1、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁正截面抗彎性能分析吳羨1徐振立2許宏元2（1.廣東清連公路發(fā)展有限公司清遠(yuǎn)5115152.西安瑞通路橋科技有限責(zé)任公司西安710068）摘要：作為國內(nèi)公路橋梁加固首次采用的張拉碳纖維板技術(shù)，本文通過杜步大橋加固工程實(shí)踐，進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析，加固施工后進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，通過理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了分析理論的正確性和可靠性，并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式，為今后推廣使用該技術(shù)提供借鑒參考。關(guān)鍵詞：橋梁加固；預(yù)應(yīng)力碳纖維板；正截面抗彎；1預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)碳纖維板材是目前建筑材料中耐腐蝕（氣候）性能最好的材料之一。已有的研究成果表明：弱酸、弱堿、凍融循環(huán)

2、、長時(shí)間日照等環(huán)境作用對(duì)碳纖維的力學(xué)性能及耐老化性能影響極小。目前常用的非預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)，是在結(jié)構(gòu)受拉區(qū)域用化學(xué)膠粘劑粘貼碳纖維板材，使其與構(gòu)件混凝土及內(nèi)部鋼筋共同承受拉應(yīng)力。但這種加固工藝對(duì)碳纖維強(qiáng)度的利用率極低，因?yàn)樘祭w維板材的彈性模量為165170GPa,抗拉強(qiáng)度高達(dá)2800MPa,要發(fā)揮抗拉強(qiáng)度需要1.7%的拉伸變形；而鋼筋的彈性模量一般為200GPa抗拉強(qiáng)度僅為300MP時(shí)右，要發(fā)揮抗拉強(qiáng)度需要0.15%的拉伸變形。當(dāng)碳纖維板材與構(gòu)件內(nèi)部鋼筋共同工作時(shí)，不考慮鋼筋原有的初始應(yīng)變，鋼筋屈服時(shí)碳纖維板材所能發(fā)揮的強(qiáng)度也僅為抗拉強(qiáng)度的8.8%;而在讓碳纖維發(fā)揮全部強(qiáng)度所需要的1.7

3、%的應(yīng)變下，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生大的變形及明顯的裂縫。如上所述，碳纖維加固RC梁承載能力的提高是以較大的變形為代價(jià)的，因?yàn)樘祭w維材料彈性模量與鋼筋相近、強(qiáng)度是鋼筋的10倍，因此碳纖維材料發(fā)揮其強(qiáng)度時(shí)變形較大。預(yù)應(yīng)力碳纖維加固法可較好的解決該問題，提高開裂荷載、屈服荷載，改善使用荷載下的性能。國內(nèi)外許多研究人員及工程師對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，以期使預(yù)應(yīng)力碳纖維加固成為傳統(tǒng)碳纖維加固及其他加固技術(shù)的良好替代技術(shù)。本文研究應(yīng)用此技術(shù)，進(jìn)行杜步大橋結(jié)構(gòu)加固工程的應(yīng)用與評(píng)估。2杜步大橋概況及加固方案杜步大橋位于原107國道，現(xiàn)清（遠(yuǎn)）連（州）一級(jí)公路上，橋長833m斜交角度90°,橋?qū)?1.5m

4、,跨徑布置為27X3001上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋墩采用柱式墩、樁基礎(chǔ)。該橋設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí)，掛車1200在清（遠(yuǎn)）連（州）一級(jí)公路升級(jí)改造過程中，由于路基施工標(biāo)段在刷坡施工中防護(hù)不當(dāng)，部分巨石砸落到杜步大橋上，造成右幅橋第一跨橋面及梁體嚴(yán)重破壞。加固方案采用了在其中3片T梁馬蹄側(cè)面張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板以補(bǔ)償原結(jié)構(gòu)承載力。1、順橋向在T梁馬蹄位置張拉單層碳纖維板，碳纖維板設(shè)計(jì)厚度2.4mm寬度為60mm抗拉強(qiáng)度2800Mpa彈性卞g量1.65X104Mpa,極限承載力為403.2KN,張拉控制力為220KN2、預(yù)應(yīng)力碳纖維板通過固定端與張拉端

5、鋼構(gòu)件與T梁馬蹄側(cè)面連接，鋼構(gòu)件采用Q345鋼，鋼構(gòu)件表面采用整體鍍鋅防銹處理，鍍鋅外面再涂兩道紅色和銀色防銹漆；固定端和張拉端鋼構(gòu)件與混凝土梁采用M20高強(qiáng)錨栓連接。3、施工完畢后，應(yīng)在碳纖維板外表面涂抹涂料作為防護(hù)。31“13預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析1、非預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析在分析過程中，考慮了材料的非線性，采用了如下假定：1)平截面假定，由試驗(yàn)結(jié)果分析及各文獻(xiàn)資料可以看出，CFR計(jì)材加固RC梁在純彎段范圍內(nèi)，其平均應(yīng)變分布滿足平截面假定。2)鋼筋采用完全彈塑性模型，不考慮強(qiáng)化段，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：當(dāng)/W%時(shí)，Qs=Es/(&y=)(1-1)Es

6、當(dāng)下時(shí)，J=fy(1-2)3)不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度。4)壓區(qū)混凝土采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB5001。規(guī)定的應(yīng)力-應(yīng)變曲線："I、(%W%)(1-3)JQc=fcM/u)(1-4)1-，一n=2-(fcU,k-50)(1-5)60%=0.002+0.5(fcu,k-50卜10,(1-6)電=0.0033-(fcu,k-5010,(1-7)其中仃c-對(duì)應(yīng)于混凝土壓應(yīng)變?yōu)?時(shí)的混凝土壓應(yīng)力；%-對(duì)應(yīng)于混凝土壓應(yīng)力剛達(dá)到fc時(shí)的混凝土壓應(yīng)變，當(dāng)計(jì)算的飛值小于0.002時(shí)，應(yīng)取為0.002;%-正截面處于非均勻受壓時(shí)的混凝土極限壓應(yīng)變，當(dāng)計(jì)算的%值大于0.0033時(shí)，應(yīng)取為0.0033;

7、正截面處于軸心受壓時(shí)的混凝土極限壓應(yīng)變應(yīng)取為0.002;fcuk-混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；cu,kn-系數(shù)，當(dāng)計(jì)算的n值大于2.0時(shí)，應(yīng)取為2.00。5)CFRPt材采用線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系2、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析預(yù)應(yīng)力碳纖維加固梁可按照普通預(yù)應(yīng)力混凝土梁理論計(jì)算預(yù)應(yīng)力碳纖維后混凝土梁的應(yīng)力狀態(tài)，參照預(yù)應(yīng)力碳纖維的施工工藝，基本上與后張法相同。施加預(yù)應(yīng)力碳纖維后,混凝土產(chǎn)生的法向應(yīng)力仃pc為:p(2-l)Npy二c0AI式中：Np-預(yù)應(yīng)力碳纖維產(chǎn)生的合力，Np=Qpf；仃p-碳纖維預(yù)拉應(yīng)力；p仃C0-加固前預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)生的混凝土初始應(yīng)力；名p-碳纖維預(yù)拉應(yīng)變;pAf碳

8、纖維面積；Ecf-碳纖維彈性模量；A-加固梁截面面積；epn-截面重心至碳纖維合力點(diǎn)的距離;I-截面慣性矩；y-截面重心至所計(jì)算纖維處的距離；¥-碳纖維抗彎計(jì)算折減系數(shù)。由于碳纖維用量較小，預(yù)拉合力不大，張拉過程中對(duì)原梁的性能影響較小，假定混凝土在該應(yīng)力作用下處于彈性階段，則預(yù)應(yīng)力碳纖維后梁上下截面的應(yīng)變分別為：-pc"pcbEcNpNpepnEAEcI(2-2)pcEcNpNpepnEcA-EcIcot(2-3)式中£pcb-加固梁下邊緣截面產(chǎn)生的壓應(yīng)變，壓為正;名pct-加固梁上邊緣截面產(chǎn)生的壓應(yīng)變，壓為正;%ob-加固梁下邊緣截面的初始?jí)簯?yīng)變，壓為正;%t-

9、加固梁上邊緣截面的初始?jí)簯?yīng)變，壓為正;相應(yīng)階段碳纖維的預(yù)拉應(yīng)變?yōu)?amp;p,因此碳纖維鉆貼位置處混凝土法向應(yīng)力為零時(shí)的碳纖維應(yīng)變?yōu)?0=%+8.，此應(yīng)變即為碳纖維的超前應(yīng)變。pppcu參照二次受力的承載力計(jì)算方法，改碳纖維的滯后應(yīng)變?yōu)槌皯?yīng)變，即可得預(yù)應(yīng)力碳纖維加固梁正截面抗彎承載力的計(jì)算方法。3、預(yù)應(yīng)力碳纖維加固梁正截面抗彎承載力的計(jì)算1)破壞狀態(tài)為混凝土壓碎參照第二章計(jì)算公式，考慮碳纖維的超前應(yīng)變?yōu)?,其極限抗彎承載力為：(2-4)(2-5)M=a1fcbxh-+fsAs(h-a、一fyAsa<2；y混凝土受壓區(qū)高度x按下列公式計(jì)算：''其中：fcf-1fcbx=f

10、yA-fsAfcfACf|%u*Ecf&p0fcf,u0kxn)2)破壞狀態(tài)為碳纖維拉斷當(dāng)破壞狀態(tài)為碳纖維拉斷時(shí)，考慮碳纖維超前應(yīng)變，取中和軸高度為xn=cuh,相對(duì)受壓區(qū)高度x=?1xnoZ+Zx一名ccucf,up0對(duì)受壓區(qū)高度的一半取距，忽略受壓鑰筋產(chǎn)生的作用，所以極限抗彎承載力為:rxx(x1一M=fcf,uAcfh|+fyAs.h。-I(2-6)<2JI2j3)破壞狀態(tài)的判定(1)采用相對(duì)界限受壓區(qū)高度、判定(2-7)混凝土受壓區(qū)高度x采用如下公式計(jì)算：1fcbx=fyAs-fyAfcf,uAcfx-受壓區(qū)高度，x>2a'界限破壞時(shí)中性軸高度xnb為：(2

11、-8)xnb二；cuh；cf,u.；cu一；p0按照普通鋼筋混凝土理論，界限受壓區(qū)高度A=P1%b,因此相對(duì)界限受壓區(qū)高度I為:(2-9)xb-1xnb:-cuhh；cf,u.；cu-；p0若混凝土受壓區(qū)高度x<2a',則采用計(jì)算的受壓鋼筋應(yīng)力替換式(4-7)中受壓鋼筋強(qiáng)度，從而可計(jì)算受壓區(qū)高度x。(2)采用拉、壓區(qū)合力判定碳纖維加固梁破壞狀態(tài)的判斷還可采用下述方法：計(jì)算界限破壞時(shí)壓區(qū)合力Nc及拉區(qū)合力Nt,若NcaNt,則破壞狀態(tài)為碳纖維拉斷；若Nc<Nt,則破壞狀態(tài)為混凝土壓碎；若Nc=Nt,則破壞狀態(tài)為界限破壞。Nc及Nt分別采用下述方法計(jì)算:Nt=fyAfcf,uA

12、cf(2-10)'一'Nc=c(ifcbx+fsAs(2-11)x=ixn=h(2-12)；cf,u.；cu一；P0,_xn-a''fs=Es%=Es一quWfy(2-13),工xn)4靜載試驗(yàn)為檢驗(yàn)橋梁實(shí)際承載能力和工作狀況,綜合評(píng)價(jià)加固效果，結(jié)合杜步大橋的特點(diǎn)，進(jìn)行了橋梁靜載試驗(yàn)。4.1 測試方案4.1.1 測試截面的確定(1)、試驗(yàn)荷載作用下，跨中截面的最大應(yīng)力測試。(2)、試驗(yàn)荷載作用下，跨中截面的最大撓度觀測。4.1.2 測點(diǎn)布置為了測試T梁在試驗(yàn)荷載下的應(yīng)力(應(yīng)變)狀況，在1#、2#、3"T梁跨中腹板下部外側(cè)布設(shè)應(yīng)變片。測點(diǎn)布置如圖4-1所

13、示:=T!U收芝沛苴怪號(hào),觸線片亦即圖4-1跨中截面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖對(duì)于撓度的測量選用精密水準(zhǔn)儀測量，測點(diǎn)布置于跨中截面處。測點(diǎn)布置如圖4-2所示:圖4-2跨中撓度測點(diǎn)布置示意圖4.1.3 試驗(yàn)荷載及試驗(yàn)工況根據(jù)測試截面的活載內(nèi)力和撓度影響線，按最不利位置布載，在保證加載效率1.052州之0.8條件下，經(jīng)計(jì)算確定靜載試驗(yàn)需用載重汽車20噸4輛。現(xiàn)場進(jìn)行車輛軸距、輪距等量測，裝載過磅，并按實(shí)際情況布置車輛荷載。4.2 試驗(yàn)成果4.2.1 撓度控制截面撓度實(shí)測與理論值對(duì)比見表4-1、4-2,其撓度橫向分布曲線如圖4-3、4-4所示。撓度以向上變形為負(fù)，向下變形為正。表4-1跨中一級(jí)偏載工況撓度計(jì)算值

14、、實(shí)測值與校驗(yàn)系數(shù)測點(diǎn)編號(hào)(mm)理論值(mm)校驗(yàn)系數(shù)平均校驗(yàn)系數(shù)加載撓度殘余變形12.04-0.694.660.4421.84-0.073.890.4731.76-0.093.30.530.4641.00-0.012.620.3850.920.221.960.47表4-2跨中二級(jí)偏載工況撓度計(jì)算值、實(shí)測值與校驗(yàn)系數(shù)測點(diǎn)編號(hào)(mm)理論值(mm)校驗(yàn)系數(shù)平均校驗(yàn)系數(shù)加載撓度殘余變形14.32-0.449.260.4724.280.167.730.5533.640.646.560.550.5943.420.815.210.6652.760.393.90.71圖4-3偏載一級(jí)工況跨中截面撓度橫向

15、分布圖圖4-4偏載二級(jí)工況跨中截面撓度橫向分布圖1<理論值心42.04卜.1.S41.961卜.工1.005RQ4rg4.003503.002M1.S&234梁號(hào)4.2.2應(yīng)變?cè)谠囼?yàn)荷載作用下各個(gè)工況相應(yīng)控制截面應(yīng)變實(shí)測值與計(jì)算值見表4-6,4-7,應(yīng)變值以拉應(yīng)變?yōu)檎瑝簯?yīng)變?yōu)樨?fù)。表4-3跨中一級(jí)偏載載工況應(yīng)變計(jì)算值、實(shí)測值與校驗(yàn)系數(shù)測點(diǎn)編號(hào)實(shí)測值（We）（）理論值（科e）校驗(yàn)系數(shù)平均校驗(yàn)系數(shù)D1-1231770.30D1-2/77/D2-1292640.450.44D2-2282640.44D3-1244540.45D3-2296540.55表4-4跨中二級(jí)偏載載工況應(yīng)變計(jì)算值、實(shí)測值與校驗(yàn)系數(shù)測點(diǎn)編號(hào)實(shí)測值（e）（）理論值（科e）校驗(yàn)系數(shù)平均校驗(yàn)系數(shù)D1-151-71350.38D1-2/135/D2-16011130.53-0.51D2-25421130.48D3-1508960.52D3-26415960.674.3 靜載試驗(yàn)結(jié)論（1）在幾種荷載工況下，撓度測試結(jié)果與理論值趨勢一致，基本