CFRP加固混凝土旧桥的影响因素

舒彬

摘 要：在梁外部黏贴CFRP（碳纤维）用于加固桥梁有很多优点，但CFRP片材线弹性模量较低，极限强度很高，需要通过变形才能发挥其高强度；而桥梁梁体由于配筋率、初应变等因素的影响使梁体受拉区变形受到限制。因此，采用外贴CFRP片材加固桥梁时法则存在加固效率下降的问题。

关键词：线弹性模量；受压区高度；配筋率；初应变

中图分类号：U448.35 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）19-0116-03

Elementary Discussion on Influencing Factors of Carbon Fiber

Reinforced Concrete Old Bridge

SHU Bin

（Shaanxi Institute of Railway Engineering Technology， Weinan Shaanxi 714000）

Abstract： There is a lot of advantage to use carbon fiber reinforced material to reinforce bridge. But the elastic modulus of this material is a little low， ultimate intensity is high； it must need much more strain to make best use of its intensity. But the strain of beams tensile section has been limited after being reinforced for the influence of dosage of steel bars and early strain of beam. So the efficiency of making use of CFRP to reinforce bridge inevitable exists some questions need to solve.

Keywords： modulus of elasticity；high of press-section； dosage of steel bars； early strain

1 研究背景

既有公路鐵路上正在服役的各类混凝土桥梁，随着服役年限的增加和车辆行驶标准的提高，大量已建桥梁或老旧桥梁需要通过加固来适应新的行车速度，满足行车舒适度的要求。近二十年，新型材料研究得到了极大发展。目前，采用复合纤维材料CFRP加固已有桥梁，提高桥梁安全性和行车舒适度，已经成为桥梁修复或加固的热点课题。虽然碳纤维在工程力学特性、施工工艺布置等方面取得了很大进步，但部分己经完成的混凝土梁体加固后试验研究结果表明，大部分采用在混凝土表面黏贴的施工方法的CFRP材料在试验中没有变现出碳纤维的抗拉高强度力学特点，试验结果是：碳纤维与混凝土黏贴面发生剥离破坏，或者是混凝土被压坏而碳纤维没有破坏产生，后者为脆性破坏。采用传统的在混凝土受拉区黏贴钢板的加固方法，由于钢板的弹性模量大、屈服强度低，梁体少量变形就可以使钢板达到屈服强度，即钢材的强度可以得到充分利用；而碳纤维是纵向抗拉高强度，横向剪切低强度，弹性较低，需要混凝土梁体通过较大的弯曲变形使碳纤维纵向拉升变形变大才能发挥CFRP的高强度，采用外贴CFRP片材加固桥梁时，加固效率理论计算值和实际值存在一定程度的差异问题。

2 加固后梁截面的相对受压区高度与CFRP片材的强度利用率分析

采用外贴CFRP片材加固混凝土桥梁会出现被加固后的CFRP片材纵向抗拉高强度得不到发挥的情况，这会影响桥梁的实际加固效果。大量试验研究证明：即使在混凝土梁体发生开裂以后，采用外贴碳纤维的方法加固后，其桥梁梁体截面仍然可以采用假定计算截面是平面不是曲面的方法进行计检算，计算断面在混凝土开裂后仍然为平面计算模型的合理性在规范中也得到证实[1]。修复后的混凝土桥梁梁体在临界极限状态时，按照断面为平面的计算假定模型则有：假定不发生剥离破坏，当混凝土梁体受拉区的外贴碳纤维首先达到容许纵向拉应变时：

[ε=ε] （1）

当混凝土梁体纵向受压区首先达到混凝土的极限压应变时：

[ε=βεcξh-εc] （2）

[ε]为拉应变，[ε]为容许拉应变，[β]为矩形等效系数，[ξh]为相对界限受压区高度，[εc]为混凝土拉应变。

图1是根据公式（1）和（2）联合计算所得的采用不同的受压区高度与对应的梁体纵向受拉区碳纤维材料的有效拉应变，其中，CFRP片材的容许拉应变[ε=0.01]。

从图1可知，加固后的混凝土桥梁梁体构件在对应最大荷载作用对应承载能力极限状态时，碳纤维加固材料的有效应变主要与加固后的混凝土横断面上的相对受压区高度有关；在混凝土梁体横向截面相对受压区高度较小时，混凝土梁体在荷载作用下变形较大，构件延性较好，在达到极限承载能力时，整个梁体构件弯曲的曲率较大，梁体受拉区域变形较大，对应的加固碳纤维材料的变形得到充分发挥，材料强度得到充分利用；反之，当配筋较大，混凝土整体构件在竖向荷载作用下受压区较大时，构件受拉区的变形受到的限制变形减小，CFRP片材的高强度难以发挥。

当被加固桥梁整体构件的截面相对受压区高度达到某一特定临界值，混凝土整体构件达到承载能力极限状态（如果受拉区CFRP片材达到极限拉应变与受压区混凝土达到极限压应同时发生，此种状态即为临界状态）时，截面对应的受压区高度即为界限受压区高度。从图1、式（1）和式（2）的分析可以看出，对于混凝土标号为C30—C50，当碳纤维的变形在容许范围内时，构件的界限受压区高度为0.19～0.20。这表明：只有被加固混凝土构件在竖向荷载作用下受弯曲变形时，横向断面截面相对受压区高度小于0.19～0.20区域的工况下，碳纤维加固材料的纵向高强度才能得到充分发挥。

设材料的强度利用率为：

[λ=ε/ε] （3）

从图1和式（3）的分析可以看出，当[ξh>ξj]时，片材强度利用率[λ]随加固后受压区高度[ξh]的变化十分敏感，例如，对于C50混凝土，[ξh]=0.2时，[λ]=l；而当[ξh]=0.32时，[λ]=0.5。

3 被加固后桥梁梁体新增内力臂与横向断面截面的相对受压区高度对比分析

被加固梁体新增加的竖向荷载承载力本质上为新增的梁体构件最大受力横断面处受压区混凝土与横截面另一侧及受拉区碳纤维材组成的内力偶臂，增大的承载力值的大小取决于力臂的大小，即受拉区与受压区之间的计算距离，同时也取决于竖向荷载作用下力的大小；新增力臂和力的大小主要取决于梁体构件截面加固前的相对受压区高度，横向断面处截面在加固后平截面假定下的内力平衡方程如式（4）所示：

[ΔN=ΔNc=fcbx2ΔM=l×ΔNc；l=h-x1-x2/2] （4）

注：[ΔN，ΔNc]为增加的杆件轴向力和增加混凝土截面的轴向力，[ΔM]为增加弯矩，[l]为增加内力臂，[fc]为混凝土强度设计值，[b]混凝土截面宽度，[x1，x2]为构件受拉区钢筋对应等效混凝土受压区高度和碳纤维对应等效混凝土受压区高度。

被加固后桥梁梁体新增内力臂[l]随[x1，x2]的增加而减小，这一规律被许多试验所证实，即碳纤维材料加固混凝土受弯构件的加固效率随梁体横向断面方向的截面配筋率的增大或者碳纤维的用量增大而加固效率下降[2，3]。

4 参数分析

表1为矩形截面梁宽610mm、高900mm的竖向荷载受弯构件钢筋混凝土梁，采用梁体底面贴碳纤维的加固方法，对应不同梁体截面计算初始参数和加固前后截面相对受压区高度[ξq，ξh]、碳纤维片材有效应力[σ]、新增弯矩内力臂[l]。新增弯矩绝对值[ΔM]、相对承载力增长率[β=ΔM/Mq]之间的关系（[Mq]为加固前承载力）。其中材料为：C40混凝土、HRB335热轧钢筋，45mm混凝土保护层厚度，CFRP弹性模量[E]=200GPa，材料纵向容许拉应变[ε=0.01]。

到达临界极限状态受力时，梁受拉区的碳纤维有效新增应力和有效新增内力臂均随之减小；在加固碳纤维材料用量相等的情况下，如工况1—4，其被加固桥梁构件的实际承载力增量不断减小；即使保持被加固梁体原来的配筋率与碳纤维材料用量比例发生一定量变化的情况下，如工况2和6—7，被加固梁体的实际承载力增量还是不断减小。同时，对比工况2、6和7可以看出，在被加固后梁体横断面上截面的原配筋率下的相对受压区高度大于碳纤维材料的临界受压区高度时，即使采用正大碳纤维用量的加固方案也不能提高被加固梁体承载力增大绝对幅值，这充分表明被加固梁体原配筋率即横截面换算下的相对受压区高度对碳纤维加固效率有很大的影响。

5 初应变的影响分析

与外贴钢板方法的不同之处在于，在达到临界状态时，外贴钢板开始屈服，屈服后的钢板强度不变，但随着荷载的增大，梁体铜钢板的变形一直变大，故外贴钢板法不存在初始应力对极限承载力的影响问题；而外贴碳纤维则不同，由于碳纤维的容许变形很大，随着外荷载的增大，碳纤维的变形也一直在增大，但碳纤维材料始终处于线性弹性阶段，变形越大产生的强度也越大，故初始变形对采用外贴碳纤维加固的方法的极限荷载使用一定影响的。本文采用外贴CFRP进行加固时对应不同初應变条件下的[M～φ]法[4]计算对比分析，算例如表2所示；采用矩形截面梁，梁高600mm梁宽400mm，采用C30混凝土， 采用HRB335钢筋，碳纤维的配筋率为0.42%，钢筋的配筋率为2.19% 。由表2可知：相对于未加固状态，加固后的截面弯矩增幅分别为33.9 % 、26.7 %，如果将这种初应变引起的不利影响与截面总体极限承载力相对比，相差则仅为8.19%，总影响没有超过10%，影响较小，在实际工程中可以不考虑初始变形的影响。

由表2可知：初始荷载作用下的变形会降低碳纤维的加固效率，但加固桥梁后，梁体的承载力增大值与原来的梁体承载力值相比很小，实际工程中可以忽略。

6 结语

桥梁混凝土截面的相对受压区高度是衡量桥梁截面尺寸、配筋率及钢筋本身的强度的综合表达系数，碳纤维加固桥梁的有效性受梁体的原配筋率产生的受压区高度影响很大，当加固后的桥梁截面的换算相对受压区高度小于0.19～0.20（即碳纤维材料的界限受压区高度）时，整个桥梁梁体在极限荷载作用下以受拉的形式破坏，碳纤维材料的变形很大，材料的高强度得到充分利用，加固效率高；当被加固桥梁在加固后的梁体截面相对受压区高度大于0.2时，桥梁在极限荷载作用下受拉区不再被破坏，而转换为受压区混凝土压碎破坏，这样受拉区的变形被限制，碳纤维的变形也就有限，不能通过大变形来发挥其高强度，从而使加固效率降低。初始荷载作用下的变形会降低碳纤维的加固效率，但加固桥梁后，梁体的承载力增大值与原来的梁体承载力值相比很小，实际工程中可以忽略；同时对于已经严重变形的桥梁，采用碳纤维加固时，由于碳纤维的强度需要通过继续变形才能产生，但更大的变形对桥梁的行车安全影响很大，故对于已经大变形的桥梁，外贴碳纤维的方法要慎用[4]。

参考文献：

[1]中国工程建设标准化协会标准.混凝土结构加固技术规程：CECS 25：90[S].北京：中国计划出版社，1991.

[2]叶列平，崔卫，岳清瑞，等.碳纤维布加固钢筋混凝土构件正截面受弯承载力分析[J]. 建筑结构，2001（3）：3-12.

[3]吴刚，安琳.碳纤维布用于钢筋混凝土梁抗弯加固的试验研究[J].建筑结构，2000（7）：3-6.

[3]王薄，夏春红.碳纤维布加固RC梁抗弯试验研究的某些结论[C]//第二届全国土木工程用纤维增强复合材料（CFRP）应用技术论文集.北京：清华大学出版社，2002.