碳纖維板加固預應力空心板受力性能分析★

李 猛 何化南 張冠華

(1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.遼寧省交通規劃設計院，遼寧 沈陽 110166； 3.公路橋梁診治技術交通運輸行業研發中心，遼寧 沈陽 110166)

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·橋梁·隧道·

碳纖維板加固預應力空心板受力性能分析★

李 猛1何化南1張冠華2,3

(1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.遼寧省交通規劃設計院，遼寧 沈陽 110166； 3.公路橋梁診治技術交通運輸行業研發中心，遼寧 沈陽 110166)

采用MIDAS/FEA建立了預應力碳纖維板和普通碳纖維板加固后預應力空心板有限元分析模型，并考慮二次受力的影響，對其加固效果進行了對比分析，依據分析結果給出了工程中使用碳纖維板加固類似橋梁的建議。

碳纖維板，MIDAS/FEA，橋梁加固

0 引言

裝配整體式預應力混凝土空心板橋在我國既有中小跨徑公路橋梁中占有很大比重，隨著其使用年限的增加和公路橋梁荷載的變化，橋梁病害和承載能力不足的問題越來越突出，橋梁加固成為工程技術人員需要面對的重要問題之一。目前，橋梁加固常見的幾種方法主要包括碳纖維加固，簡支改連續加固，體外預應力加固和增大截面等，其中，碳纖維板加固是最為傳統和重要的加固方式之一。本文利用有限元分析軟件MIDAS/FEA模擬了在二次受力下，普通和預應力碳纖維板加固預應力空心板的受載效應，根據加固前后，和是否考慮二次受力的對比結果，分析了二次受力和碳纖維板預應力對于碳纖維板加固的影響，為工程計算和使用提供了參考。

1 模型簡介

本文以某預應力空心板橋為原型，該橋計算跨徑20 m，橋面寬度為14 m，荷載等級為汽車—超20級、掛車—120。本文取該橋單片空心板為模擬對象，空心板含有的預應力鋼絞線為14φj15.24(7φ5)，其截面及預應力鋼絞線布置如圖1所示。

通過改變加固方式，作者共利用MIDAS/FEA分析了5片預應力空心板加固數據。其基本信息如表1所示。

表1 模型編號及基本信息

2 模型的建立

2.1 材料參數

模型中混凝土材料參數參考該橋梁設計時選用的老規范40號混凝土，其彈性模量為34 GPa，抗壓強度標準值為28 MPa，另外，混凝土的受拉和受壓曲線均采用非線性模型。預應力鋼絞線的彈性模量取200 GPa，抗拉標準強度1 860 MPa。碳纖維材料參照《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》中說明的高強碳纖維材料，彈性模量為240 GPa，極限抗拉強度為3 000 MPa，其厚度采用1.0 mm，并且認為碳纖維材料受拉曲線為線性，在達到強度后迅速斷裂，不考慮其延性。

2.2 單元的選取和板體模型

利用軟件中的實體單元來模擬混凝土單元，為了有利于計算的收斂和接近真實，實體單元劃分時截面內尺寸控制在60 mm左右，縱向長度控制在80 mm左右。碳纖維單元用平面應力單元即膜單元來實現，在混凝土板底部和混凝土單元共用節點。普通鋼筋和預應力鋼束均采用植入式配筋。為防止出現應力集中，在支座處使用橡膠墊塊，橡膠墊塊下再添加剛性墊板，邊界約束施加在剛性墊板上。另外，集中荷載施加處也采用類似的處理辦法。本文建立的有限元模型如圖2所示。

2.3 荷載設置

根據設計圖紙，預應力鋼束的張拉控制應力為1 395 MPa，考慮其預應力損失帶來的變化，模型中有效預應力取為1 100 MPa，采用預應力碳纖維板加固的模型，碳纖維板的預應力采用碳纖維板的極限抗拉強度的23%左右，近似取為700 MPa。

本橋加固后要求荷載等級達到新規范公路—Ⅰ級荷載標準，因此所施加的荷載均按新規范荷載等級選用。本次模擬目的在于對比同等荷載條件下不同加固方式的加固效果，所以在加載過程中，不考慮橫向分布的影響，統一在各模型上施加一個車道荷載。根據規范公式：

均布荷載：10.5×(1+0.27)=13.34 kN/m。

集中荷載：[18]0+180×(20-5)/(50-5)〗×(1+0.27)=304.8 kN。

其中，0.27是由規范公式計算出的沖擊系數。

考慮二次受力影響時，通過預加30%車道荷載，然后激活碳纖維板單元，再繼續施加剩余荷載來實現。施加荷載過程中，均布線荷載根據板面寬度等效為均布面荷載，集中荷載也分解成多個節點荷載施加在跨中的剛性墊塊上。

3 計算結果分析

對本文建立的不同的有限元模型進行分析，當加載至100%的車道荷載時，不同模型的最終的撓度和各主要材料的最大應力匯總至表2。

表2 各模型最終撓度和各主要材料應力匯總表

將各加固模型相對于對比模型的加固效果進行對比分析，計算各指標變化情況，匯總至表3。

表3 各模型加固效果匯總表

分別對比1號，3號模型和2號，4號模型可以看出，無論是普通碳纖維板加固還是預應力碳纖維板加固，在考慮二次受力前后，跨中最大撓度和各材料的最大應力變化均不明顯，這是因為，二次受力下的預應力空心板在初荷載作用下底部混凝土的應變還很小，碳纖維的滯后應變很小，從而導致二者加載結束后的受力狀態和變形狀態十分接近。以上說明二次受力對碳纖維板加固的效果影響不大。

分別對比0號，1號，2號模型，首先1號模型和2號模型分別比對比梁的撓度減小了32.9%和65%，改善效果相差一倍，其次1號模型的混凝土最大應力和預應力鋼束的最大應力也比較小。這表明與普通碳纖維板相比較，預應力碳纖維板的各項加固效果均優于普通碳纖維板，預應力碳纖維板進一步提升了梁體的抗彎能力。

對比各加固梁的碳纖維板最大應力和高強碳纖維板的極限抗拉強度可以看出，普通碳纖維加固，會造成碳纖維板抗拉性能的極大浪費。預應力碳纖維板的最大利用效率則大大增加。

從預應力碳纖維板的最終應力和預應力鋼束的最終應力來看，它們的差值比它們的初始預應力的差值減小，這是因為，碳纖維板的彈性模量高于預應力鋼束，并且，其距離橫截面中性軸的距離也大于預應力鋼束。如果繼續加載，預應力碳纖維板的應力有可能超過預應力鋼束，因此，采用預應力碳纖維板加固預應力空心板時，應盡量采用強度較高的碳纖維板，以防止碳纖維板提前斷裂。

從結果中提取出各荷載步驟的撓度，繪制各模型的荷載因子—撓度折線圖，如圖3所示。

由圖3可以看出，1號，3號模型和2號，4號模型的荷載因子—撓度折線圖分別接近，二次受力帶來的滯后應變對整個受載過程都沒有帶來太大影響，而普通和預應力碳纖維加固與對比梁的荷載因子—位移折線圖則呈現出三種不同的發展趨勢，這也證明了預應力碳纖維板加固的優越性。雖然本次模擬沒有加載至破壞，但是可以從圖中推測，對比梁、普通碳纖維板加固梁、預應力碳纖維板加固梁三者的極限承載能力會依次增加，而其達到極限狀態時的變形則依次減小。

4 結語

1)二次受力對碳纖維板加固效果影響不大。但如果在二次受力下，結構有了裂縫，則應盡可能卸去活荷載或采用其他方式先減小加固處的撓度和裂縫，再進行加固；

2)預應力碳纖維板加固有比較優越的加固效果，碳纖維板的預應力應在一定范圍內盡量增加，以提高其利用效率；

3)由于碳纖維板的拉應力隨荷載的增加速度高于鋼筋和預應力鋼絞線，采用預應力碳纖維板加固時，應盡量采用高強碳纖維板，防止碳纖維板出現提前斷裂。

[1]劉成強.RC空心板橋CFRP抗彎加固理論及應用研究.重慶：重慶大學，2011.

[2]鄔小光，白青俠，雷自學，等.公路橋梁加固設計規范應用計算示例.北京：人民交通出版社，2011:3- 6.

[3]鄒旭巖，陳 淮.碳纖維加固預應力混凝土空心板橋力學性能分析.鄭州大學學報，2010,42(4):111-115.

[4]張 鵬，郝憲武.碳纖維加固橋用空心板模型試驗研究.工業建筑，2005,35(sup)：921-923.

[5]王敏榮.考慮二次受力的碳纖維布加固鋼筋混凝土梁抗彎承載能力計算.中外公路，2013，33(6):102-106.

Analysis on stress performance of carbon fiber board reinforcing prestressed hollow board★

Li Meng1He Huanan1Zhang Guanhua2,3

(1.DalianTechnologyUniversityCoastandCoastalEngineeringNationalLab,Dalian116024,China;2.LiaoningInstituteofTrafficPlanningDesign,Shenyang110166,China;3.HighwayBridgeClinicTechnologyTrafficTransportationIndustrySurveyCenter,Shenyang110166,China)

The paper establishes finite element model of prestressed carbon fiber board and common carbon fiber board reinforced prestressed hollow board by applying MIDAS/FEA, considers secondary stress impact, and compares and analyzes its reinforcement effects. The analysis results show some suggestions for similar bridge engineering reinforcement with carbon fiber board.

carbon fiber board, MIDAS/FEA, bridge reinforcement

1009-6825(2015)01-0145-02

2014-10-30 ★：國家自然科學基金資助項目(項目編號：51108054)

李 猛(1990- )，男，在讀碩士; 何化南(1972- )，女，副教授； 張冠華(1974- )，男，教授級高級工程師

U445.72

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