碳纤维板加固预应力空心板受力性能分析★

李 猛 何化南 张冠华

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.辽宁省交通规划设计院，辽宁 沈阳 110166； 3.公路桥梁诊治技术交通运输行业研发中心，辽宁 沈阳 110166)



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碳纤维板加固预应力空心板受力性能分析★

李 猛1何化南1张冠华2,3

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.辽宁省交通规划设计院，辽宁 沈阳 110166； 3.公路桥梁诊治技术交通运输行业研发中心，辽宁 沈阳 110166)

采用MIDAS/FEA建立了预应力碳纤维板和普通碳纤维板加固后预应力空心板有限元分析模型，并考虑二次受力的影响，对其加固效果进行了对比分析，依据分析结果给出了工程中使用碳纤维板加固类似桥梁的建议。

碳纤维板，MIDAS/FEA，桥梁加固

0 引言

装配整体式预应力混凝土空心板桥在我国既有中小跨径公路桥梁中占有很大比重，随着其使用年限的增加和公路桥梁荷载的变化，桥梁病害和承载能力不足的问题越来越突出，桥梁加固成为工程技术人员需要面对的重要问题之一。目前，桥梁加固常见的几种方法主要包括碳纤维加固，简支改连续加固，体外预应力加固和增大截面等，其中，碳纤维板加固是最为传统和重要的加固方式之一。本文利用有限元分析软件MIDAS/FEA模拟了在二次受力下，普通和预应力碳纤维板加固预应力空心板的受载效应，根据加固前后，和是否考虑二次受力的对比结果，分析了二次受力和碳纤维板预应力对于碳纤维板加固的影响，为工程计算和使用提供了参考。

1 模型简介

本文以某预应力空心板桥为原型，该桥计算跨径20 m，桥面宽度为14 m，荷载等级为汽车—超20级、挂车—120。本文取该桥单片空心板为模拟对象，空心板含有的预应力钢绞线为14φj15.24(7φ5)，其截面及预应力钢绞线布置如图1所示。

通过改变加固方式，作者共利用MIDAS/FEA分析了5片预应力空心板加固数据。其基本信息如表1所示。

表1 模型编号及基本信息

2 模型的建立

2.1 材料参数

模型中混凝土材料参数参考该桥梁设计时选用的老规范40号混凝土，其弹性模量为34 GPa，抗压强度标准值为28 MPa，另外，混凝土的受拉和受压曲线均采用非线性模型。预应力钢绞线的弹性模量取200 GPa，抗拉标准强度1 860 MPa。碳纤维材料参照《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》中说明的高强碳纤维材料，弹性模量为240 GPa，极限抗拉强度为3 000 MPa，其厚度采用1.0 mm，并且认为碳纤维材料受拉曲线为线性，在达到强度后迅速断裂，不考虑其延性。

2.2 单元的选取和板体模型

利用软件中的实体单元来模拟混凝土单元，为了有利于计算的收敛和接近真实，实体单元划分时截面内尺寸控制在60 mm左右，纵向长度控制在80 mm左右。碳纤维单元用平面应力单元即膜单元来实现，在混凝土板底部和混凝土单元共用节点。普通钢筋和预应力钢束均采用植入式配筋。为防止出现应力集中，在支座处使用橡胶垫块，橡胶垫块下再添加刚性垫板，边界约束施加在刚性垫板上。另外，集中荷载施加处也采用类似的处理办法。本文建立的有限元模型如图2所示。

2.3 荷载设置

根据设计图纸，预应力钢束的张拉控制应力为1 395 MPa，考虑其预应力损失带来的变化，模型中有效预应力取为1 100 MPa，采用预应力碳纤维板加固的模型，碳纤维板的预应力采用碳纤维板的极限抗拉强度的23%左右，近似取为700 MPa。

本桥加固后要求荷载等级达到新规范公路—Ⅰ级荷载标准，因此所施加的荷载均按新规范荷载等级选用。本次模拟目的在于对比同等荷载条件下不同加固方式的加固效果，所以在加载过程中，不考虑横向分布的影响，统一在各模型上施加一个车道荷载。根据规范公式：

均布荷载：10.5×(1+0.27)=13.34 kN/m。

集中荷载：[18]0+180×(20-5)/(50-5)〗×(1+0.27)=304.8 kN。

其中，0.27是由规范公式计算出的冲击系数。

考虑二次受力影响时，通过预加30%车道荷载，然后激活碳纤维板单元，再继续施加剩余荷载来实现。施加荷载过程中，均布线荷载根据板面宽度等效为均布面荷载，集中荷载也分解成多个节点荷载施加在跨中的刚性垫块上。

3 计算结果分析

对本文建立的不同的有限元模型进行分析，当加载至100%的车道荷载时，不同模型的最终的挠度和各主要材料的最大应力汇总至表2。

表2 各模型最终挠度和各主要材料应力汇总表

将各加固模型相对于对比模型的加固效果进行对比分析，计算各指标变化情况，汇总至表3。

表3 各模型加固效果汇总表

分别对比1号，3号模型和2号，4号模型可以看出，无论是普通碳纤维板加固还是预应力碳纤维板加固，在考虑二次受力前后，跨中最大挠度和各材料的最大应力变化均不明显，这是因为，二次受力下的预应力空心板在初荷载作用下底部混凝土的应变还很小，碳纤维的滞后应变很小，从而导致二者加载结束后的受力状态和变形状态十分接近。以上说明二次受力对碳纤维板加固的效果影响不大。

分别对比0号，1号，2号模型，首先1号模型和2号模型分别比对比梁的挠度减小了32.9%和65%，改善效果相差一倍，其次1号模型的混凝土最大应力和预应力钢束的最大应力也比较小。这表明与普通碳纤维板相比较，预应力碳纤维板的各项加固效果均优于普通碳纤维板，预应力碳纤维板进一步提升了梁体的抗弯能力。

对比各加固梁的碳纤维板最大应力和高强碳纤维板的极限抗拉强度可以看出，普通碳纤维加固，会造成碳纤维板抗拉性能的极大浪费。预应力碳纤维板的最大利用效率则大大增加。

从预应力碳纤维板的最终应力和预应力钢束的最终应力来看，它们的差值比它们的初始预应力的差值减小，这是因为，碳纤维板的弹性模量高于预应力钢束，并且，其距离横截面中性轴的距离也大于预应力钢束。如果继续加载，预应力碳纤维板的应力有可能超过预应力钢束，因此，采用预应力碳纤维板加固预应力空心板时，应尽量采用强度较高的碳纤维板，以防止碳纤维板提前断裂。

从结果中提取出各荷载步骤的挠度，绘制各模型的荷载因子—挠度折线图，如图3所示。

由图3可以看出，1号，3号模型和2号，4号模型的荷载因子—挠度折线图分别接近，二次受力带来的滞后应变对整个受载过程都没有带来太大影响，而普通和预应力碳纤维加固与对比梁的荷载因子—位移折线图则呈现出三种不同的发展趋势，这也证明了预应力碳纤维板加固的优越性。虽然本次模拟没有加载至破坏，但是可以从图中推测，对比梁、普通碳纤维板加固梁、预应力碳纤维板加固梁三者的极限承载能力会依次增加，而其达到极限状态时的变形则依次减小。

4 结语

1)二次受力对碳纤维板加固效果影响不大。但如果在二次受力下，结构有了裂缝，则应尽可能卸去活荷载或采用其他方式先减小加固处的挠度和裂缝，再进行加固；

2)预应力碳纤维板加固有比较优越的加固效果，碳纤维板的预应力应在一定范围内尽量增加，以提高其利用效率；

3)由于碳纤维板的拉应力随荷载的增加速度高于钢筋和预应力钢绞线，采用预应力碳纤维板加固时，应尽量采用高强碳纤维板，防止碳纤维板出现提前断裂。

[1]刘成强.RC空心板桥CFRP抗弯加固理论及应用研究.重庆：重庆大学，2011.

[2]邬小光，白青侠，雷自学，等.公路桥梁加固设计规范应用计算示例.北京：人民交通出版社，2011:3- 6.

[3]邹旭岩，陈 淮.碳纤维加固预应力混凝土空心板桥力学性能分析.郑州大学学报，2010,42(4):111-115.

[4]张 鹏，郝宪武.碳纤维加固桥用空心板模型试验研究.工业建筑，2005,35(sup)：921-923.

[5]王敏荣.考虑二次受力的碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载能力计算.中外公路，2013，33(6):102-106.

Analysis on stress performance of carbon fiber board reinforcing prestressed hollow board★

Li Meng1He Huanan1Zhang Guanhua2,3

(1.DalianTechnologyUniversityCoastandCoastalEngineeringNationalLab,Dalian116024,China;2.LiaoningInstituteofTrafficPlanningDesign,Shenyang110166,China;3.HighwayBridgeClinicTechnologyTrafficTransportationIndustrySurveyCenter,Shenyang110166,China)

The paper establishes finite element model of prestressed carbon fiber board and common carbon fiber board reinforced prestressed hollow board by applying MIDAS/FEA, considers secondary stress impact, and compares and analyzes its reinforcement effects. The analysis results show some suggestions for similar bridge engineering reinforcement with carbon fiber board.

carbon fiber board, MIDAS/FEA, bridge reinforcement

1009-6825(2015)01-0145-02

2014-10-30 ★：国家自然科学基金资助项目(项目编号：51108054)

李 猛(1990- )，男，在读硕士; 何化南(1972- )，女，副教授； 张冠华(1974- )，男，教授级高级工程师

U445.72

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