預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)在某大橋中的應(yīng)用

周杰峰

(濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司 250101)

引言

近年來,隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國的交通事業(yè)無論是建設(shè)規(guī)模還是建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)都有了一個大跨度、超常規(guī)的發(fā)展。橋梁作為交通道路的一部分,橋梁荷載呈現(xiàn)以下特點(diǎn): (1)交通量不斷增大; (2)重型車輛和超載現(xiàn)象嚴(yán)重; (3)超限運(yùn)輸增加。由于橋梁的承載能力有限,許多橋梁都不堪重負(fù)出現(xiàn)了裂紋、沉陷等各種破壞。橋梁是確保道路暢通的咽喉,舊橋的檢測和加固迫在眉睫。

舊橋加固技術(shù)是一門新的課題。目前,關(guān)于混凝土橋梁加固方法主要有: (1)結(jié)構(gòu)性加固,如采用體外預(yù)應(yīng)力、在結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)粘貼鋼板或增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)支撐; (2)非結(jié)構(gòu)性加固,如對裂縫進(jìn)行封閉或壓漿處理; (3)最近幾年流行的預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料(CFRP)加固技術(shù),使加固技術(shù)發(fā)生了根本的變化。預(yù)應(yīng)力碳纖維加固橋梁技術(shù),是將體外預(yù)應(yīng)力的主動加固技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與碳纖維復(fù)合材料高強(qiáng)度、高性能結(jié)合在一起,利用碳纖維板作為預(yù)應(yīng)力筋材,通過特殊的張拉、錨固裝置,對碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力并錨固于加固橋梁上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件上,與橋梁受彎受拉構(gòu)件通過環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)以承載拉應(yīng)力; 降低結(jié)構(gòu)撓度,減小結(jié)構(gòu)變形,提高結(jié)構(gòu)剛度。

相比于傳統(tǒng)加固方法,預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)具有以下優(yōu)勢: (1)未增加構(gòu)件截面及自重,耐疲勞、耐久性好,施工便捷(不中斷交通)。(2)無大量鉆孔破壞結(jié)構(gòu)之憂患,無焊接質(zhì)量及安全之隱患,無濕作業(yè)環(huán)境污染。本文結(jié)合臨沂市北京東路程子河大橋加固工程,詳細(xì)說明了采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板的加固設(shè)計(jì)方案,并借助有限元軟件對加固前后的受力情況進(jìn)行了對比分析,以期為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

現(xiàn)狀橋?yàn)?2 跨20m 簡支板橋,正橋,橋梁總寬24.5m,橋面布置為50cm 防撞護(hù)欄+23.5m車行道+50cm 防撞護(hù)欄?，F(xiàn)狀橋橫斷面分三部分,中間部分為2000 年修建,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅱ級荷載; 兩側(cè)部分加寬橋梁均為2008 年修建,標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅰ級; 橋梁加寬時(shí),利用了中間老橋邊梁,移至加寬橋梁外側(cè); 現(xiàn)狀橋上部主梁分布情況如圖1 所示。

現(xiàn)狀橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土T 型主梁,橋面鋪裝為12cm 鋼筋混凝土現(xiàn)澆層,每4 跨為1聯(lián)設(shè)1 道伸縮縫,每聯(lián)2 跨之間設(shè)置橋面連續(xù);下部結(jié)構(gòu)采用樁柱接蓋梁式橋墩,埋置式肋板接蓋梁式橋臺,鉆孔灌注樁基礎(chǔ); 東西兩側(cè)橋臺位置設(shè)置錐坡,現(xiàn)狀橋上、下結(jié)構(gòu)分別如圖2所示。

圖1 主梁分布情況Fig.1 Distribution of main beams

圖2 現(xiàn)狀橋上、下部構(gòu)造Fig.2 Upper and lower current bridge construction

2 原橋檢測結(jié)果

在多年運(yùn)營過程中,由于外界自然條件及過往車輛荷載的影響,本橋的主梁、橫隔板等主要構(gòu)件均發(fā)生不同程度破損(圖3)。

圖3 主梁破損Fig.3 Main beam failure

根據(jù)本橋原橋檢測報(bào)告,主要有如下幾種情況:

(1)現(xiàn)狀橋按公路-Ⅱ級設(shè)計(jì)部分,邊梁不滿足公路-Ⅱ級承載力要求,建議換板或進(jìn)行承載力提升。中間主梁剛剛滿足承載力要求,個別梁撓度偏大。主梁應(yīng)進(jìn)行加固,提升結(jié)構(gòu)剛度和承載力。

(2)現(xiàn)狀橋按公路-Ⅰ級設(shè)計(jì)部分主梁滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)主梁橫向聯(lián)系偏弱,橫隔板破損嚴(yán)重;外觀破損、露筋等。

3 主梁加固方案

現(xiàn)狀主梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),上翼緣總寬150cm、高135cm、腹板寬18cm,單跨主梁長度1996cm,構(gòu)造尺寸如圖7 所示。

圖7 現(xiàn)狀主梁一般構(gòu)造Fig.7 General construction of main girder

根據(jù)原橋檢測結(jié)果,需對中間部分橋梁主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),以提升構(gòu)件剛度及截面承載能力。結(jié)合以往工程案例,考慮采用加固效果更明顯的預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固。由于現(xiàn)狀T 梁腹板尺寸僅為18cm,根據(jù)碳纖維板的工作空間要求,梁底最多布置3 條20mm 寬、3.0mm 厚的碳纖維板,圖8 為梁底碳纖維板張拉示意。

圖8 梁底碳纖維板張拉示意Fig.8 Tension diagram of carbon fiber plate at the bottom of the beam

碳纖維板極限拉伸強(qiáng)度為2400MPa,極限承載力為144kN,安裝自由長度取17.5m,采用單端張拉,張拉時(shí)按張拉應(yīng)力、伸長量雙向控制,張拉控制應(yīng)力為200MPa ～1500MPa,控制應(yīng)變?yōu)?%。表1 為碳纖維板力學(xué)性能,表2 為碳纖維板尺寸偏差。

表1 碳纖維板力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of carbon fiber plates

表2 碳纖維板尺寸偏差Tab.2 Deviation of carbon fiber sheet size

4 加固效果驗(yàn)證

4.1 規(guī)范驗(yàn)算內(nèi)容

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367-2013)11.2.6 要求,采用預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板加固的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件,應(yīng)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的抗裂及變形驗(yàn)算,并進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板的應(yīng)力驗(yàn)算。

1.正截面承載能力驗(yàn)算

各參數(shù)解釋參照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367 -2013)11.2.4。

2.撓度驗(yàn)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367 -2013)11.2.6 及11.2.9 要求計(jì)算,出現(xiàn)裂縫的受彎構(gòu)件,其抗彎剛度按式(2)計(jì)算:

各參數(shù)解釋參照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367 -2013)11.2.9。

3.裂縫驗(yàn)算

在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度按式(3)計(jì)算:

各參數(shù)解釋參照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367 -2013)11.2.8。

4.正截面抗裂驗(yàn)算

由預(yù)加力產(chǎn)生的法向應(yīng)力為:

各參數(shù)解釋參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010 -2010)10.1.6。

4.2 有限元計(jì)算

1.計(jì)算假定

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367-2013)11.2.3 要求,采用預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板對梁、板等受彎構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí),除應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010 -2010)正截面承載力計(jì)算的基本假定外,尚應(yīng)符合下列補(bǔ)充規(guī)定:

(1)構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)時(shí),粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板的拉應(yīng)變按截面應(yīng)變保持平面的假設(shè)確定。

(2)碳纖維復(fù)合板應(yīng)力等于拉應(yīng)變與彈性模量的乘積。

(3)在達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)前,預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板與混凝土之間的粘結(jié)不致出現(xiàn)剝離破壞。

2.計(jì)算結(jié)果及分析

借助橋梁博士有限元計(jì)算軟件,對橋梁加固前后在正常使用荷載組合及承載能力荷載組合下進(jìn)行計(jì)算分析; 按10cm 混凝土鋪裝計(jì)入板截面活載受力,分別計(jì)算公路-Ⅰ及公路-Ⅱ級荷載下的結(jié)構(gòu)受力,加固前后橫向分布系數(shù)分別按成橋檢測最大0.58 和0.385 考慮,計(jì)算結(jié)果及對比如表3 所示。

表3 計(jì)算結(jié)果對比Tab.3 Comparison of calculation results

根據(jù)規(guī)范要求,正常使用荷載組合下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的撓度和抗裂驗(yàn)算,承載能力荷載組合下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度驗(yàn)算。從表3 可以看出,加固完成后,橋梁的剛度、正截面抗裂以及承載能力有明顯提高,橋梁的受力性能明顯改善,其中撓度和正應(yīng)力均滿足規(guī)范要求,裂縫明顯減小,基本能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

橋梁加固是一個涉及面廣、受現(xiàn)實(shí)因素影響大、技術(shù)復(fù)雜的科研課題,需針對具體橋型、病害狀況、結(jié)構(gòu)承載力等內(nèi)容進(jìn)行具體研究,本文結(jié)合工程實(shí)例,詳細(xì)說明了應(yīng)用預(yù)應(yīng)力碳纖維加固的設(shè)計(jì)方案,并采用有限元軟件對加固前后的受力情況進(jìn)行了對比分析,驗(yàn)證了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)可降低結(jié)構(gòu)撓度,減小結(jié)構(gòu)變形,提高加固構(gòu)件的極限承載力及結(jié)構(gòu)抗彎剛度。與傳統(tǒng)被動加固相比,其可有效愈合既有橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫病害,抵御新的結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生,延長橋梁的使用壽命。