预应力碳纤维板局部加固对桥梁整体影响分析

邓云飞，何　来，杜　芳，金凌志

(1.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004；2.河南三德置业有限公司，河南 郑州 450121)



预应力碳纤维板局部加固对桥梁整体影响分析

邓云飞1，何来1，杜芳2，金凌志1

(1.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004；2.河南三德置业有限公司，河南 郑州 450121)

摘要：对某简支预应力钢筋混凝土T形桥梁进行了预应力碳纤维板加固，用有限元模拟和实际监测两种方法，对比分析了局部加固对桥梁整体的影响。研究结果表明：采用预应力碳纤维板加固桥梁，由于横向连接作用，各片T梁间存在一定程度的预应力传递，有效提高了整桥承载力。预应力碳纤维板加固混凝土桥梁时，碳纤维板与混凝土构件接触部位的纵向、横向和竖向均存在拉应力，有使碳纤维板从混凝土表面产生剥离的趋势。有限元模拟数据与实际监测结果比较吻合，说明有限元模拟方法可以应用于实际工程的辅助计算。

关键词：预应力碳纤维板；桥梁工程；局部加固；整体效应；有限元分析

0引言

碳纤维材料是一种高科技复合材料[1-2]，最早应用于军事、航空、船舶和汽车等领域，20世纪50年代首次应用于增强混凝土结构，国内外对预应力碳纤维板加固结构构件已进行了大量研究。文献[3]用14根预应力碳纤维梁与非预应力梁进行测试，发现前者有更高的极限荷载，而且相同荷载作用下扰度变化较小。文献[4]对3根碳纤维板加固梁与未加固梁进行了对比分析，得出加固后钢筋混凝土梁变形减缓的结论。文献[5]对8根外部粘贴预应力碳纤维板加固受弯构件进行了研究，分析预应力碳纤维板加固对试件承载力、使用阶段的变形和碳纤维应用效率等的影响，发现预应力碳纤维板加固可大大提高受弯构件的开裂荷载和屈服荷载，提高受弯构件利用效率。文献[6]采用外部粘贴预应力碳纤维板技术对某危桥进行了加固,桥梁结构承载力满足加固设计荷载要求,且挠曲变形显著减小,桥梁结构的内力分布得到明显改善。在工程上，文献[7]对开裂严重、梁体挠曲变形明显的钢筋混凝土简支T形梁桥进行了提载性加固，显著提高了桥梁结构的承载能力，增大其刚度，改善其内力分布，从而有效提升了桥梁的运营能力。文献[8]用预应力碳纤维板对洋河桥进行加固，对施工工序、承载力和应力进行了验算，为后续桥梁加固提供参考。

但是，有关预应力碳纤维板局部加固对整桥影响的研究较少。本文通过加固前后混凝土的应力变化，以及有限元软件的仿真模拟，分析局部加固对整桥的影响效应，探讨预应力碳纤维板对既有桥梁局部加固的整体影响机理。并将有限元模拟数据与实测数据进行了对比分析，验证了有限元模拟分析的可靠性。

1工程概况及加固方案

1.1工程概况

某桥梁全长456.91 m，桥面宽度23 m，公路等级为双向4车道高速公路，荷载等级为公路Ⅰ级。桥梁上部为25 m跨长预应力混凝土简支T梁，沥青混凝土桥面铺装，路面从中脊线向两侧2%找坡，毛勒伸缩缝，板式橡胶支座；下部为双柱式桥墩、轻型桥台。经过16 年的运营，桥梁已出现不同程度的损伤。在2011年9月的定期检查中，发现部分T梁已出现马蹄缘开裂、下挠变形、横隔板混凝土破损、局部钢筋锈胀、铺装层开裂和车辙等病害。监测数据表明：破损最严重的是1#梁，从离支座1/3跨长的位置到跨中区域的截面下缘均出现了拉应力，不满足抗裂要求，部分病害有发展迅速的趋势，桥梁加固刻不容缓。桥梁1/2横断面见图1。

图1　桥梁1/2横断面图

1.2预应力碳纤维板加固方案

根据文献[9]的病害程度分类，1#梁、2#梁和3#梁属于一般病害的3类T梁，经过多种方案比较，决定采用预应力碳纤维板进行加固。首先，对裂缝和局部破损部位采用丙乳砂浆或丙乳细石混凝土进行修补；然后，对损伤较严重的1#梁、2#梁和3#梁进行预应力碳纤维板侧面体外加固。预应力碳纤维板的张拉控制应力取960 MPa，张拉控制力为(0.4×2 400×200) N=192 kN，碳纤维板规格(宽×厚)为100 mm×2 mm，长21 m，布置在梁两侧距梁底100 mm处，采用一端同时张拉，预应力损失取张拉控制应力的10%～15%,加固示意图见图2和图3。

图2预应力碳纤维板加固位置及表面应变计布置图3加固T梁横截面图

2加固结果与分析

为了对比分析预应力碳纤维板加固前后的整体效果，加固前后桥梁底部的混凝土应变采用光纤光栅混凝土表面应变计进行监测。通过测量加固前后光纤光栅波长的改变，研究桥梁承载力的变化。为了便于观察，假设加固前为初始状态，应变基准值为0，加固后通过光纤光栅传感器测出变化的波长，并由波长与应变值的换算公式得到相应的应变数据，进而由应变值计算出应力值。表1为主梁底部所测混凝土应变和应力值。图4为测点主压应力曲线图。通过计算分析发现：对碳纤维板施加预应力后，1#加固梁、2#加固梁和3#加固梁底部的应力由趋近于零变为负值，说明碳纤维板对主梁加固的效果明显，其原因是预应力碳纤维板加固后使主梁底部承受压力，其应力由拉应力转变为压应力，梁承载能力的提高,与文献[10]的加固效果一致。除加固梁梁底混凝土的应力变化较大外，未加固的4#梁和5#梁的应力值也发生了不同程度的变化，变化量较大的4#梁，增加的应力为加固梁平均应力的26.5%，变化较小的5#梁增加的应力为加固梁平均应力的8.8%。采用预应力碳纤维板加固，可以产生整体加固效应，即使只加固部分梁，对未加固梁的抗弯能力也有一定程度的提高。主要原因是桥梁的整体效应，各T梁具有相互作用，使桥面的T梁之间存在一定程度的预应力传递，越靠近加固梁，这种影响越大。

表1　主梁底部所测混凝土应变和应力值

3有限元模拟验证

图4　测点主压应力曲线图

为了验证这种整体效应，参考文献[11-12]，选择第15跨预应力碳纤维板加固桥段，进行整桥有限元分析。假定碳纤维板材与混凝土之间有可靠的黏结，碳纤维板与混凝土单元采用共用节点法进行连接。采用文献[13]所述降温法对预应力碳纤维板施加预应力，桥梁的荷载形式为车道荷载，同时考虑桥梁自身质量及栏杆荷载，并进行最不利荷载布置。

3.1材料参数

模型定义的材料有混凝土、普通钢筋、预应力筋和碳纤维板，材料参数见表2。

表2　材料参数表

3.2数值模拟结果与分析

图5给出了原桥在车道荷载及自身质量作用下，各桥梁板底面与顶面的纵向应力情况。由图5可知：1#梁、2#梁、3#梁在车道荷载作用下，跨中梁底均出现纵向拉应力，未加固的4#梁、5#梁则产生纵向压应力。加固前后有限元模拟得出桥梁底部各测点的应力值，见表3，加固前应力最大处在2#梁处，应力值达3.00 MPa，与图5吻合。对1#梁、2#梁和3#梁的腹板底部侧边实施碳纤维板预应力加固后，1#梁、2#梁和3#梁产生预压应力，各T梁腹板均为数值小于0 MPa的受压状态，桥面顶板均处于受拉状态，满足原结构全预应力的要求。

(a) 桥梁板底面(b) 桥梁板顶面

图5加固前桥梁板底面与顶面纵向应力图

表3　有限元模拟得出各测点的应力值　　MPa

模拟结果还表明:加固的1#梁、2#梁和3#梁在预应力碳纤维板长度范围内，其腹板下边缘的混凝土纵向处于受拉状态，混凝土与碳纤维板的拉应变满足变形协调关系;腹板两侧碳纤维板的预应力向与其连接的混凝土的T梁传递，导致梁沿纵向产生了拉应力，而且预应力碳纤维板沿纵向、横向和竖向均存在不同程度的拉应力，有使碳纤维板产生剥离的趋势。因此，在采用预应力碳纤维板进行加固时，应采取措施保证碳纤维板与混凝土之间有可靠黏结和锚固，避免产生剥离。

4实测数据与有限元模拟数据对比

表4将加固前后混凝土梁应力总变化量实际监测值与ANSYS有限元模拟值进行了对比。桥梁应力总变化量实测值与模拟值比值的均值为0.93，标准差为0.09，变异系数为9.68%，说明实测值与有限元模拟值较为吻合，各测点实测值与模拟值的误差基本在10%之内，属于允许范围。产生误差的原因可能是由于在模型建立的过程中，未考虑混凝土梁材料的不均匀性、预应力碳纤维板张拉时的偏心误差以及张拉后碳纤维板与被加固梁梁体的黏结可靠性等情况，造成有限元模拟的应力值略微高于实测值。

表4　加固前后混凝土梁应力总变化量

通过表4实测值与模拟值测点应力变化的对比情况，可以看出两者的应力变化量基本一致，表明预应力碳纤维板加固桥梁可靠性好，局部加固可对全桥产生整体加固效果，所建立的ANSYS模型具有一定的实用价值，可将有限元模拟作为评估预应力碳纤维板加固桥梁耐久性及桥梁正常运营监测的参考模型，用于预测后期损伤与加固效果。

5结论

(1)预应力碳纤维板加固既有一定损伤和病害的桥梁结构，能显著减小加固梁底部的拉应力，补强效应明显，且整桥的横向连接作用可使未加固部分梁的承载力得到一定程度地提高，产生良好的整体效应。

(2)预应力碳纤维板加固混凝土桥梁，沿碳纤维板与混凝土构件接触部位的纵向、横向和竖向均存在不同程度的拉应力，有使碳纤维板从混凝土表面产生剥离的趋势，处理不当会造成结构的二次破坏，所以应采取措施予以防患。

(3)加固桥梁实测值与有限元模拟值的应力变化量基本一致，表明所建立的ANSYS模型具有一定的实用性。在实际工程中可运用有限元模型进行模拟，以预测预应力碳纤维板加固桥梁的加固效果。

参考文献：

[1]LYONS J,LAUB D,GIURGIUTIU V，et al.Effect of hygrothermal aging on the fracture of composite overlays on concrete[J].Journal of reinforced plastics and composites,2002,24(4):293-310.

[2]GODAT A，LABOSSIERE P，NEALE K W，et al.Behavior of RC members strengthened in sheer with EB FRP:assessment of models and FE simulation approaches[J].Computers and structures,2012,92/93:269-282.

[3]NORDIN H,TALJSTEN B.Concrete beams strengthened with prestressed near surface mounted CFRP[J].Journal of composites for construction,2006,10(1):60- 68.

[4]徐芸,徐荫,查润华,等.碳纤维板加固钢筋混凝土梁裂缝的试验研究[J].九江学院学报(自然科学版),2005,30(1):22-25.

[5]彭晖,尚守平,金勇俊,等.预应力碳纤维板加固受弯构件的试验研究[J].工程力学,2008,25(5):142-151.

[6]何贤锋,彭晖.外部粘贴预应力碳纤维板技术加固桥梁结构的工程应用与评估[J].中国铁道科学,2007,28(2):139-144.

[7]李学俊,彭晖.预应力碳纤维板加固桥梁技术的工程应用及试验研究[J].建设机械技术与管理,2011,24(1):109-113.

[8]窦勇芝.预应力碳纤维板加固T梁关键设计和施工技术[J].结构工程师,2014,30(5):203-209.

[9]中华人民共和国交通运输部.公路桥梁承载能力检测评定规程:JTG/T J21—2011[S].北京:人民交通出版社,2011.

[10]陈爽,陈宜虎,梁进修,等.碳纤维加固锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳抗弯性能[J].河南科技大学学报(自然科学版),2014,35(1):58-62.

[11]张彦红,姚勇,杨勇新,等.CFRP加固预应力空心板受弯性能非线性有限元分析[J].工程抗震与加固改造,2014,36(2):60-65.

[12]肖红菊,孙玉永.预应力碳纤维布加固损伤混凝土梁有限元分析[J].河南科技大学学报(自然科学版),2011,32(6):51-54.

[13]金凌志,谢旦,杨惠贤,等.基于ANSYS模拟的无黏结预应力RPC简支梁分析[J].混凝土,2011(9):23-24.

基金项目：国家自然科学基金项目(51368013);广西重点实验室基金项目(2015-A-02)

作者简介：邓云飞(1992-),男,江苏常州人,硕士生;金凌志(1959-),女,通信作者,湖南双峰人,教授,硕士生导师,主要研究方向为预应力与新型混凝土材料结构.

收稿日期：2015-11-17

文章编号：1672-6871(2016)05-0037-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.009

中图分类号：U445.7+2

文献标志码：A