知識預應力碳纖維板加固梁正截面抗彎性能分析

1、預應力碳纖維板加固梁正截面抗彎性能分析吳 羨1 徐振立2 許宏元2（1.廣東清連公路發(fā)展有限公司 清遠 511515 2. 西安瑞通路橋科技有限責任公司 西安 710068）摘 要：作為國內(nèi)公路橋梁加固首次采用的張拉碳纖維板技術，本文通過杜步大橋加固工程實踐，進行了預應力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析，加固施工后進行了荷載試驗，通過理論和試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了分析理論的正確性和可靠性，并給出了相應的計算公式，為今后推廣使用該技術提供借鑒參考。關鍵詞：橋梁加固；預應力碳纖維板；正截面抗彎；1 預應力碳纖維板加固技術 碳纖維板材是目前建筑材料中耐腐蝕(氣候)性能最好的材料之一。已有的研究成果表

2、明：弱酸、弱堿、凍融循環(huán)、長時間日照等環(huán)境作用對碳纖維的力學性能及耐老化性能影響極小。目前常用的非預應力碳纖維板加固技術，是在結構受拉區(qū)域用化學膠粘劑粘貼碳纖維板材，使其與構件混凝土及內(nèi)部鋼筋共同承受拉應力。但這種加固工藝對碳纖維強度的利用率極低，因為碳纖維板材的彈性模量為165170 GPa，抗拉強度高達2800M Pa，要發(fā)揮抗拉強度需要1.7%的拉伸變形；而鋼筋的彈性模量一般為200 GPa，抗拉強度僅為300MPa左右，要發(fā)揮抗拉強度需要0.15%的拉伸變形。當碳纖維板材與構件內(nèi)部鋼筋共同工作時，不考慮鋼筋原有的初始應變，鋼筋屈服時碳纖維板材所能發(fā)揮的強度也僅為抗拉強度的8.8%；而在

3、讓碳纖維發(fā)揮全部強度所需要的1.7%的應變下，混凝土結構會產(chǎn)生大的變形及明顯的裂縫。如上所述，碳纖維加固RC梁承載能力的提高是以較大的變形為代價的，因為碳纖維材料彈性模量與鋼筋相近、強度是鋼筋的10 倍，因此碳纖維材料發(fā)揮其強度時變形較大。預應力碳纖維加固法可較好的解決該問題，提高開裂荷載、屈服荷載，改善使用荷載下的性能。國內(nèi)外許多研究人員及工程師對此技術進行了大量的研究，以期使預應力碳纖維加固成為傳統(tǒng)碳纖維加固及其他加固技術的良好替代技術。本文研究應用此技術，進行杜步大橋結構加固工程的應用與評估。2 杜步大橋概況及加固方案杜步大橋位于原107國道，現(xiàn)清（遠）連（州）一級公路上，橋長833m，

4、斜交角度90°，橋?qū)?1.5m，跨徑布置為27×30m，上部結構采用預制預應力混凝土T梁，下部橋臺采用重力式橋臺、擴大基礎，橋墩采用柱式墩、樁基礎。該橋設計荷載為汽車超20級，掛車120。在清（遠）連（州）一級公路升級改造過程中，由于路基施工標段在刷坡施工中防護不當，部分巨石砸落到杜步大橋上，造成右幅橋第一跨橋面及梁體嚴重破壞。加固方案采用了在其中3片T梁馬蹄側面張拉預應力碳纖維板以補償原結構承載力。1、順橋向在T梁馬蹄位置張拉單層碳纖維板，碳纖維板設計厚度2.4mm、寬度為60mm，抗拉強度2800Mpa，彈性模量1.65X104 Mpa，極限承載力為403.2KN，張拉

5、控制力為220KN。2、預應力碳纖維板通過固定端與張拉端鋼構件與T梁馬蹄側面連接，鋼構件采用Q345鋼，鋼構件表面采用整體鍍鋅防銹處理，鍍鋅外面再涂兩道紅色和銀色防銹漆；固定端和張拉端鋼構件與混凝土梁采用M20高強錨栓連接。3、施工完畢后，應在碳纖維板外表面涂抹涂料作為防護。3 預應力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析1、非預應力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析在分析過程中，考慮了材料的非線性，采用了如下假定：1）平截面假定，由試驗結果分析及各文獻資料可以看出，CFRP片材加固RC梁在純彎段范圍內(nèi)，其平均應變分布滿足平截面假定。2）鋼筋采用完全彈塑性模型，不考慮強化段，其數(shù)學表達式如下：當時

6、，（） （1-1）當時， （1-2）3）不考慮混凝土的抗拉強度。 4）壓區(qū)混凝土采用 混凝土結構設計規(guī)范（GB 50010）規(guī)定的應力-應變曲線：（） （1-3） （） （1-4） （1-5） （1-6） （1-7）其中-對應于混凝土壓應變?yōu)闀r的混凝土壓應力；-對應于混凝土壓應力剛達到時的混凝土壓應變，當計算的值小于0.002時，應取為0.002；-正截面處于非均勻受壓時的混凝土極限壓應變，當計算的值大于0.0033時，應取為0.0033；正截面處于軸心受壓時的混凝土極限壓應變應取為0.002；-混凝土立方體抗壓強度標準值；-系數(shù)，當計算的值大于2.0時，應取為2.00。5）CFRP片材采用線

7、彈性應力-應變關系。2、預應力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析預應力碳纖維加固梁可按照普通預應力混凝土梁理論計算預應力碳纖維后混凝土梁的應力狀態(tài)，參照預應力碳纖維的施工工藝，基本上與后張法相同。施加預應力碳纖維后，混凝土產(chǎn)生的法向應力為： (2-l)式中： -預應力碳纖維產(chǎn)生的合力，；-碳纖維預拉應力；-加固前預應力鋼絞線產(chǎn)生的混凝土初始應力；-碳纖維預拉應變；-碳纖維面積；-碳纖維彈性模量；-加固梁截面面積；-截面重心至碳纖維合力點的距離；I -截面慣性矩；-截面重心至所計算纖維處的距離；-碳纖維抗彎計算折減系數(shù)。由于碳纖維用量較小，預拉合力不大，張拉過程中對原梁的性能影響較小，假定混凝土

8、在該應力作用下處于彈性階段，則預應力碳纖維后梁上下截面的應變分別為： (2-2) (2-3)式中-加固梁下邊緣截面產(chǎn)生的壓應變，壓為正；-加固梁上邊緣截面產(chǎn)生的壓應變，壓為正；-加固梁下邊緣截面的初始壓應變，壓為正；-加固梁上邊緣截面的初始壓應變，壓為正；相應階段碳纖維的預拉應變?yōu)?，因此碳纖維鉆貼位置處混凝土法向應力為零時的碳纖維應變?yōu)椋藨兗礊樘祭w維的超前應變。參照二次受力的承載力計算方法，改碳纖維的滯后應變?yōu)槌皯?，即可得預應力碳纖維加固梁正截面抗彎承載力的計算方法。3、預應力碳纖維加固梁正截面抗彎承載力的計算1）破壞狀態(tài)為混凝土壓碎參照第二章計算公式，考慮碳纖維的超前應變，其極限抗彎

9、承載力為： (2-4)混凝土受壓區(qū)高度x 按下列公式計算： (2-5)其中： 。2）破壞狀態(tài)為碳纖維拉斷當破壞狀態(tài)為碳纖維拉斷時，考慮碳纖維超前應變，取中和軸高度為，相對受壓區(qū)高度。對受壓區(qū)高度的一半取距，忽略受壓鑰筋產(chǎn)生的作用，所以極限抗彎承載力為： (2-6)3）破壞狀態(tài)的判定（1）采用相對界限受壓區(qū)高度判定混凝土受壓區(qū)高度采用如下公式計算： (2-7) -受壓區(qū)高度，界限破壞時中性軸高度為： (2-8)按照普通鋼筋混凝土理論，界限受壓區(qū)高度，因此相對界限受壓區(qū)高度為： (2-9)若混凝土受壓區(qū)高度，則采用計算的受壓鋼筋應力替換式（4-7）中受壓鋼筋強度，從而可計算受壓區(qū)高度。（2）采用拉

10、、壓區(qū)合力判定碳纖維加固梁破壞狀態(tài)的判斷還可采用下述方法：計算界限破壞時壓區(qū)合力及拉區(qū)合力，若，則破壞狀態(tài)為碳纖維拉斷；若，則破壞狀態(tài)為混凝土壓碎；若，則破壞狀態(tài)為界限破壞。及分別采用下述方法計算： (2-10) （2-11） (2-12) (2-13)4 靜載試驗為檢驗橋梁實際承載能力和工作狀況，綜合評價加固效果，結合杜步大橋的特點，進行了橋梁靜載試驗。4.1 測試方案 測試截面的確定（1）、試驗荷載作用下，跨中截面的最大應力測試。（2）、試驗荷載作用下，大撓度觀測。 測點布置為了測試T梁在試驗荷載下的應力(應變)狀況，在1#、2#、3#T梁跨中腹板下部外側布設應變片。測點布置如圖4-1所示

11、：圖4-1 跨中截面應變測點布置圖對于撓度的測量選用精密水準儀測量，測點布置于跨中截面處。測點布置如圖4-2所示：圖4-2 跨中撓度測點布置示意圖 試驗荷載及試驗工況根據(jù)測試截面的活載內(nèi)力和撓度影響線，按最不利位置布載，在保證加載效率條件下，經(jīng)計算確定靜載試驗需用載重汽車20噸4輛。現(xiàn)場進行車輛軸距、輪距等量測，裝載過磅，并按實際情況布置車輛荷載。4.2 試驗成果論值對比見表4-1、4-2，其撓度橫向分布曲線如圖4-3、4-4所示。撓度以向上變形為負，表4-1 跨中一級偏載工況撓度計算值、實測值與校驗系數(shù)測點編號試驗值 (mm)理論值 (mm)校驗系數(shù)平均校驗系數(shù)加載撓度殘余變形0.46表4-

12、2 跨中二級偏載工況撓度計算值、實測值與校驗系數(shù)測點編號試驗值 (mm)理論值 (mm)校驗系數(shù)平均校驗系數(shù)加載撓度殘余變形0.59圖4-3 偏載一級工況跨中截面撓度橫向分布圖圖4-4 偏載二級工況跨中截面撓度橫向分布圖 應變在試驗荷載作用下各個工況相應控制截面應變實測值與計算值見表4-6，4-7，應變值以拉應變?yōu)檎?，壓應變?yōu)樨摗１?-3 跨中一級偏載載工況應變計算值、實測值與校驗系數(shù)()()()表4-4 跨中二級偏載載工況應變計算值、實測值與校驗系數(shù)()()()4.3 靜載試驗結論(1) 在幾種荷載工況下，撓度測試結果與理論值趨勢一致,基本吻合；(2) 結構測試跨中撓度平均校驗系數(shù)在0.460.59之間，T梁跨中下緣應變校驗系數(shù)在0.440.51之間，