基于試驗與數值模擬的在役PC 連續梁橋碳纖維布加固效果分析

蔣 潔，李鵬程，段美棟，孫 玉，宋曉東

（1.山東高速股份有限公司，濟南 250014；2.山東省交通科學研究院，濟南 250100；3.東南大學 交通學院，南京 211189）

預應力混凝土連續梁橋整體性好、剛度大、抗震性能優越，在我國十分常見[1]。調查結果顯示，長期服役的大量此類結構出現了不同程度的開裂[2]，尤其是近20多年所建設的橋梁，底板橫向裂縫較為嚴重。裂縫的產生不僅會使結構剛度下降、梁體下撓，還會引起內部鋼筋銹蝕，嚴重影響結構安全[3]。如今人們通常利用加固的方式提高結構的剛度和承載力。加固方式多種多樣，而碳纖維布材料作為一種質地輕、強度大、造價低[4]的常見材料，得到了廣泛應用。

多年來，學者們對碳纖維布加固混凝土結構進行過諸多研究，賀拴海等[5]研究了5 根T 梁的碳纖維布加固試驗，認為碳纖維布可以顯著減少裂縫數量并減小裂縫寬度，可以提高結構耐久性和承載力；李松輝等[6]對帶縫橋梁進行碳纖維布加固試驗，認為碳纖維布能夠顯著抑制既有裂縫擴展；路飛等[7]研究了在不完全卸載情況下碳纖維布對結構的加固效果，認為碳纖維布能夠限制裂縫發展；鮑衛剛[8]指出，非預應力碳纖維材料難以通過與原結構協同變形發揮出其強度優勢，加固效果存疑；葉列平等[9]的研究認為預應力碳纖維布加固可以有效提高梁體的承載力、抑制裂縫擴展和降低梁體撓度；尚守平等[10]的研究認為碳纖維布加固難以發揮其強度優勢，對結構剛度的提升效果不佳，而施加預應力后可以改善此缺陷；周迎利[11]的研究認為碳纖維布能使結構與外界惡劣環境隔絕，通過避免鋼筋銹蝕使結構耐久性顯著提升。

目前，學者們的研究多集中于模型試驗研究，對碳纖維布加固大型在役橋梁的試驗研究相對較少，且模型試驗尺寸效應對加固效果的判定有一定的影響；另外，目前的研究多集中于碳纖維布加固對結構極限承載力的提升，而對于正常使用階段的橋梁結構，隨著車流量的增加和車輛荷載的不斷增大，關鍵截面出現結構性開裂，導致結構剛度劣化，但結構極限承載力能滿足實際運營荷載的要求，迫切需要改善結構的剛度性能而非提升結構承載力，碳纖維布加固的方式是否適用還需進一步試驗研究。本文結合預應力混凝土連續梁橋現場試驗和數值模擬分析，綜合分析碳纖維布對開裂結構在正常使用階段的性能提升效果，探究其加固機理及加固適用條件，為養護決策和加固設計提供參考依據。

1 碳纖維布加固機理

有裂縫結構在荷載作用下的工作狀態示意圖如圖1 所示，混凝土開裂使得梁體工作截面高度變小，結構剛度下降，體現為梁體撓度增大。加固后結構工作狀態示意圖如圖2 所示，梁底粘貼碳纖維布后，碳纖維材料所具有的高強度和高彈模特性，能夠抑制裂縫的張開和進一步發展，工作截面高度變大，截面剛度得以提升，結構撓度值減小。

圖1 裂縫位置梁截面受力狀況（不加固）

圖2 裂縫位置梁截面受力狀況（加固）

理論上，碳纖維布加固適用于梁體存在受力裂縫的橋梁，可以利用碳纖維布的高強度來抑制裂縫開展提升結構剛度，如果再配合裂縫灌膠處理，能夠避免結構內部的鋼筋與外界空氣接觸發生銹蝕，有效提升結構耐久性。

實際工程中有相當數量的開裂橋梁采用了此種加固方式，實際效果如何還需進一步試驗驗證。

2 工程概況

本次研究依托的某高速公路橋梁，建于20 世紀90 年代，上部結構型式為4 m×25 m 的預應力混凝土連續空心板，橋面寬度為0.5（防撞墻）+15.75（行車道）+1.0（防撞護欄）=17.25 m，橋面布置為單向三車道，設計汽車荷載為汽超-20 級，掛-120 級；下部結構型式為多柱框架式橋臺、雙柱實心薄壁式橋墩、鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎，墩梁固結；橋面鋪裝為瀝青混凝土結構，伸縮縫為毛勒縫。單幅橫斷面圖如圖3 所示。該橋已運營30 余年，隨著車流量的增大和車輛荷載的增加，部分橋跨跨中截面產生了貫穿底板和腹板的U 型裂縫。經驗算分析，開裂后結構理論極限承載力仍滿足現行設計荷載要求，但開裂狀態不滿足正常使用階段的性能需求，因此采用了底板粘貼碳纖維布的方式進行了加固。為驗證加固效果，筆者選取碳纖維布加固的中跨A 和B 進行現場試驗和數值模擬，其中A 跨為開裂橋跨，底板存在3 條延伸至腹板和翼板的U 形縫，B跨狀態完好，無開裂現象，作為對比跨，與A 跨進行對比驗證。A 跨加固概況如圖4 所示。

圖3 橋梁橫斷面圖

圖4 A 跨梁底概況圖

3 現場試驗方案及結果分析

3.1 試驗方案

由于試驗對象為已加固結構，為進行加固前后的橋梁性能對比，在對當前加固后的結構進行試驗后，采用專用工具，在梁體四分點和跨中位置將碳纖維布橫向切斷，再次進行同等加載力試驗，對2 次試驗結果進行對比分析，判別碳纖維布加固對結構性能的影響。試驗方案：①拆除碳纖維布前對A、B 跨分別進行現場加載試驗；②拆除碳纖維布后對A、B 跨分別進行現場加載試驗。

根據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》[12]（以下簡稱“15 規范”）設計荷載確定加載車重量及位置，并且保證在碳纖維布拆除前后加載車車重和位置等參數不變。采用總重35 t 的三軸自卸車作為加載車，橫向輪距1.9 m，實際加載車重量與理論重量相差不超過5%，加載車型圖和加載布置圖如圖5 和圖6 所示，選取中跨跨中為控制斷面。

圖5 加載車型圖

圖6 加載車布置圖

3.2 試驗結果分析

表2 為B 跨碳纖維布加固前后實測偏載撓度對比，由表可知，加固后與加固前相比，各測點撓度值平均下降了0.87%，考慮到有限的測量誤差，表明碳纖維布加固對于無裂縫橋跨在正常使用狀態下的性能提升不起作用。

根據表1 和表2 結果可以看出，以未開裂的B 跨作為對比跨，開裂后的A 跨剛度降低30%左右，通過碳纖維布的加固方式，其剛度僅提升6%左右，效果非常有限，因此對于極限承載能力滿足設計要求，而正常使用狀態性能劣化的開裂結構，采用碳纖維布的加固方式并不適用。

表1 為A 跨梁底板碳纖維布加固前后實測偏載撓度對比。由表可知，加固后與加固前相比，各測點撓度值平均下降了6.11%，加固前后撓度校驗系數均大于1.00，剛度均不滿足原設計要求，可見碳纖維布加固對有U 形縫橋跨的剛度提升作用非常有限。

表2 B 跨加固前后撓度實測值與設計值對比

4 數值模擬及結果分析

4.1 數值模擬

4.1.1 材料參數

高中物理中的定律、概念等知識是進行物理問題解決的基礎，因此想要提高解題能力，前提必須要有扎實的基本功.因此教師在進行高中物理教學時首先要求學生形成扎實的理論基礎，能夠將這些定律或定理很好的融入到解題中，并且將理論轉化屬于自身的解題方法和解題技巧.只有學生掌握了基本知識，并且也內化成了解題技巧，才能形成穩定的解題能力，才能在遇到問題的時候，能夠快速準確的進行解決.

采用大型有限元計算軟件ANSYS，根據“15 規范”進行偏載加載有限元模擬，分別模擬碳纖維布加固前后2 種狀態，計算撓度變化?；炷敛捎脤嶓w單元，碳纖維布（雙層加固）采用殼單元[13]，設計用材料參數和模擬用單元選擇見表3。荷載試驗過程中碳纖維布與梁體未觀察到脫離現象，故加固狀態下對梁體和碳纖維布單元節點進行耦合自由度處理[14]，由于此次研究只關注加固對結構整體剛度的影響，故可將鋼筋與混凝土視為勻質材料，建模不考慮普通鋼筋和預應力鋼筋。有限元模型如圖7 所示，網格劃分情況如圖8 所示。

表3 材料屬性

圖7 有限元模型圖

圖8 網格劃分圖

4.1.2 裂縫模擬理論方法

以往研究嘗試通過折減混凝土彈性模量的方法模擬裂縫，取得了良好效果[15]，但缺乏彈性模量的折減依據。由于梁體開裂后混凝土不再承受拉力，裂縫處的拉力僅由鋼筋承擔（如圖9 所示），故以此為出發點對彈模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）。

圖9 裂縫示意圖

根據應力應變關系可知

式中：εs、εc分別為裂縫處鋼筋應變和等效混凝土單元應變；Δls和Δlc分別為在荷載作用下鋼筋伸長量和等效混凝土單元增大的寬度，ls為鋼筋標距，lc為等效混凝土單元縱橋向網格寬度；F 為裂縫兩端縱向拉力；As、Ac分別為裂縫截面鋼筋總面積和等效混凝土面積；Es、Ec分別為鋼筋和等效混凝土單元彈性模量。

根據在荷載作用下鋼筋伸長量Δls與等效混凝土單元增大的寬度Δlc相等可得

式中：△Hi為裂縫在區間i 上的高度，B 為裂縫寬度。

求得：ls>89.4 mm，即鋼筋與混凝土粘結失效段要大于89.4cm，故等效混凝土單元網格在縱橋向寬度可取10cm。以從梁底板向上16 cm 的區間為例，根據設計圖紙可知，梁底板寬度4.66 m，該區間高度內包含型號為19-φ 15.24 的鋼束5 組、φ12 縱筋16 根和φ8 縱筋30 根，帶入式（4）求得Ec=1.68×109MPa，裂縫其余區間計算同理。

4.2 數值模擬結果分析

4.2.1 A 跨結果分析

碳纖維布加固前的理論計算值及實測值如圖10所示，可見理論值與實測值能夠較好吻合，可見有限元模型準確合理，并可在此基礎上進行加固前后的理論計算分析。圖11 為碳纖維布加固前后理論撓度值對比，可知理論上碳纖維布加固使得A 跨梁體撓度平均減小了5%左右，與實測值6.11%較為接近，可見碳纖維布加固開裂結構，對正常使用狀態下的剛度提升效果不顯著。

圖10 A 跨加固前實測與理論撓度

圖11 A 跨加固前后理論撓度對比

表4 為A 跨跨中附近2 條裂縫加固前后寬度變化情況，可見加固后裂縫a 和b 在荷載作用下相較加固前均有所減小，說明碳纖維布可以抑制裂縫的開展，提升結構耐久性。

表4 加固前后裂縫寬度變化

4.2.2 B 跨結果分析

碳纖維布加固前的理論計算值及實測值如圖12所示，可見理論值與實測值能夠較好吻合，該模型同樣準確合理，并可在此基礎上進行加固前后的計算分析。碳纖維布加固前后理論撓度值對比如圖13 所示，可知理論上碳纖維布加固使得B 跨梁體撓度平均減小了0.82%，與實測值0.87%較為接近，由此可見，碳纖維布加固未開裂結構，對正常使用階段的剛度提升幾乎沒有效果。

圖12 B 跨加固前實測與理論撓度

圖13 B 跨加固前后理論撓度對比

圖14 和圖15 分別為B 跨加固前后在設計荷載偏載作用下梁體理論應力云圖，可知在試驗荷載作用下，B 跨加固前梁底板產生的拉應力約為3.1 MPa，加固后約為3.0 MPa，拉應力降低不明顯，因此理論上碳纖維布加固并不能有效延緩無縫結構開裂。

圖14 B 跨梁底板應力云圖（加固前）

圖15 B 跨梁底板應力云圖（加固后）

5 結論

本文通過現場試驗與數值模擬相結合的方式，對既有預應力混凝土連續梁橋碳纖維布加固效果進行了研究，并對加固機理作出了探討，提出了碳纖維布加固的適用條件，結論如下。

1）對于極限承載能力滿足設計要求而正常使用狀態剛度劣化的開裂結構，采用粘貼碳纖維布的加固方式，對結構的剛度提升效果非常有限。

2）粘貼碳纖維布加固可以減小裂縫在荷載作用下的寬度變化，通過抑制裂縫開展提高結構耐久性。

3）粘貼碳纖維布加固對未開裂結構的剛度提升沒有效果，對結構正常使用狀態下的性能無影響，不能有效延緩或阻止結構開裂，并不適用于預防性加固。

綜上所述，粘貼碳纖維布加固對于開裂結構的剛度提升效果非常有限，不適用于開裂結構在正常使用狀態下的剛度提升，也不適用于未開裂結構的預防性加固，但可以通過抑制裂縫開展提高開裂結構的耐久性。