，控制測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)的最大值為0.98，符合《規(guī)程》的要求。但是，部分撓度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度大于理論值，卸載后控制測(cè)點(diǎn)的最大相對(duì)殘余變形為31.65%，不符合《規(guī)程》的要求。說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)實(shí)際剛度較小，橋梁主梁之間的橫向聯(lián)系較弱，結(jié)構(gòu)有大量裂縫存在，導(dǎo)致主梁已進(jìn)入彈塑性階段。

圖7列出了試驗(yàn)荷載作用下各撓度測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值。工況1荷載作用下跨中和L/4截面的最大撓度分別為6.07mm和3.63mm，卸載后最大殘余變形分別為0.11mm和0.07mm。工況2荷載作用下跨中和L/4截面最大撓度分別為5.44mm和3.64mm，卸載后最大殘余變形分別為0.12mm和0.05mm。對(duì)比可得：主梁撓度規(guī)律與理論計(jì)算基本一致，卸載后變形基本可恢復(fù)。控制截面測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)的最大值為1.00，最大相對(duì)殘余變形為2.73%，符合《規(guī)程》規(guī)定的要求。

(a)跨中截面

(b)L/4截面圖6 加固前撓度實(shí)測(cè)值與理論值的比較

(a)跨中截面

(b)L/4截面圖7 加固后撓度實(shí)測(cè)值與理論值的比較

對(duì)比圖6和圖7，加固后工況1和工況2控制截面最大撓度分別減小0.41mm和0.39mm。同一試驗(yàn)荷載作用下，加固后主梁撓度較加固前減小約7%。采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的主梁抗彎剛度增加，在荷載作用下?lián)隙葴p小。同時(shí)，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的橋梁整體受力能力增強(qiáng)，未出現(xiàn)個(gè)別測(cè)點(diǎn)撓度過(guò)大的情況。

3.3 加固前后主梁模態(tài)對(duì)比

根據(jù)固有振動(dòng)測(cè)試分析得到加固前、后的面內(nèi)模態(tài)頻率如表3所示。可以得到：加固前、后橋梁固有振動(dòng)振型一致。加固后固有振動(dòng)頻率較加固前提高，加固后一階(面內(nèi)對(duì)稱(chēng))實(shí)測(cè)頻率較加固前增加了2.54%，二階(面內(nèi)反對(duì)稱(chēng))頻率增加了20.68%，說(shuō)明加固后橋梁整體動(dòng)剛度增大。這與靜載試驗(yàn)撓度減小的結(jié)果是一致的。

表3 加固前、后固有振動(dòng)頻率和振型比較

3.4 加固前后抗彎承載力對(duì)比

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》(JTJ 023-85)[14]4.1.2條的規(guī)定，當(dāng)結(jié)構(gòu)重力產(chǎn)生的效應(yīng)與汽車(chē)(或掛車(chē)或履帶車(chē))荷載產(chǎn)生的效應(yīng)同號(hào)時(shí)，抗彎承載力按式(1)計(jì)算：

(1)

各單項(xiàng)荷載以及荷載組合下的跨中截面彎矩如表4所示。加固前跨中截面的抗彎承載力為2276kN·m，小于荷載效應(yīng)2650kN·m，說(shuō)明原構(gòu)件跨中截面抗彎承載力不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行加固。采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后跨中截面的抗彎承載力為2663kN·m，略大于荷載效應(yīng)2650kN·m，說(shuō)明采用碳纖維板加固后的跨中截面的抗彎承載力滿(mǎn)足要求，且主梁承載能力提高17%。

表4 單項(xiàng)荷載以及荷載組合下跨中截面彎矩 (單位：kN·m)

3.5 加固前后橋梁技術(shù)狀況對(duì)比

按照公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)(JTG /T H21-2011)[15]對(duì)加固前、后該橋的技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)分Dr根據(jù)上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和橋面系的技術(shù)狀況評(píng)分按式(2)計(jì)算：

Dr=DCI×WD+SPCI×WSP+SBCI×WSB

(2)

式中，WD、WSP、WSB——橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的權(quán)重。

加固前該橋上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和橋面系的技術(shù)狀況評(píng)分分別是29.64分、48.45分、74.62分，總分46.16分，在加固改造中，清理疏通橋面系排水裝置，更換損壞部分，清除伸縮裝置內(nèi)的積土、垃圾等雜物。上下部結(jié)構(gòu)鑿除破損混凝土，鋼筋除銹后，進(jìn)行混凝土缺陷處理；對(duì)小于0.15 mm的裂縫采用裂縫修補(bǔ)膠表面封閉，對(duì)于大于0.15 mm的裂縫采用壓力灌注法進(jìn)行封閉，主梁裂縫封閉后，粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板。墩臺(tái)結(jié)構(gòu)缺陷面積大于0.1m2，需再貼三層300g/m2碳纖維布。加固后該橋上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和橋面系的技術(shù)狀況評(píng)分分別是73.50分、100.00分、75.25分，總分84.45分。技術(shù)狀況由加固前的4類(lèi)橋變?yōu)?類(lèi)橋，由“需進(jìn)行中修或大修工程”變?yōu)椤坝休p微缺損，對(duì)橋梁使用功能無(wú)影響”，加固效果明顯。

4 結(jié)論

(1)靜載應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明，同一試驗(yàn)荷載作用下，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維加固后的主梁梁底應(yīng)變較加固前減小約24%，主梁撓度較加固前減小約7%。加固后各片梁受力更加均勻，橋梁的橫向聯(lián)系增大。利用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固T梁橋，可以有效地提高主梁的抗彎剛度和承載能力。

(2)固有振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固前、后主梁的固有振型一致，面內(nèi)一階振型的頻率較加固前增加約2.54%，面內(nèi)一階反對(duì)稱(chēng)振型的頻率較加固前增加約20.68%。

(3)采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后T梁跨中截面的抗彎承載力滿(mǎn)足要求，主梁承載能力提高約17%。

(4)采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后該橋技術(shù)狀況由4類(lèi)橋變?yōu)?類(lèi)橋，由“需進(jìn)行中修或大修工程”變?yōu)椤坝休p微缺損，對(duì)橋梁使用功能無(wú)影響”。

[1] 劉超越.荷載/濕熱環(huán)境作用下粘貼CFRP加固鋼筋砼梁的耐久性研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

[2] 姜輝，周履.碳纖維加勁塑料在橋梁工程中的應(yīng)用[J].橋梁建設(shè)，1999(3)：63-65.

[3] 肖驍.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固既有橋梁的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2016.

[4] Yail J Kim,Chen S,Mark F Green.Ductility and Cracking Behavior of Prestressed Concrete Beams Strengthened with Prestressed CFRP Sheets[J].Journal of Composites for Construction,2008,12(3):274-283.

[5] 趙井衛(wèi),涂金平，周泳濤.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T梁橋的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].公路,2013(1):149-153.

[6] 彭暉,尚守平,張建仁 ,等.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固T梁的試驗(yàn)與理論研究[J].公路交通科技,2009,26(10):59-65.

[7] 尚守平，彭暉,汪明，等.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固受彎構(gòu)件的延性控制方法[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2009,30(1):68-74.

[8] Garden， H.N.， and Hollaway， L.C.， An Experimental Study of the Failure Modes of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Prestressed Carbon Composite Plates[J].Journal of Composites， 1998， 29(B):411-424.

[9] Garden， H.N.， and Hollaway， L.， An Experimental Study of the Strengthening of Reinforced Concrete beams using Prestressed Carbon Composite Plates[J].In Proc of the 7th International Conference on Extending the Life of Bridges， Civil Building Structures， London，1997， 191-199.

[10] 徐福泉，李東彬，趙基達(dá)，等.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40：372-375.

[11] 趙玉霞.預(yù)應(yīng)力碳纖維板在橋梁加固中的應(yīng)用[A].中國(guó)公路學(xué)會(huì)養(yǎng)護(hù)與管理分會(huì)，2016:6.

[12] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/T J21 01-2015 公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2015.

[13] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/T J21-2011 公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[14] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTJ 023-85 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[S].北京：人民交通出版社，1985.

[15] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/T H21-2011 公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社，2011.

EffectevaluationonconcreteT-beambridgereinforcedbyprestressedCFRPplate

WANGQu1,2

(1.College of Civil Eng.,Fuzhou University,Fuzhou 350116;2.Key Laboratory of Civil Eng.,Fujian Province University,Fuzhou 350116)

The reinforcement method of a 20 m concrete T-beam bridge reinforced by prestressed Carbon Fiber Reinforced Plastics(CFRP) plate is introduced.The reinforcement effect is evaluated by load test,bearing capacity checking and technical grade evaluation.Load test results show that the mid-span section strain of T-beam reinforced by prestressed CFRP plate decreases by about 24%,the mid-span section deflection of that decreases by about 7% under the same load.After reinforcement,the force of each plate is more uniform,and the transverse connection of the bridge increases.Natural vibration mode of T-beam was unchanged after reinforcement,and the measured frequency of 1st-order frequency and 2nd-order frequency increased by 2.54% and 20.68%,respectively.Bearing capacity checking results show that the bearing capacity of T-beam reinforced by prestressed CFRP plate improved by 17%.Technical grade evaluation results show that the technical grade of the bridge is changed from 4th-bridge to 2nd-bridge.The research shows that the flexural rigidity and bearing capacity can be increased by the method of prestressed CFRP plate effectively,which is a reasonable and effective bridge reinforcement scheme.

T-beam bridge; Prestressed CFRP; Reinforcement; Effect evaluation

福建省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目(編號(hào)：201342)，福州大學(xué)科研啟動(dòng)基金(編號(hào)：GXRC-17041)。

王渠(1989- )，男，實(shí)驗(yàn)師。

E-mail:wangqu1989@163.com

2017-09-15

U445.7+2

A

1004-6135(2017)12-0069-05