碳素纖維布鐵路砼梁加固計(jì)算公式

1、碳素纖維布鐵路砼梁加固計(jì)算公式1、前言在我國(guó)鐵路系統(tǒng)，近年來(lái)因?yàn)榇罅颗f的鋼筋混凝土鐵路橋梁使用年月長(zhǎng)或受到列車動(dòng)力增大等各種因素的影響和作用，其在試用期內(nèi)已產(chǎn)生一系列病害，如混凝土材料的劣化、鋼筋銹蝕等病害，對(duì)橋梁的平安性、適用性及耐久性產(chǎn)生了較大影響，不同程度造成橋梁承載力降低甚至喪失，嚴(yán)峻危及橋梁的平安運(yùn)營(yíng)。但因?yàn)槲覈?guó)現(xiàn)存的此類舊橋、危橋數(shù)量較多，如何處理這些橋梁是面臨的重大難題。倘若所有拆除重建，不僅耗資巨大，影響鐵路正常運(yùn)營(yíng)，在目前不現(xiàn)實(shí)。按照我國(guó)大路部門的實(shí)踐表明：橋梁的加固費(fèi)用約為新建橋費(fèi)用的10%20%。因此在對(duì)病害橋梁舉行科學(xué)評(píng)價(jià)和評(píng)估的基礎(chǔ)上，實(shí)行有效的修理、加固等措施，提高

2、橋梁的承載力，延伸其使用年限，滿意現(xiàn)代交通對(duì)橋梁的客觀要求，是一項(xiàng)具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和重大社會(huì)效益的工作。碳素纖維布作為一種新型復(fù)合材料，近年來(lái)在結(jié)構(gòu)加固及改造工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)相比，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性和耐久性強(qiáng)、施工便捷、結(jié)構(gòu)影響小等優(yōu)點(diǎn)，日益受到工程界重視。但目前碳素纖維布對(duì)鐵路橋梁加固的理論研究還缺乏一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)資料支持。本文通過(guò)理論推導(dǎo)，提出了符合鐵路規(guī)范的受彎容許承載力計(jì)算公式，為實(shí)際鐵路橋梁的加固設(shè)計(jì)供應(yīng)了一定參考。2、碳纖維布加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)碳素纖維布加固修復(fù)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)是將樹(shù)脂類纖維材料黏貼于結(jié)構(gòu)表面，通過(guò)其與結(jié)構(gòu)共同工作，利用碳纖維良好的抗拉強(qiáng)

3、度增加橋梁承載力，達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固、改善結(jié)構(gòu)受力的目的。使用碳纖維布加固橋梁具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度高、剛度大；抗疲憊性和減振性好；可適應(yīng)不同構(gòu)件樣子，成型很便利；自重輕，不增強(qiáng)恒載及斷面尺寸；對(duì)原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生損傷；能有效封閉混凝土裂縫；施工容易輕便；具有良好的耐化學(xué)腐蝕性；不影響結(jié)構(gòu)的外觀；加固結(jié)束后養(yǎng)護(hù)便利。因?yàn)樘祭w維布以上所述的特點(diǎn)，隨著其加固技術(shù)和施工工藝的不斷完美，在橋梁結(jié)構(gòu)加固工程中成為一種很有優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)加固材料。3、計(jì)算原理及基本假定3.1計(jì)算原理在荷載漸漸增大而使試件破壞的過(guò)程中，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件截面應(yīng)力分布共經(jīng)受四個(gè)階段。階段：混凝土開(kāi)裂前大致彈性工作階段；階段a：混凝土開(kāi)

4、裂的臨界狀態(tài)；階段：受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂后的工作階段；階段：破壞階段。依據(jù)鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，鋼筋混凝土鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范沿用容許應(yīng)力法計(jì)算其承載力，即根據(jù)上述工作階段舉行計(jì)算。此階段受拉區(qū)混凝土已開(kāi)裂，基本上不參與工作而由鋼筋和粘貼加固后的碳纖維布承受拉應(yīng)力，鋼筋應(yīng)力和碳纖維布應(yīng)力均未到屈服強(qiáng)度，仍在彈性工作。3.2基本假定碳纖維布加固橋梁的受彎容許承載力計(jì)算采用以下基本假定：碳纖維布加固梁受彎后截面應(yīng)變滿意平面假定。不考慮受拉區(qū)混凝土的作用。受壓區(qū)混凝土應(yīng)力圖形看作三角形。鋼筋應(yīng)力等于鋼筋應(yīng)變與其彈性模量的乘積，且小于其容許應(yīng)力。碳纖維布的應(yīng)力應(yīng)變滿意線彈性關(guān)系，碳纖維布的應(yīng)力等于碳纖維布應(yīng)變與其

5、彈性模量的乘積即c=Ecc。受壓區(qū)混凝土應(yīng)力等于其應(yīng)變與彈性模量的乘積，且小于其容許應(yīng)力。因?yàn)橥赓N的碳纖維布很薄，近似認(rèn)為碳纖維布中心離梁頂?shù)木嚯x與梁高相等。在達(dá)到容許受彎承載力前，碳纖維布與混凝土之間粘結(jié)牢靠，不發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。3.3換算截面為便利計(jì)算，我們把粘貼的碳纖維布換算成與它功能相等的假想的受拉鋼筋，即換算受拉鋼筋面積Ag1=EcAcEg=nAc。式中Ac為加固碳纖維布橫截面積；n為碳素纖維布彈性模量Ec與鋼筋彈性模量Eg比值。4、平凡鋼筋混凝土梁受彎容許承載力計(jì)算方法4.1計(jì)算公式推導(dǎo)為利用鋼筋容許應(yīng)力值，平凡鋼筋混凝土橋梁的受彎容許荷載是使縱向受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到容許應(yīng)力的荷載。根

6、據(jù)梁的正截面受彎彈性計(jì)算方法，應(yīng)用上述換算截面的概念，把梁底部的碳素纖維布換算為受拉縱筋，應(yīng)用受拉區(qū)合力與受壓區(qū)合力組成的力偶，推導(dǎo)受彎容許抵擋彎矩公式如下：Mg=g（Ag+EcAcEg）Z或Mg=g（Ag+nAc）Z，Z=h0-x+y,y=Ia/Sa，試中：Mg平凡鋼筋混凝土梁經(jīng)碳纖維布加固后梁的容許抵擋彎矩；Ag原受拉鋼筋面積；Z內(nèi)力偶臂長(zhǎng)，即受拉區(qū)合力與受壓區(qū)合力組成的力偶臂；g為鋼筋容許應(yīng)力，此處為原受拉鋼筋與最外層加固碳纖維布換算鋼筋截面重心處的應(yīng)力；4.2計(jì)算公式適用范圍和留意事項(xiàng)上述公式是根據(jù)矩形截面梁推導(dǎo)，但同樣適用于T形截面梁等常用截面形式。應(yīng)避開(kāi)碳纖維布加固量過(guò)大，受壓混凝

7、土應(yīng)力過(guò)早達(dá)到容許值，使梁發(fā)生超筋破壞，既不平安又不經(jīng)濟(jì)。上述公式是根據(jù)原受拉鋼筋容許應(yīng)力g計(jì)算得出的，實(shí)際應(yīng)用中還要驗(yàn)算受壓混凝土的應(yīng)力不能超過(guò)其容許應(yīng)力。梁底面粘貼碳纖維布換算為鋼筋時(shí)，相當(dāng)于在梁底部增強(qiáng)一層鋼筋，因此在計(jì)算混凝土截面有效高度h0和鋼筋容許應(yīng)力g等參數(shù)時(shí)，計(jì)算位置取原受拉鋼筋與最外層換算鋼筋截面重心處。5、計(jì)算公式理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)照按照張興虎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：實(shí)驗(yàn)構(gòu)件為平凡鋼筋混凝土T形梁3根，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，每根T形梁截面內(nèi)配制縱向受拉主筋為5根級(jí)14螺紋鋼筋，腹板和翼緣的箍筋分離用6及4的級(jí)鋼筋。碳素纖維布的參數(shù)：?jiǎn)挝幻娣e碳纖維布質(zhì)量200g/m2，計(jì)算厚度0.111mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值3550MPa，彈性模量Ec2.35105Mpa。T形梁的構(gòu)件尺寸、鋼筋的布置方式和碳素纖維布粘貼方法可參照文獻(xiàn)3有關(guān)圖示。梁編號(hào)及意義如下：T0為不粘貼碳纖