外部粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固T梁橋極限承載能力研究

馮春恒(秦皇島市公路管理處，河北 秦皇島066000)

外部粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固T梁橋極限承載能力研究

馮春恒
(秦皇島市公路管理處，河北 秦皇島066000)

對(duì)承載能力不滿(mǎn)足要求的裝配式混凝土T梁橋采用外部粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固，為得到加固后的裝配式混凝土T梁橋的極限承載力，利用Midas有限元軟件建立了外部粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T梁橋空間有限元計(jì)算模型，進(jìn)行了加固后裝配式混凝土T梁橋極限承載力的全過(guò)程分析。研究結(jié)果表明：采用外部粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板對(duì)裝配式混凝土T梁橋進(jìn)行加固，可以充分發(fā)揮碳纖維板的高強(qiáng)特性，減小混凝土的應(yīng)力，改善混凝土T梁的受力性能，延緩裂縫的產(chǎn)生；提高混凝土T梁的屈服荷載、極限荷載，使混凝土T梁的承載能力得到提高；增大T梁的剛度，使T梁的撓度明顯減小，變形得到有效控制。

橋梁工程；體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板；有限元法；極限承載力

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.017

1 引言

目前,國(guó)內(nèi)普通鋼筋混凝土橋梁常用的加固方法有增大截面、粘貼鋼板或碳纖維材料、體外預(yù)應(yīng)力等[1]，這些方法雖然都能夠解決一些問(wèn)題，但是同時(shí)存在各種不足，其中增大截面施工難度較大，費(fèi)用較高；粘貼碳纖維材料[2]或鋼板由于被動(dòng)受力，實(shí)際效果有限；而體外預(yù)應(yīng)力存在受力狀態(tài)不一致，容易松弛、后期養(yǎng)護(hù)較為麻煩等不利因素。因此，研究新型的加固技術(shù)，最大程度地發(fā)揮材料性能，工藝上簡(jiǎn)單可靠，將是未來(lái)普通鋼筋混凝土梁橋加固，特別是T型梁橋加固的發(fā)展方向，在我國(guó)公路橋梁加固具有巨大的需求[3]。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板為有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力，與無(wú)黏結(jié)的體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線相比，在抑制裂縫、提高結(jié)構(gòu)的抗彎承載能力方面也具有更突出的性能[4]。本文利用Midas有限元軟件，對(duì)橋梁因病害造成結(jié)構(gòu)耐久性及承載能力不滿(mǎn)足要求的橋梁，采用體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的混凝土T梁橋進(jìn)行極限承載力全過(guò)程數(shù)值仿真分析。

2 工程概況

大蒲河橋右橋位于沿海路（S364）K73+980km處，昌黎縣境內(nèi)。該橋上部結(jié)構(gòu)為19～20m預(yù)制混凝土T梁，梁高130cm，各跨由6片T梁組成，標(biāo)準(zhǔn)跨徑20m。下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩臺(tái)，交角90°。S364省道加寬后，在其下游新建一并行的簡(jiǎn)支板梁橋，原橋即作為整個(gè)橋的右半幅運(yùn)營(yíng)。橋梁右幅寬度為：行車(chē)道9m+2×0.5m的防撞護(hù)欄，橋梁全長(zhǎng)380m，橋面鋪裝為瀝青混凝土。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-20級(jí)，掛車(chē)-100?；炷罷梁幾何尺寸如圖1所示。

圖1 混凝土T梁幾何形狀

對(duì)T梁梁底粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板提高其正截面抗彎承載能力。梁底粘貼寬100mm、厚1.4mm的預(yù)應(yīng)力碳纖維板，長(zhǎng)度16m。加固T梁為每孔2、3、4、5號(hào)T梁。

3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板施工

碳纖維板和粘貼碳纖維板配套樹(shù)脂應(yīng)采用與碳纖維配套的底層樹(shù)脂、找平材料和浸漬樹(shù)脂，其安全性和適配性必須滿(mǎn)足《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TJ22—2008）A級(jí)膠的要求，浸漬樹(shù)脂和黏結(jié)樹(shù)脂采用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠。

3.1 方案設(shè)計(jì)、錨具制造

根據(jù)本橋工況設(shè)計(jì)加固方案，確定碳纖維板規(guī)格、張拉力、加固位置等。生產(chǎn)廠家根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作碳纖維錨具，與碳纖維板配套制成成品。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工準(zhǔn)備

準(zhǔn)備施工所需的材料及工具根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件搭建施工支架或平臺(tái)。

3.3 施工工藝

加固前對(duì)梁面缺陷及裂縫進(jìn)行修復(fù)處理，對(duì)千斤頂進(jìn)行標(biāo)定，錨固區(qū)定位，混凝土梁面按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行切割挖槽，在碳纖維板經(jīng)過(guò)之處涂抹找平膠進(jìn)行表面找平；化學(xué)錨栓打孔、植筋；安裝固定端及張拉端錨固體系；安裝千斤頂，張拉碳纖維板；在碳纖維板上每隔3m處用螺栓安裝固定一件壓緊條。壓緊條與碳纖維板接觸面需涂抹黃油或塞一層橡皮墊，以免損傷碳板；在碳纖維板表面刷涂保護(hù)層，兩端錨頭防護(hù)處理。

3.4 施工要點(diǎn)

1）用丙酮或酒精將碳纖維板與梁面結(jié)合的一面清理干凈，然后采用碳纖維粘貼膠均勻地涂抹在碳纖維板上，涂抹時(shí)應(yīng)中間厚兩邊薄，中間涂抹厚度≥5mm,如碳纖維板與梁間距較大，涂抹厚度應(yīng)相應(yīng)增加。

2）先在固定端安裝上碳纖維板，再在張拉安裝上碳纖維板。

3）在張拉端安裝千斤頂，確保千斤頂中心線與碳纖維板中心線重合，用手動(dòng)油泵給千斤頂加力，為碳纖維板增加10%的應(yīng)力，使其繃直預(yù)緊。然后回油灌力歸零，再次檢查整個(gè)錨固體系位置及外觀結(jié)況。記錄張拉錨具、千斤頂活塞等的初始位置。

4）檢查正常后開(kāi)始張栓，按照10%，20%，30%，40%…90%，100%的應(yīng)力張拉。每段張拉到位后擰緊預(yù)緊錨具。保壓2min，測(cè)量并記錄錨具、活塞等位移情況。檢查錨固體系各部分受力情況。

5）當(dāng)位移超出千斤頂行程時(shí)，先用鎖緊螺母擰緊張拉杠桿，記錄此時(shí)的張拉力。再卸去千斤頂油泵壓緊回程。然后在千斤頂與張拉裝置之間墊入合適厚度的鋼段，重新用千斤頂張拉，在張拉力達(dá)到此前張拉值時(shí)繼續(xù)平穩(wěn)給力張拉至規(guī)定值。

6）當(dāng)張拉力施加到100%時(shí)，擰緊鎖緊螺母，記錄數(shù)據(jù)并保壓2min。觀察無(wú)異常現(xiàn)象后卸力。拆除工具拉桿、千斤頂。如張拉桿過(guò)長(zhǎng)可切除，但鎖緊螺母后至少留30mm。

4 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

4.1 加固前荷載效應(yīng)S、抗力效應(yīng)R驗(yàn)算

依據(jù)對(duì)既有橋梁缺損狀況、材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)評(píng)定，以及實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載狀況調(diào)查，確定如下各分項(xiàng)檢算系數(shù)：結(jié)構(gòu)檢算系數(shù)Z1取1.0，耐久性惡化系數(shù)ξe取0.12，截面折減系數(shù)ξc取0.98，鋼筋截面折減系數(shù)ξs取1，活載影響修正系數(shù)ξq取1.2。

采用MidasCivil軟件對(duì)單跨20m全橋簡(jiǎn)支T梁建立梁格桿系模型，如圖2所示，主要荷載作用為自重、二期恒載、預(yù)加力(新增碳纖維板預(yù)加力)、活載、豎向梯度溫度效應(yīng)、支座不均勻沉降等。

圖2 有限元梁格模型

持久狀況下承載能力極限狀態(tài)需要考慮的荷載有：自重、預(yù)加力(新增碳纖維板預(yù)加力)、活載、支座不均勻沉降、豎向梯度溫度，需按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ160—2004）進(jìn)行荷載效應(yīng)組合。

利用MIDAS計(jì)算控制截面的最不利彎矩效應(yīng)值S為2330kN·m，截面的彎矩抗力計(jì)算值R為2850kN·m。已經(jīng)不能滿(mǎn)足規(guī)范既有橋梁承載能力評(píng)定式(1)的要求：

式中，S為荷載效應(yīng)函數(shù)；R為抗力效應(yīng)函數(shù)；fd為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；adc為構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值；ads為構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。

4.2 加固后抗力效應(yīng)R驗(yàn)算

對(duì)T梁進(jìn)行加固采取底面粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板，張拉錨固梁端方式。

經(jīng)軟件計(jì)算驗(yàn)算控制截面不利效應(yīng)彎矩值S為2330 kN·m，截面計(jì)算彎矩抗力R為3752kN·m。

γ0S=1.1×2330=2563kN·m

RZ（11-ξe）=3752×1.0×0.88=3301.8kN·m

γ0S＜RZ（11-ξe）

滿(mǎn)足式(1)既有橋梁承載能力評(píng)定要求。

4.3 加固前后T梁跨中變形對(duì)比

未對(duì)T梁加固前，在自重和二期恒載作用下T梁1#梁跨中最大撓度為-12.59mm，加固后撓度值為-11.43mm，加固前3#梁跨中最大撓度為-12.31mm，加固后撓度值為10.96mm。加固后撓度值均有所減小，說(shuō)明采用體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T梁，增大了構(gòu)件的剛度，加固后T梁跨中在自重作用下變形減小，使構(gòu)件變形得到有效的控制（見(jiàn)表1）。

5 結(jié)論

1)采用體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T梁，增大了構(gòu)件的剛度，加固后T梁跨中在自重作用下變形減小，使構(gòu)件變形得到有效的控制。

表1 加固前后各T梁在自重和二期恒載作用下?lián)隙戎祵?duì)比

2)由加固后橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布得到明顯改善，橋梁承載能力得到顯著提高，滿(mǎn)足承載力及變形要求，達(dá)到加固設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3)對(duì)碳纖維板加固混凝土T梁橋的極限承載力進(jìn)行全過(guò)程數(shù)值仿真，分析得出采用碳纖維板加固后的橋梁，鋼筋及混凝土應(yīng)力相應(yīng)減小，改善構(gòu)件的受力性能，充分發(fā)揮了碳纖維板高強(qiáng)的特性，使T梁的極限荷載及承載能力得到提高。

【1】蒙云，盧波.橋梁加固與改造[M].北京：人民交通出版社，2004.

【2】韋成龍，朱偉清.碳纖維布加固橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀及展望[J].湖南交通科技，2008，34(3)：86-89．

【3】于清.FRP的特點(diǎn)及其在土木工程中的應(yīng)用[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33(6)：26-30．

【4】葉列平，莊江波，曾攀.預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土T形梁的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2005，35(8)：7-12．

AnalysisofUltimateBearingCapacityforTGirderBridgeStrengthenedby ExternalBondedPrestressedCarbonFiberBoard

FENGChun-heng
(Qinhuangdaoroadadministration,Qinhuangdao066000，China)

The prefabricated concrete T girder bridge which cannot meet the requirements of the load bearing capacity wasreinforced by external bonded Prestressed carbon fiber board, In order to evaluate the ultimate bearing capacity of the strengthened Tgirder bridge，the finite elementmodel of concreteT girder bridge strengthened by external bonded Prestressed carbon fiber boardwasestablished with theMidas finite element software，and analysis of the ultimate bearing capacity for the bridge was performed．Thenumerical result shows that：The stresses of steel stand and concrete can be reduced，the mechanical properties of T girder can beimproved，and the emergence of cracks can be delayed by the presented strengthening method because of full play of the T girdercharacteristics of external bonded Prestressed carbon fiber board；the increased yield and ultimate loads lead to improving the bearingcapacity of the concrete T girder；due to the increase of the stiffness of T girder，the vertical deflection can be dramatically decreasedand the deformationCanbe effectivelysuppressed．

bridge engineering；external bondedprestressed carbonfiberboard；finite elementmethod；ultimatebearingcapacity

U448.21+2

A

1007-9467（2016）12-0075-03

2016-03-29

馮春恒（1970～），男，山東濰坊人，高級(jí)工程師，從事橋梁建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及維修加固技術(shù)研究。