連續(xù)剛構(gòu)橋CFRP加固策略研究

茍 強(qiáng) 李 鑫 賈 強(qiáng) 孫拴虎 閻玉菡

（陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 710055）

0 引言

橋梁作為交通的咽喉部位，在公路交通中起著至關(guān)重要的作用[1]。然而，三四十年前修建的橋梁，在車輛超載、環(huán)境侵蝕的雙重影響下，部分橋梁的路用性能嚴(yán)重下降，其抗震性能或多或少地受到影響。橔柱作為一種“頭重腳輕”的結(jié)構(gòu)，是橋梁抗側(cè)向力的主要構(gòu)件，墩柱的破壞極其普遍，因此對(duì)橋梁墩柱的加固是目前橋梁養(yǎng)護(hù)中亟需解決的問題[2]。近年來，國外對(duì)橋墩加固方面的研究較少，相比之下國內(nèi)對(duì)橋墩加固方面的研究較多。李溪等人[3]對(duì)兩根破損較為嚴(yán)重的鋼筋混凝土柱子采用碳纖維（CFRP）進(jìn)行加固，讓其加固后的各項(xiàng)力學(xué)性能達(dá)到新建柱子的初始水平，發(fā)現(xiàn)其延性顯著增強(qiáng)，優(yōu)于柱子的初始水平。司炳君等人[4]對(duì)3根已經(jīng)破損的墩柱采用不同的加固方法進(jìn)行加固，隨后進(jìn)行軸力和側(cè)向反復(fù)荷載的擬靜力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)橋墩的承載能力和延性大大增強(qiáng)?，F(xiàn)有的橋梁加固研究主要集中在加固后的表象上，對(duì)橋梁加固策略的研究不多。

本文采用有限元軟件Midas FEA建立碳纖維（CFRP）加固橋梁有限元模型，以加固厚度和加固高度作為變量，分析在地震作用下橋墩墩頂位移和峰值加速度的變化情況，通過比較CFRP加固后橋梁的震后效果，推薦出最優(yōu)的加固策略。

1 CFRP加固橋梁計(jì)算模型

考慮到后續(xù)要進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，本文橋梁模型為縮尺三跨連續(xù)剛構(gòu)橋，根據(jù)有限元建模準(zhǔn)則，采用橋梁專用有限元軟件Midas FEA建立1m+2m+1m三跨連續(xù)剛構(gòu)橋三維有限元模型進(jìn)行非線性有限元計(jì)算[5]。在計(jì)算過程中，網(wǎng)格的劃分密度會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精確性，理論上網(wǎng)格劃分越密，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，但如果劃分過于密集，計(jì)算時(shí)間會(huì)加長。本文確定網(wǎng)格尺寸為4cm，加固前剛構(gòu)橋模型有14372個(gè)單元，如圖1所示。

圖1 未加固連續(xù)剛構(gòu)橋網(wǎng)格劃分圖

本文基于初次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的加載效果確定碳纖維加固高度（見圖2所示），在初次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)裂縫主要集中在距離墩底40cm范圍內(nèi)，因此裂縫區(qū)域高度控制在40cm，富余高度的范圍為[0,80]cm。因此，橋墩的CFRP加固高度分別為40cm、50cm、60cm、70cm、全墩包裹加固[6]。CFRP加固厚度的選取范圍為[1,3]層。加固模型如圖3～7所示。

圖2 加固高度示意圖

圖3 加固高度為40cm

2 CFRP加固橋梁地震響應(yīng)分析

2.1 地震波的選取

考慮到橋梁所處的抗震設(shè)防烈度區(qū)為8度區(qū)，因此本文研究設(shè)防烈度為8度時(shí)CFRP加固橋梁的地震響應(yīng)，選取天然波El-Centro波（N-S向和E-W向），加速度峰值為0.2g[7-8]。El-Centro波的時(shí)程曲線如圖8和圖9。

圖4 加固高度為50cm

圖5 加固高度為60cm

圖6 加固高度為70cm

圖7 加固高度為全墩包裹

圖8 El-Centro波E-W向時(shí)程曲線

圖9 El-Centro波N-S向時(shí)程曲線

2.2 不同加固高度抗震性能對(duì)比

通過對(duì)上一節(jié)中Midas/FEA建立的橋梁加固模型輸入地震波，交叉分析不同加固厚度和不同加固高度橋墩的地震響應(yīng)，進(jìn)而對(duì)比分析橋梁加固高度和加固厚度的變化對(duì)橋梁整體抗震性的影響[9]。墩頂加速度峰值及墩頂峰值位移如表1～表3所示。

由表1～表3可知：隨著橋墩加固高度的增加，墩頂?shù)姆逯导铀俣群头逯滴灰骑@著減小，說明采用碳纖維包裹加固橋墩可以提高橋梁的抗震能力。當(dāng)加固厚度為1層、2層、3層時(shí)，加固高度由40cm增加到50cm，峰值加速度和峰值位移下降的比率最大。即富余高度在[0,10]變化區(qū)間內(nèi)，加固厚度為1層時(shí)，峰值加速度降低了10.5%，峰值位移降低了11.06%；加固厚度為2層時(shí)，峰值加速度降低了7.1%，峰值位移降低了12.2%；加固厚度為3層時(shí)，峰值加速度降低了4.2%，峰值位移降低了11.89%。因此，無論加固厚度如何變化，推薦富余高度為10cm，加固后的橋梁抗震性能提高最大。

表1 加固厚度1層時(shí)不同高度碳纖維加固墩頂峰值加速度及峰值位移

表2 加固厚度2層時(shí)不同高度碳纖維加固墩頂峰值加速度及峰值位移

表3 加固厚度3層時(shí)不同高度碳纖維加固墩頂峰值加速度及峰值位移

2.3 不同加固厚度抗震性能對(duì)比

加固層數(shù)對(duì)橋梁的抗震性能也有顯著的影響，通過以加固高度和加固厚度為變量進(jìn)行十字交叉組合建模，向橋梁模型輸入El-Centro波，分析不同加固厚度橋梁的抗震性能[10]。墩頂加速度峰值和墩頂位移峰值如表4～表8所示。

表4 加固高度為40cm時(shí)不同層數(shù)碳纖維加固墩頂加速度

表5 加固高度為50cm時(shí)不同層數(shù)碳纖維加固墩頂加速度

表6 加固高度為60cm時(shí)不同層數(shù)碳纖維加固墩頂加速度

表7 加固高度為70cm時(shí)不同層數(shù)碳纖維加固墩頂加速度

表8 全包裹橋墩加固時(shí)不同層數(shù)碳纖維加固墩頂加速度

由表4～表8可知：在地震作用下，隨著加固層數(shù)的增加，峰值加速度和峰值位移逐漸減小，當(dāng)加固層數(shù)小于2層時(shí)，墩頂位移和墩頂加速度隨加固層數(shù)的增加下降速率較快[11]。以加固高度50cm為例，當(dāng)加固層數(shù)為2層時(shí)，墩頂加速度較未加固前減小了30.11%，墩頂位移較未加固前減小了46.95%，抗震效果提升明顯，當(dāng)加固層數(shù)為3層時(shí)，墩頂加速度較未加固前減小了34.49%，墩頂位移較未加固前減小了49.64%。很明顯，采用碳纖維加固2層的橋墩抗震效果要優(yōu)于加固3層。因此，針對(duì)舊橋加固，從抗震角度來講，碳纖維的加固厚度推薦采用2層加固。

3 結(jié)束語

（1）通過有限元軟件Midas/FEA建立模型，分別分析加固高度為0cm、40cm、50cm、60cm、70cm、全包裹加固時(shí)橋梁的墩頂加速度和墩頂位移，得出加固高度由40cm增加到50cm，峰值加速度和峰值位移下降的比率最大，推薦富余高度為10cm，加固后的橋梁抗震性能提高最大。

（2）通過以加固高度和加固厚度為變量進(jìn)行十字交叉組合建模，分析加固厚度為1層、2層、3層時(shí)橋梁的抗震性能，得出加固厚度為2層時(shí)，抗震性能提升最為明顯，推薦加固厚度選用2層。