碳素纖維布加固鐵路砼梁計(jì)算公式與啟示

1、碳素纖維布加固鐵路砼梁計(jì)算公式與啟示1、前言在我國鐵路系統(tǒng)，近年來因?yàn)榇罅颗f的鋼筋混凝土鐵路橋梁使用年月長或受到列車動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。但因?yàn)槲覈F(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，在目前不現(xiàn)實(shí)。按照我國大路部門的實(shí)踐表明：橋梁的加固費(fèi)用約為新建橋費(fèi)用的10%20%。因此在對病害橋梁舉行科學(xué)評價(jià)和評估的基礎(chǔ)上，實(shí)行有效的修理、加固等措施

2、，提高橋梁的承載力，延伸其使用年限，滿意現(xiàn)代交通對橋梁的客觀要求，是一項(xiàng)具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和重大社會效益的工作。碳素纖維布作為一種新型復(fù)合材料，近年來在結(jié)構(gòu)加固及改造工程中應(yīng)用越來越廣泛。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)是將樹脂類纖維材料黏貼于結(jié)構(gòu)表面，通過其與結(jié)構(gòu)共同工作，利用碳纖維良好的

3、抗拉強(qiáng)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：混凝土開裂前大致彈性工作階段；階段a

4、：混凝土開裂的臨界狀態(tài)；階段：受拉區(qū)混凝土開裂后的工作階段；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

5、布應(yīng)變與其彈性模量的乘積即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。按照以上假定可得如下圖所示的計(jì)算應(yīng)力圖形。 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

6、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，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

7、T形截面梁等常用截面形式。應(yīng)避開碳纖維布加固量過大，受壓混凝土應(yīng)力過早達(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)度等級為C30，每根T形梁截面內(nèi)配制縱向受拉主筋為5根級14螺紋鋼筋，腹板和翼緣的箍筋分離用6及4的級鋼

8、筋。碳素纖維布的參數(shù)：單位面積碳纖維布質(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。梁編號及意義如下：T0為不粘貼碳纖維布，T1為粘貼一層碳纖維布；T2為粘貼二層碳纖維布。加載方法：每根梁通過一荷載分配梁對構(gòu)件施加2個(gè)對稱的集中力來舉行加載實(shí)驗(yàn)，加載最大荷載是使受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到其容許應(yīng)力的荷載。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算值如下表： 6、結(jié)論與啟示 從表中可以看出：理論加載值大約為實(shí)驗(yàn)加載值的73.6%88.5%，二者吻合性相對較好，說明計(jì)算公式有一定牢靠度。誤差主要是

9、因?yàn)闆]有考慮受壓區(qū)翼緣鋼筋和受拉區(qū)混凝土等作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，T梁包一層碳纖維布后承載力提高了15%，包二層碳纖維布后承載力提高了24.7%，但根據(jù)計(jì)算公式，理論計(jì)算抵擋彎矩值或加載值提高比例分離為1.8%和3.6%左右，顯然偏于保守。主要緣由是：沒有考慮包裹在梁腹板處碳纖維布參加工作，顯然減弱了碳纖維布實(shí)際加固效果；理論計(jì)算中，碳纖維布的計(jì)算厚度是取理論計(jì)算值，計(jì)算中忽視了涂刷粘結(jié)樹脂層的厚度，實(shí)際施工中這部分厚度往往超過碳纖維布的理論計(jì)算厚度數(shù)倍，在工程中發(fā)揮了很大作用；從公式可以看出，加固后梁抗彎承載力隨碳纖維布加固橫截面Ac的增大而提高。但在實(shí)際工程閱歷中，倘若其加固量過大（厚）簡單發(fā)生早期剝離破壞，甚至發(fā)生超筋破壞，因此并非加固量越多越好，應(yīng)當(dāng)按照計(jì)算和實(shí)際工程閱歷決定其加固量。加固后梁抗彎承載力與n=EcEg值有關(guān)，即在其它條件相同前提下，碳素纖維布彈性模量Ec越大，原鋼筋彈性模量Eg越小，n值越大，加固后抗彎承載力提高越多，因此高彈性模量的碳素纖維布比高強(qiáng)