滨海环境区梁构件碳纤维加固作用评价

朱建方,戴 欣,胡若邻

(1.济南市市政工程设计研究院(集团)有限责任公司,山东济南250101；2.中交四航工程研究院有限公司,广东广州510230)

滨海环境区梁构件碳纤维加固作用评价

朱建方1,戴 欣1,胡若邻2

(1.济南市市政工程设计研究院(集团)有限责任公司,山东济南250101；2.中交四航工程研究院有限公司,广东广州510230)

针对滨海环境区梁构件碳纤维加固效果的问题,结合桥梁静载试验验证的理念,对桥梁上部结构碳纤维加固前后进行静载试验,通过比较碳纤维加固前后的位移、应力值,获得碳纤维加固前后承载能力提高情况,同时了解碳纤维加固后,梁结构是否满足设计要求。通过静载试验结果分析可知：梁构件碳纤维加固效果良好,可以推广使用。

滨海环境；梁构件；碳纤维；加固；效果评价

0 引言

我国海岸线蜿蜒曲长,沿海地带分布着众多的工业民用建筑、公路桥梁和港口码头。滨海环境对这些建筑物的耐久性产生重要影响,氯离子和硫酸根离子的侵蚀降低了建筑构件的耐久性,使建筑构件往往达不到规定的使用年限。在港口和滨海地区的建筑物中,许多建筑直接或间接地受到海水的影响,如沿海的港口、码头和船坞建设中采用的钢筋混凝土桩、梁、桥面板和防波堤等。混凝土近海平台中的一些构筑物更是长期处于海水浸泡的特殊环境中,不可避免地要受到海水的物理和化学侵蚀,造成混凝土表层剥离或内部孔隙增大,呈蜂窝状结构,或者因为钢筋锈蚀形成顺筋开裂、钢筋断裂等,使混凝土结构强度降低甚至破坏。此外,构筑物还要受到风浪的撞击、冻融循环作用,大大加速建筑物的破坏［1］。

现阶段,我国滨海地区已建成很多桥梁、码头等混凝土结构,能否确保滨海环境下的耐久性并延长其使用寿命,不仅关系到工程安全性和服役寿命的重大科技问题,也关系到所在地区经济能否健康发展的重大社会问题。特别是运营多年的桥梁结构,由于荷载及复杂的腐蚀环境,使得主梁出现各种病害,如混凝土开裂、破损、变形等,这就需要对梁体结构进行有效的维修加固,甚至升级改造［2-3］。

为了避免结构进一步腐蚀,碳纤维由于其耐腐蚀性,无疑是一种较适宜的加固材料,然而对于碳纤维加固效果,业界普遍抱有怀疑态度,特别是针对海工结构,加固的构件往往在浪溅区,碳纤维与结构物之间的粘结剂在海水下凝固,从而影响碳纤维加固效果。为此,碳纤维水下粘结剂开始出现,比如中交四航工程研究院开发了水下碳纤维粘结剂,并形成了成套海工结构碳纤维加固技术,不过还需要实际工程验证碳纤维加固效果［4-6］。

本文以浙江舟山一个高桩码头引桥主梁维修加固工程为背景,该码头的梁构件采用碳纤维加固,并应用了水下碳纤维粘结剂。为了评估碳纤维加固效果,在此,特别对碳纤维加固梁构件进行数值模拟及试验分析,分加固前及加固后两个工况,分别比较实验值与理论计算值,从而评价碳纤维加固效果。从评价结果来看,碳纤维加固码头梁构件效果明显。

1 加固方法

根据现场检测情况,引桥纵梁14根(靠海侧2跨)严重受损,另外14根(靠岸侧2跨)产生锈胀大裂缝,需要对引桥纵梁进行碳纤维加固。

梁构件粘贴碳纤维加固工艺流程如下：表面处理→涂底胶→找平→涂浸渍胶→粘贴碳纤维布→涂浸渍胶→防腐处理。加固前见图1,加固后见图2。

图1 碳纤维加固前

图2 碳纤维加固后

2 荷载试验

2.1 检算荷载

试验荷载选取双后轴重车进行加载,按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)要求,控制截面静载试验效率介于0.95～1.05之间,跨中截面的试验弯矩和荷载效率如表1所示。

表1 试验弯矩和效率系数

2.2 试验方法

本次试验根据该桥的结构型式和特点,选择引桥从岸侧起的第1跨进行静载试验。

2.2.1 挠度测试

主要测试梁为中梁2#梁,测试在各级荷载作用下结构各主要断面的变形,一共9个挠度测点。挠度测试随着荷载等级分级测试,采用百分表进行测试。如图3所示,在挠度测点位置固定锚固钉,用钢丝绳及铁锤悬挂,在地上锚固百分表进行测试,其中地面用换填砂处理且用钢板固定,百分表用磁性锚固在钢板上。

图3 百分表现场测试图(单位:cm)

2.2.2 应变测试

应变测点一共有16个,应变测试断面为a2、b2、c2三个断面,每个断面有4个测点,分别在离底面高度0 cm、35 cm、70 cm、100 cm处,实际布置时,可以做微调,并用尺子测试出应变测试位置高度。应变测试随着荷载等级分级测试,在测试位置贴好应变片,并涂好密封硅胶,将导线引出桥面集中测试。

2.2.3 裂缝监测

检测在试验荷载作用下结构裂缝的发展状况。

2.2.4 试验加载

静载试验主要测试在各级荷载作用下结构的工作性能,包括各测点挠度、跨中截面应力变化等。 通过1辆550 kN双后轴重车加载、卸载完成跨中正弯矩工况静载试验,试验步骤为：(1)引桥空载,30 min后测试空载数据；(2)车辆倒退行驶至加载位置1,15 min后测量梁的挠度及应力；(3)车辆倒退行驶至加载位置2,15 min后测量梁的挠度及应力；(4)车辆驶离桥面,15 min后测试各个主梁的挠度及应力。试验加载顺序见表2。

表2 引桥静载试验加载表

3 试验结果分析

3.1 挠度变形分析

加固前主梁的校验系数为1.05,加固后主梁的校验系数为0.95(见表3),满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)规定的校验系数在0.6～1.1之间的要求。卸载后,实测最大挠度变形测点的相对残余变位为：加固前11%,加固后3%,满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)中规定的小于20%的要求,说明结构弹性恢复能力较好。

表3 满载作用下跨中截面挠度分析表

主梁实测最大挠度变形值为：加固前1.75 mm,设计理论值为1.67 mm；加固后1.58 mm,设计理论值为1.7 mm。加固前的挠度值大于设计理论值,加固后挠度值小于设计理论值,说明加固后主梁刚度得到提高。实测最大挠度变形测点的相对残余变位为：加固前11%,加固后3%。加固前远远大于加固后,说明加固后弹性变形能力得到大大改善。

3.2 应变分析

加固前主梁的校验系数为1.04,加固后主梁的校验系数为0.97(见表4),满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)规定校验系数在0.6～1.1之间的要求。卸载后,可知横梁实测最大应变测点的相对残余应变为：加固前7%,加固后2%,满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)中规定的小于20%的要求,说明结构弹性恢复能力较好。

表4 实测应变与理论应变对比情况

主梁实测最大挠度变形值为：加固前205 με,设计理论值为198 με；加固后196 με,设计理论值为202 με。加固前的应变值大于设计理论值,加固后应变值小于设计理论值,说明加固后主梁刚度得到提高。实测最大应变测点的相对残余变位为：加固前7%,加固后2%。加固前大于加固后,说明加固后弹性变形能力得到大大改善。

3.3 裂缝观测结果分析

在整个试验过程中利用手电筒、裂缝测宽仪观测新裂缝的产生和旧裂缝宽度的变化,试验过程中未发现新裂缝的产生和裂缝宽度发生变化。

4 结语

(1)加固前后主梁试验挠度及应变值求出的校验系数均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)规定校验系数在0.6～1.1之间的要求。说明加固前后结构静载试验符合规范要求。

(2)加固前,主梁最大挠度及应变值稍大于设计理论值,说明结构存在安全隐患,需要进行维修加固。

(3)加固后,主梁最大挠度及应变值均小于设计理论值,说明结构满足正常使用要求,结构维修加固效果较好。

(4)实测最大挠度变形测点的相对残余变位为：加固前11%,加固后3%。实测最大应变测点的相对残余变位为：加固前7%,加固后2%。挠度、应变的残余变位均是加固前大于加固后,说明加固后弹性变形能力得到大大改善,加固效果良好。

［1］ 杨荣君,秦武,沈斌,等.高桩码头结构新型加固改造方案设计［J］. 水运工程,2013(10):122-127.

［2］ 丁祺. 高桩码头破损检测及加固技术研究［D］.天津：天津大学，2010.

［3］ 郑永来,杨扬.高桩码头加固方法分析［J］. 结构工程师,2007 (1): 86-90.

［4］ 时蓓玲,吴锋,孙穆.高桩码头结构承载力检测与评估方法［J］.中国港湾建设,2009(1):1-2.

［5］ 翁友法,时蓓玲,朱光裕.某高桩码头的荷载试验和承载力评估［J］.水运工程.,2010(1):50-53.

［6］ 张芹,戴冠英. 南京炼油厂10号码头船舶荷载试验分析［J］. 水运工程,1994(11):29-34.

U445.7+2

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1009-7716(2015)09-0107-03

2015-04-20

朱建方(1979-),男,山东临沂人,工程师,从事道路桥梁工程设计工作。