2023年预应力碳纤维板加固梁正截面抗弯性能分析.doc

预应力碳纤维板加固梁正截面抗弯性能分析 吴 羡1 徐振立2 许宏元2 〔1.广东清连公路开展 清远 511515 2. 西安瑞通路桥科技有限责任公司 西安 710068〕 摘 要：作为国内公路桥梁加固首次采用的张拉碳纤维板技术，本文通过杜步大桥加固工程实践，进行了预应力碳纤维板加固梁的正截面抗弯性能分析，加固施工后进行了荷载试验，通过理论和试验数据的比照，验证了分析理论的正确性和可靠性，并给出了相应的计算公式，为今后推广使用该技术提供借鉴参考。 关键词：桥梁加固；预应力碳纤维板；正截面抗弯； 1 预应力碳纤维板加固技术 碳纤维板材是目前建筑材料中耐腐蚀(气候)性能最好的材料之一。已有的研究成果说明：弱酸、弱碱、冻融循环、长时间日照等环境作用对碳纤维的力学性能及耐老化性能影响极小。目前常用的非预应力碳纤维板加固技术，是在结构受拉区域用化学胶粘剂粘贴碳纤维板材，使其与构件混凝土及内部钢筋共同承受拉应力。但这种加固工艺对碳纤维强度的利用率极低，因为碳纤维板材的弹性模量为165～170 GPa，抗拉强度高达2800M Pa，要发挥抗拉强度需要1.7%的拉伸变形；而钢筋的弹性模量一般为200 GPa，抗拉强度仅为300MPa左右，要发挥抗拉强度需要0.15%的拉伸变形。当碳纤维板材与构件内部钢筋共同工作时，不考虑钢筋原有的初始应变，钢筋屈服时碳纤维板材所能发挥的强度也仅为抗拉强度的8.8%；而在让碳纤维发挥全部强度所需要的1.7%的应变下，混凝土结构会产生大的变形及明显的裂缝。 如上所述，碳纤维加固RC梁承载能力的提高是以较大的变形为代价的，因为碳纤维材料弹性模量与钢筋相近、强度是钢筋的10 倍，因此碳纤维材料发挥其强度时变形较大。预应力碳纤维加固法可较好的解决该问题，提高开裂荷载、屈服荷载，改善使用荷载下的性能。 国内外许多研究人员及工程师对此技术进行了大量的研究，以期使预应力碳纤维加固成为传统碳纤维加固及其他加固技术的良好替代技术。本文研究应用此技术，进行杜步大桥结构加固工程的应用与评估。 2 杜步大桥概况及加固方案 杜步大桥位于原107国道，现清〔远〕连〔州〕一级公路上，桥长833m，斜交角度90°，桥宽21.5m，跨径布置为27×30m，上部结构采用预制预应力混凝土T梁，下部桥台采用重力式桥台、扩大根底，桥墩采用柱式墩、桩根底。该桥设计荷载为汽车－超20级，挂车－120。 在清〔远〕连〔州〕一级公路升级改造过程中，由于路基施工标段在刷坡施工中防护不当，局部巨石砸落到杜步大桥上，造成右幅桥第一跨桥面及梁体严重破坏。 加固方案采用了在其中3片T梁马蹄侧面张拉预应力碳纤维板以补偿原结构承载力。 1、顺桥向在T梁马蹄位置张拉单层碳纤维板，碳纤维板设计厚度2.4mm、宽度为60mm，抗拉强度≥2800Mpa，弹性模量≥1.65X104 Mpa，极限承载力为403.2KN，张拉控制力为220KN。 2、预应力碳纤维板通过固定端与张拉端钢构件与T梁马蹄侧面连接，钢构件采用Q345钢，钢构件外表采用整体镀锌防锈处理，镀锌外面再涂两道红色和银色防锈漆；固定端和张拉端钢构件与混凝土梁采用M20高强锚栓连接。 3、施工完毕后，应在碳纤维板外外表涂抹涂料作为防护。 3 预应力碳纤维板加固梁的正截面抗弯性能分析 1、非预应力碳纤维板加固梁的正截面抗弯性能分析 在分析过程中，考虑了材料的非线性，采用了如下假定： 1〕平截面假定，由试验结果分析及各文献资料可以看出，CFRP片材加固RC梁在纯弯段范围内，其平均应变分布满足平截面假定。 2〕钢筋采用完全弹塑性模型，不考虑强化段，其数学表达式如下： 当时，〔〕 〔1-1〕 当时， 〔1-2〕 3〕不考虑混凝土的抗拉强度。 4〕压区混凝土采用 混凝土结构设计标准〔GB 50010〕规定的应力-应变曲线： 〔〕 〔1-3〕 〔〕 〔1-4〕 〔1-5〕 〔1-6〕 〔1-7〕 其中 ---对应于混凝土压应变为时的混凝土压应力； ---对应于混凝土压应力刚到达时的混凝土压应变，当计算的值 小于0.002时，应取为0.002； ---正截面处于非均匀受压时的混凝土极限压应变，当计算的值 大于0.0033时，应取为0.0033；正截面处于轴心受压时的混凝 土极限压应变应取为0.002； ---混凝土立方体抗压强度标准值； ---系数，当计算的值大于2.0时，应取为2.00。 5〕CFRP片材采用线弹性应力-应变关系。 2、预应力碳纤维板加固梁的正截面抗弯性能分析 预应力碳纤维加固梁可按照普通预应力混凝土梁理论计算预应力碳纤维后混凝土梁的应力状态，参照预应力碳纤维的施工工艺，根本上与后张法相同。施加预应力碳纤维后，混凝土产生的法向应力为： (2-l) 式中： ----预应力碳纤维产生的合力，； ----碳纤维预拉应力； ----加固前预应力钢绞线产生的混凝土初始应力； ----碳纤维预拉应变； ----碳纤维面积； ----碳纤维弹性模量； ----加固梁截面面积； ----截面重心至碳纤维合力点的距离； I ----截面惯性矩； ----截面重心至所计算纤维处的距离； ----碳纤维抗弯计算折减系数。 由于碳纤维用量较小，预拉合力不大，张拉过程中对原梁的性能影响较小，假定混凝土在该应力作用下处于弹性阶段，那么预应力碳纤维后梁上下截面的应变分别为： (2-2) (2-3) 式中 ----加固梁下边缘截面产生的压应变，压为正； ----加固梁上边缘截面产生的压应变，压为正； ----加固梁下边缘截面的初始压应变，压为正； ----加固梁上边缘截面的初始压应变，压为正； 相应阶段碳纤维的预拉应变为，因此碳纤维钻贴位置处混凝土法向应力为零时的碳纤维应变为，此应变即为碳纤维的超前应变。 参照二次受力的承载力计算方法，改碳纤维的滞后应变为超前应变，即可得预应力碳纤维加固梁正截面抗弯承载力的计算方法。 3、预应力碳纤维加固梁正截面抗弯承载力的计算 1〕破坏状态为混凝土压碎 参照第二章计算公式，考虑碳纤维的超前应变，其极限抗弯承载力为： (2-4) 混凝土受压区高度x 按以下公式计算： (2-5) 其中： 。 2〕破坏状态为碳纤维拉断 当破坏状态为碳纤维拉断时，考虑碳纤维超前应变，取中和轴高度为，相对受压区高度。 对受压区高度的一半取距，忽略受压钥筋产生的作用，所以极限抗弯承载力为： (2-6) 3〕破坏状态的判定 〔1〕采用相对界限受压区高度判定 混凝土受压区高度采用如下公式计算： (2-7) ---受压区高度， 界限破坏时中性轴高度为： (2-8) 按照普通钢筋混凝土理论，界限受压区高度，因此相对界限受压区高度为： (2-9) 假设混凝土受压区高度，那么采用计算的受压钢筋应力替换式〔4-7〕中受压钢筋强度，从而可计算受压区高度。 〔2〕采用拉、压区合力判定 碳纤维加固梁破坏状态的判断还可采用下述方法：计算界限破坏时压区合力及拉区合力，假设，那么破坏状态为碳纤维拉断；假设，那么破坏状态为混凝土压碎；假设，那么破坏状态为界限破坏。及分别采用下述方法计算： (2-10) 〔2-11〕 (2-12) (2-13) 4 静载试验 为检验桥梁实际承载能力和工作状况，综合评价加固效果，结合杜步大桥的特点，进行了桥梁静载试验。 4.1 测试方案 4.1.1 测试截面确实定 〔1〕、试验荷载作用下，跨中截面的最大应力测试。 〔2〕、试验荷载作用下，跨中截面的最大挠度观测。 4.1.2 测点布置 为了测试T梁在试验荷载下的应力(应变)状况，在1#、2#、3#T梁跨中腹板下部外侧布设应变片。测点布置如图4-1所示： 图4-1 跨中截面应变测点布置图 对于挠度的测量选用精密水准仪测量，测点布置于跨中截面处。测点布置如图4-2所示： 图4-2 跨中挠度测点布置示意图 4.1.3 试验荷载及试验工况 根据测试截面的活载内力和挠度影响线，按最不利位置布载，在保证加载效率条件下，经计算确定静载试验需用载重汽车20吨4辆。现场进行车辆轴距、轮距等量测，装载过磅，并按实际情况布置车辆荷载。 4.2 试验成果 4.2.1挠度 控制截面挠度实测与理论值比照见表4-1、4-2，其挠度横向分布曲线如图4-3、4-4所示。挠度以向上变形为负，向下变形为正。 表4-1 跨中一级偏载工况挠度计算值、实测值与校验系数 测点编号 试验值 (mm) 理论值 (mm) 校验系数 平均校验系数 加载挠度 剩余变形 1 2.04 -0.69 4.66 0.44 0.46 2 1.84 -0.07 3.89 0.47 3 1.76 -0.09 3.3 0.53 4 1.00 -0.01 2.62 0.38 5 0.92 0.22 1.96 0.47 表4-2 跨中二级偏载工况挠度计算值、实测值与校验系数 测点编号 试验值 (mm) 理论值 (mm) 校验系数 平均校验系数 加载挠度 剩余变形 1 4.32 -0.44 9.26 0.47 0.59 2 4.28 0.16 7.73 0.55 3 3.64 0.64 6.56 0.55 4 3.42 0.81 5.21 0.66 5 2.76 0.39 3.9 0.71 图4-3 偏载一级工况跨中截面挠度横向分布图 图4-4 偏载二级工况跨中截面挠度横向分布图 4.2.2 应变 在试验荷载作用下各个工况相应控制截面应变实测值与计算值见表4-6，4-7，应变值以拉应变为正，压应变为负。 表4-3 跨中一级偏载载工况应变计算值、实测值与校验系数 测点编号 实测值(με) 剩余应变 (με) 理论值(με) 校验系数 平均校验系数 D1-1 23 1 77 0.30 0.44 D1-2 / / 77 / D2-1 29 2 64 0.45 D2-2 28 2 64 0.44 D3-1 24 4 54 0.45 D3-2 29 6 54 0.55 表4-4 跨中二级偏载载工况应变计算值、实测值与校验系数 测点编号 实测值(με) 剩余应变 (με) 理论值(με) 校验系数 平均校验系数 D1-1 51 -7