预应力混杂C/G布加固板梁桥的受力性能研究*

苏 林，方太云，张 剑，陈雄飞，汪 锋，艾 军

(1.江苏扬子大桥股份有限公司，江苏 南京 214521；2.江苏省交通运输厅工程质量监督局，江苏 南京 210001；3.南京航空航天大学，江苏 南京 210016)



预应力混杂C/G布加固板梁桥的受力性能研究*

苏 林1，方太云2，张 剑3，陈雄飞1，汪 锋1，艾 军3

(1.江苏扬子大桥股份有限公司，江苏 南京 214521；2.江苏省交通运输厅工程质量监督局，江苏 南京 210001；3.南京航空航天大学，江苏 南京 210016)

对空心板采用预应力C/G布加固，计算结果表明，通过闭合裂缝，提高了梁的有效刚度，恢复或部分恢复了梁的刚度，保证了桥梁的正常使用功能。板梁底张拉C/G布为钢筋卸载，延长了桥梁的疲劳寿命。在荷载作用下，纤维布上产生了弹性应变，且应变随着荷载的增加而增大，表明纤维布参与板受力而发挥了作用。纤维布与混凝土能够协同工作，预应力纤维布主动加固效果较为显著。预应力C/G布为板梁桥提供了一种新的加固方法，可供工程加固设计参考。

预应力混杂C/G纤维布；板梁桥；受力性能；有限元

在目前的纤维布加固工程中，大部分采用的是碳纤维材料，但其价格较高，且延性较差；因此，近年来，许多研究工作者开始关注混杂纤维的加固性能，并开展了许多有关的实验研究及理论分析[1-5]。熊光晶等[6]首次提出了混合采用玻璃纤维布和碳纤维布对钢筋混凝土梁进行加固的思路，并开展了对比试验研究。结果表明，相对碳纤维布加固方法，采用混杂纤维复合材料加固法，既能在保证承载力的前提下显著提高构件的延性，又能显著降低加固成本，仅刚度略有下降。喻林等[7]提出了用混杂纤维(由碳纤维和玻璃纤维组成)布加固混凝土结构的方法，使用C/G布来提高钢筋混凝土梁受弯承载力的补强加固方法是有效的，加固材料的混杂比例及混杂方式均对钢筋混凝土梁受弯承载力有一定的影响，层内混杂纤维的抗弯性能、延伸性能以及经济性均优于单一纤维和层间混杂纤维。周明芳[8]试验研究了碳-玻璃层间C/G布加固混凝土梁的抗弯性能，并与单一碳纤维及单一玻璃纤维进行了比较。谢志红等[9]通过9根钢筋混凝土梁的抗弯试验，分析了碳-芳纶层间C/G布对RC梁的抗弯刚度、初裂荷载以及极限荷载的影响，建立了加固梁数值计算的有限元模型。王冬英[10]通过建立C/G布加固RC梁的有限元模型，对预应力HFRP加固RC梁跨中挠度进行了参数化分析。

预应力混杂FRP加固钢筋混凝土构件已成为重要的研究课题，本文对预应力C/G布加固空心板的受力性能展开研究。

1 工程背景

某混凝土空心板梁桥(见图1)位于204国道灌南段沂河大堤南侧，桥梁中心桩号K538+994，老桥建于1998年，2004年对该桥上部结构进行了改造，利用老桥下部结构，跨径组合为：6+4×8+6=44 (m)，设计宽度为：0.5+12.5+0.5=13.5 (m)。桥梁设计荷载为汽-20，挂100。上部结构中主梁采用空心板梁结构，下部结构采用桩柱式墩台，钻孔灌注桩基础。

图1 某混凝土板梁桥横断面布置简图(单位：cm)

采用预应力单层C/G混杂纤维布对结构进行加固，以提高构件疲劳承载力并恢复其刚度。每块空心板下安装4道150 mm宽的单层C/G布，板底喷涂保护层。与普通碳纤维加固相比，采用该方法节约20%成本，且加固效果明显提高。

2 加固空心板的受力分析

该桥跨径6 m，跨径较小，控制截面取为跨中及支点2个截面，重点考察跨中截面。空心板数量共计10块。本文采用模拟加载的方法进行分析，以说明预应力C/G布加固效果。

加固后试验采用2辆标准30 t汽车进行模拟加载。车辆加载方式如图2所示，纵向中轴位于跨中截面上；横向2辆车车轮中心距1.3 m，对称于桥面中心线布置。

图2 跨中截面对称加载布置图

空心板梁选用solid45单元(见图3)，纤维布模型采用shell63单元(见图4)，材料属性由设计参数给定。

图3 空心板梁网格模型

图4 纤维布网格模型

加载计算结果云图如图5所示。根据病害调查，加固前板梁间横向联系薄弱，按铰接空心板计算。加固前、后的荷载横向分布系数对比如图6所示。

图5 预应力C/G布加固空心板挠度云图

图6 各片板加固前、后的荷载横向分布系数

由图6分析可知，加固后各片梁的荷载横向分布趋于均匀，表明整体加固后各片梁的横向性能发挥良好，且裂缝闭合后梁的刚度恢复。

3 加固后性能分析

1)对现有的裂缝进行修补封闭，将开裂的混凝土进行粘合，避免了含盐水汽对混凝土内钢筋的锈蚀，保证了结构的长期工作性能。

2)部分构件的变形得到了恢复，在构件变形恢复的过程中，可对早期封闭的裂缝形成挤压效应，促进胶体与混凝土的结合性能，提高了裂缝封闭的质量。

3)通过闭合裂缝，提高了梁的有效刚度，恢复或部分恢复了梁的刚度，保证了桥梁的正常使用功能。

4)板梁底张拉C/G纤维布为钢筋卸载，延长了桥梁的疲劳寿命。

5)在荷载作用下，纤维布上产生了弹性应变，且应变随着荷载的增加而增大，表明纤维布参与板受力而发挥了作用。纤维布与混凝土能够协同工作，预应力纤维布主动加固效果较为显著。

4 结语

预应力混杂FRP加固钢筋混凝土构件已成为热点研究问题，本文对预应力C/G布加固空心板的受力性能展开了研究。加固后各片梁的荷载横向分布均匀，表明整体加固后各片梁的横向性能良好，且裂缝闭合后梁的刚度恢复。板梁底张拉C/G布为钢筋卸载，延长了桥梁的疲劳寿命。纤维布与混凝土能够协同工作，预应力纤维布主动加固效果较为显著。

[1] 蔡晨宁, 欧世坤, 杨杰, 等. 在役桥梁预应力混杂纤维布加固后静载试验研究[J]. 新技术新工艺, 2015(5):96-100.

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[3] Ehsani M R, Saadatmanesh H. Fiber composite plate for strengthening bridge beams [J]. International Journal of Composite Structures, 1990, 15(4):343-355.

[4] 张剑, 艾军, 胡明敏, 等. 预应力CFRP/GFRP混杂纤维布加固混凝土梁的预应力损失试验研究[J]. 新技术新工艺, 2013(2):77-79.

[5] 王炜, 黄协清, 陈天宁, 等. 内蕴时间理论用于NOPD结构响应计算的研究[J]. 力学学报, 2003, 35(2):246-252.

[6] 杨建中, 熊光晶, 严州, 等. 高强玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料加固混凝土梁的抗弯试验研究[J]. 土木工程学报, 2004, 37(7):18-22.

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[8] 周明芳. 碳/玻璃纤维混杂布加固混凝土梁抗弯性能试验研究[J]. 河南科学, 2008, 26(10):1235-1238.

[9] 谢志红, 邓军, 莫晓东. 碳/芳纶C/G布加固混凝土梁抗弯试验研究[J]. 中外公路, 2008, 28(1):57-60.

[10] 王冬英. 预应力HFRP混杂加固RC梁跨中挠度分析[J]. 低温建筑技术, 2009(3):30-32.

* 江苏扬子大桥股份有限公司资助项目(GCJS2014-37) 江苏省自然科学基金资助项目(BK20130787)

责任编辑 郑练

Mechanical Behavior of the Slab Bridge Reinforced with Prestressed C/G Sheets

SU Lin1, FANG Taiyun2, ZHANG Jian3, CHEN Xiongfei1, WANG Feng1, AI Jun3

(1.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd., Nanjing 214521, China; 2.Quality Supervision Bureau of Transportation Department of Jiangsu Province, Nanjing 210001, China; 3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

While the prestressed C/G sheet is used to reinforce the hollow slab, the calculation results have been studied. Through restoring the closed fracture stiffness of the member, the effective stiffness of the beam can be improved, the stiffness of the beam is restored or partially restored, and the normal using function of the bridge can be improved. The C/G sheet of the bottom of the plate beam is loaded with the steel bar to prolong the fatigue life of the bridge. Under the load action, the elastic strain is produced on the fiber sheet. With the increase of the load, the strain increases which indicates that the fiber sheet plays a role in the stress of the plate. Fiber sheet and concrete can work together. The prestress effect of the fiber sheet is obviously achieved. The prestressed C/G sheet is a new method to reinforce the slab bridge, which can be used for engineering reinforcement design.

prestressed hybrid C/G fiber, slab bridge, mechanical behavior, finite element

U 441

A

苏林(1970-)，男，高级工程师，主要从事土木工程等方面的研究。

2016-07-07