小箱梁預應力CFRP板加固前后荷載試驗對比

龍興燦 李衛鋒

（南京交通職業技術學院，江蘇 南京 211188）

0 引言

碳纖維增強復合材料（CFRP）加固因具有質量輕、強度高、耐久性好、施工便捷等優點而被廣泛應用于公路混凝土舊橋加固改造工程中［1-2］。對混凝土梁而言，新型加固方法主要集中在外貼CFRP 加固和體外預應力CFRP 加固，而嵌入式CFRP 筋加固處于試驗與理論研究階段［3-4］。

傳統的粘貼CFRP 技術能夠有效提高混凝土結構的承載能力和有效改善其抗疲勞和耐久性能［5-6］。但存在諸如CFRP 高強特性不能夠充分發揮、材料使用效率低等方面的問題［7］。預應力CFRP 板加固技術是主動式加固方法，工作原理為通過張拉安裝在梁板上的CFRP 板對梁體施加預應力，從而改善梁體的受力狀態，提高梁板承載力［8］。

有學者［9-13］通過力學試驗研究表明，預應力CFRP板可以在一定程度上提高CFRP強度利用率，改善彈性模量較低的劣勢；消除被加固梁的變形，明顯抑制裂縫的開展，提高抗彎能力；減少或防止CFRP板剝離破壞的產生［14］，增強加固的效果。

預應力CFRP 板工程現場應用的研究較少，主要有龍興燦等［15］對預應力CFRP板加固混凝土組合箱梁設計、施工工藝流程等作出詳細說明，為類似加固工程設計與施工提供借鑒與參考；潘勇等［8］通過對CFRP 板預應力狀況進行長期監測，研究了CFRP板預應力加固的長期效果。

本研究以繡針河大橋為例，介紹預應力CFRP板的加固方案，對該橋進行加固前和加固后的靜載試驗、模態試驗，并對其加固前后的試驗結果進行對比分析，為預應力CFRP板加固小箱梁提供借鑒。

1 項目概況

1.1 橋梁概況

汾灌高速繡針河大橋樁號為K760+136，跨徑組成為：2 m×（6×30）+3 m×（5×30）+6 m×30，上部結構為裝配式部分PC 連續箱梁，橋梁設計荷載為汽車—超20；掛—120；橋梁全寬28.0 m。歷年橋梁檢查所得裂縫數量見表1。

表1 歷年裂縫數量表（單位：條）

由歷年檢查結果可知，繡針河大橋組合箱梁病害呈快速發展勢態。

1.2 加固方案

加固方案如圖1 所示。因在實際運營荷載下，箱梁跨中抗彎承載力不足，對該橋的右幅第五聯采用預應力碳纖維板進行加固。對第1、5 跨（邊跨）梁底粘貼2 片寬5 cm、厚3 mm 碳纖維板，第2、3、4跨（中跨）箱梁底板粘貼3 片寬5 cm、厚3 mm 碳纖維板，碳纖維板的張力控制應力為1 277 MPa。

圖1 聯碳纖維板加固示意圖

1.3 荷載試驗的目的

本次荷載試驗包括加固前和加固后兩部分，試驗目的除了評定橋梁既有承載能力和分析病害成因外，主要目的是判斷預應力CFRP 板加固效果。

荷載試驗的主要目的是檢驗橋梁加固后碳纖維板參與截面受力的程度，梁體剛度、應變狀態及裂縫寬度的改善情況。對比加固前后荷載試驗的結構響應，判斷加固效果，為后期加固方案優化、措施選擇奠定基礎。

2 加固前后的靜載試驗

2.1 試驗方法

在該橋的右幅第五聯加固前進行靜載試驗，該聯進行預應力碳纖維板加固后，再次進行靜載試驗，測試加固前后的應變、撓度，橫向分布系數變化，是否都符合平截面假定，以及加載前后裂縫發展情況對比。

2.1.1 加載方式。在實橋運營荷載調查的基礎上，加固設計荷載取1.3 倍的汽車—超20 級，選擇6 輛35 t 重車進行加載。荷載效率系數η介于0.95～1.05，滿足規范［16］要求。

2.1.2 測試截面的選擇。根據受力最不利原則選擇最大正彎矩截面作為主要測試截面，同時將1/4截面作為次要測試截面。該橋利用MIDAS軟件建立梁單元進行結構計算。計算彎矩包絡圖、邊梁與次邊梁活載彎矩包絡圖。

根據橋梁內力計算結果，測試截面為B1、C1、B2、C2，測試項目撓度和應變，測試截面見圖2。

圖2 右幅第五聯測試截面位置圖（單位：cm）

2.1.3 測試截面的測點布置。

①應變測點布置。應變采用表面式振弦式傳感器測量。加固前傳感器粘貼位置示意圖如圖3所示。加固后靜載試驗比加固前增加碳板應變測點。另外，采用應變計換算位移，對兩條腹板典型裂縫寬度進行監測，分別為C2 截面附近1#梁外腹板豎向裂縫，距23#墩14.6 m，2#梁外腹板豎向裂縫，距23#墩15.7 m。C1 截面應變與裂縫測點布置見圖3。

圖3 C1應變布置（單位：cm）

②位移測點布置。位移采用百分表測量。測點布置見圖4。

圖4 C1、C2位移布置（單位：cm）

2.2 靜載試驗結果分析

由于篇幅所限，僅對工況二（次邊跨B2、C2）試驗數據進行分析。

①加固前、加固后加載時裂縫擴展數據見表2。從表2 可知，1#梁外腹板豎向裂縫在加固前裂縫寬度增加了0.22 mm（總寬度0.31 mm），加固后裂縫寬度增加了0.10 mm；2#梁外腹板豎向裂縫在加固前裂縫寬度增加了0.12 mm，加固后裂縫寬度增加了0.07 mm；卸載后裂縫均能恢復。另外，1#梁底跨中附近在加固前二級加載時就出現了新增裂縫，三級加載時裂縫寬度為0.10 mm；加固后二級加載時裂縫未出現，三級加載時出現2 道新增裂縫，最大寬度0.04 mm，卸載后，所有的裂縫均能閉合。說明預應變碳纖維板加固后能很好地限制裂縫發展。

表2 加固前后工況二的1#、2#梁腹板裂縫寬度擴展值

②加固前一級至三級加載時1#梁底面出現裂縫，其余梁底未發現明顯裂縫，1#梁和2#梁的腹板豎向裂縫變寬；加固后二級至三級加載時1#梁底面出現裂縫，1#梁和2#梁的腹板豎向裂縫已封閉，加載后變寬，較加固前減小。加固前、加固后加載時B2、C2 截面梁底板應變測試數據分析分別見圖5、圖6。由此可知，B2 截面由于加載后未開裂，梁體應變略有減小，而C2 截面梁體已出現裂縫，加固后雖然不能徹底解決梁體開裂狀況，但應變減小非常明顯，從側面反映了碳纖維板對裂縫有限制作用。

圖5 B2截面梁底應變對比圖

圖6 C2截面梁底應變對比圖

③加固前、加固后加載時C2 截面1#梁與2#梁腹板應變測試數據分別見表3、表4。從表3、表4 可知，1#梁腹板距底面40 cm 處應變變化大，裂縫寬度顯著增加，加固后對裂縫的限制作用也很明顯。

表3 加固前后工況二1#梁腹板應變數據分析

表4 加固前后工況二2#梁腹板應變數據分析

④加固前、加固后加載時B2、C2截面的位移測試數據分析分別見圖7、圖8，跨中橫向分布系數見圖9。由圖7、圖8、圖9 可知，該聯各測試截面位移校驗系數和相對殘余變形均小于規范規定的1.0和20%［16］，結構處于彈性工作階段。在加固后撓度略有減小，最小值約為8%，對結構剛度略有提高，基本不影響橫向分布系數。

圖7 B2截面位移對比圖

圖8 C2截面梁底位移對比圖

圖9 跨中橫向分布系數

2.3 荷載試驗后的檢查

進行加固后荷載試驗，并對橋梁外觀進行進一步檢查，沒有發現新增裂縫，原有裂縫的寬度和長度均未發生明顯變化，與結構處于彈性狀態吻合。

3 模態試驗

對橋梁加固前后分別進行模態試驗，采用MIDAS/CIVIL 建立有限元模型進行分析，根據計算結果，選取橋梁上21 個測量斷面（見圖10）。在橋面上布置高靈敏度傳感器、動力測試系統采集橋面的微幅振動響應，從而獲取加固前后的自振頻率、阻尼比和振型等動態參數，與有限元計算結果及加固前后分別進行對比分析。

圖10 速度傳感器縱橋向布置圖（單位：cm）

3.1 頻率與阻尼分析

采用DHMA 對第五聯加固前后的理論計算頻率與實測頻率進行測量，實測數據見表5。由表5可知，實測值均大于理論計算值，結構阻尼比在正常范圍內。本聯加固前后自振頻率基本一致，說明加固未提高結構的剛度。

表5 加固前后理論頻率與實測頻率

3.2 振型分析

采用DHMA 對測試數據進行譜分析，確定各階頻率。采用MIDAS/CIVIL 對第五聯有限元模型進行動力特性分析。第五聯加固前后的實測振型與該聯理論分析的振型比較吻合。

4 結論

通過該橋在加固前后的荷載試驗可得出以下結論。

①未開裂截面的應變校驗系數和位移校驗系數在加固前后均小于1.0，相對殘余應變和變位均小于20%。加固后，開裂截面的裂縫在卸載后均能夠恢復，結構處于彈性工作階段。

②腹板豎向裂縫和底板橫向裂縫均與車輛荷載有關。

③加固后測試截面的應變較加固前有減小，未開裂截面跨中減小7%，開裂截面的裂縫受到約束，裂縫寬度明顯減小，裂縫擴展寬度由0.22 mm 減小至0.10 mm。

④加固后梁體的撓度有一定程度的減小，第1跨和第2 跨分別為5%和8%，但模態試驗表明，加固未能提高結構的整體剛度。

⑤碳纖維板參與了梁體的受力，且與梁底保持一致。在加載時，碳纖維板錨固塊未發生滑移等病害，碳纖維板未發生損壞。