濱海環境區梁構件碳纖維加固作用評價

朱建方,戴 欣,胡若鄰

(1.濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司,山東濟南250101；2.中交四航工程研究院有限公司,廣東廣州510230)

濱海環境區梁構件碳纖維加固作用評價

朱建方1,戴 欣1,胡若鄰2

(1.濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司,山東濟南250101；2.中交四航工程研究院有限公司,廣東廣州510230)

針對濱海環境區梁構件碳纖維加固效果的問題,結合橋梁靜載試驗驗證的理念,對橋梁上部結構碳纖維加固前后進行靜載試驗,通過比較碳纖維加固前后的位移、應力值,獲得碳纖維加固前后承載能力提高情況,同時了解碳纖維加固后,梁結構是否滿足設計要求。通過靜載試驗結果分析可知：梁構件碳纖維加固效果良好,可以推廣使用。

濱海環境；梁構件；碳纖維；加固；效果評價

0 引言

我國海岸線蜿蜒曲長,沿海地帶分布著眾多的工業民用建筑、公路橋梁和港口碼頭。濱海環境對這些建筑物的耐久性產生重要影響,氯離子和硫酸根離子的侵蝕降低了建筑構件的耐久性,使建筑構件往往達不到規定的使用年限。在港口和濱海地區的建筑物中,許多建筑直接或間接地受到海水的影響,如沿海的港口、碼頭和船塢建設中采用的鋼筋混凝土樁、梁、橋面板和防波堤等。混凝土近海平臺中的一些構筑物更是長期處于海水浸泡的特殊環境中,不可避免地要受到海水的物理和化學侵蝕,造成混凝土表層剝離或內部孔隙增大,呈蜂窩狀結構,或者因為鋼筋銹蝕形成順筋開裂、鋼筋斷裂等,使混凝土結構強度降低甚至破壞。此外,構筑物還要受到風浪的撞擊、凍融循環作用,大大加速建筑物的破壞［1］。

現階段,我國濱海地區已建成很多橋梁、碼頭等混凝土結構,能否確保濱海環境下的耐久性并延長其使用壽命,不僅關系到工程安全性和服役壽命的重大科技問題,也關系到所在地區經濟能否健康發展的重大社會問題。特別是運營多年的橋梁結構,由于荷載及復雜的腐蝕環境,使得主梁出現各種病害,如混凝土開裂、破損、變形等,這就需要對梁體結構進行有效的維修加固,甚至升級改造［2-3］。

為了避免結構進一步腐蝕,碳纖維由于其耐腐蝕性,無疑是一種較適宜的加固材料,然而對于碳纖維加固效果,業界普遍抱有懷疑態度,特別是針對海工結構,加固的構件往往在浪濺區,碳纖維與結構物之間的粘結劑在海水下凝固,從而影響碳纖維加固效果。為此,碳纖維水下粘結劑開始出現,比如中交四航工程研究院開發了水下碳纖維粘結劑,并形成了成套海工結構碳纖維加固技術,不過還需要實際工程驗證碳纖維加固效果［4-6］。

本文以浙江舟山一個高樁碼頭引橋主梁維修加固工程為背景,該碼頭的梁構件采用碳纖維加固,并應用了水下碳纖維粘結劑。為了評估碳纖維加固效果,在此,特別對碳纖維加固梁構件進行數值模擬及試驗分析,分加固前及加固后兩個工況,分別比較實驗值與理論計算值,從而評價碳纖維加固效果。從評價結果來看,碳纖維加固碼頭梁構件效果明顯。

1 加固方法

根據現場檢測情況,引橋縱梁14根(靠海側2跨)嚴重受損,另外14根(靠岸側2跨)產生銹脹大裂縫,需要對引橋縱梁進行碳纖維加固。

梁構件粘貼碳纖維加固工藝流程如下：表面處理→涂底膠→找平→涂浸漬膠→粘貼碳纖維布→涂浸漬膠→防腐處理。加固前見圖1,加固后見圖2。

圖1 碳纖維加固前

圖2 碳纖維加固后

2 荷載試驗

2.1 檢算荷載

試驗荷載選取雙后軸重車進行加載,按照《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)要求,控制截面靜載試驗效率介于0.95～1.05之間,跨中截面的試驗彎矩和荷載效率如表1所示。

表1 試驗彎矩和效率系數

2.2 試驗方法

本次試驗根據該橋的結構型式和特點,選擇引橋從岸側起的第1跨進行靜載試驗。

2.2.1 撓度測試

主要測試梁為中梁2#梁,測試在各級荷載作用下結構各主要斷面的變形,一共9個撓度測點。撓度測試隨著荷載等級分級測試,采用百分表進行測試。如圖3所示,在撓度測點位置固定錨固釘,用鋼絲繩及鐵錘懸掛,在地上錨固百分表進行測試,其中地面用換填砂處理且用鋼板固定,百分表用磁性錨固在鋼板上。

圖3 百分表現場測試圖(單位:cm)

2.2.2 應變測試

應變測點一共有16個,應變測試斷面為a2、b2、c2三個斷面,每個斷面有4個測點,分別在離底面高度0 cm、35 cm、70 cm、100 cm處,實際布置時,可以做微調,并用尺子測試出應變測試位置高度。應變測試隨著荷載等級分級測試,在測試位置貼好應變片,并涂好密封硅膠,將導線引出橋面集中測試。

2.2.3 裂縫監測

檢測在試驗荷載作用下結構裂縫的發展狀況。

2.2.4 試驗加載

靜載試驗主要測試在各級荷載作用下結構的工作性能,包括各測點撓度、跨中截面應力變化等。 通過1輛550 kN雙后軸重車加載、卸載完成跨中正彎矩工況靜載試驗,試驗步驟為：(1)引橋空載,30 min后測試空載數據；(2)車輛倒退行駛至加載位置1,15 min后測量梁的撓度及應力；(3)車輛倒退行駛至加載位置2,15 min后測量梁的撓度及應力；(4)車輛駛離橋面,15 min后測試各個主梁的撓度及應力。試驗加載順序見表2。

表2 引橋靜載試驗加載表

3 試驗結果分析

3.1 撓度變形分析

加固前主梁的校驗系數為1.05,加固后主梁的校驗系數為0.95(見表3),滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)規定的校驗系數在0.6～1.1之間的要求。卸載后,實測最大撓度變形測點的相對殘余變位為：加固前11%,加固后3%,滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)中規定的小于20%的要求,說明結構彈性恢復能力較好。

表3 滿載作用下跨中截面撓度分析表

主梁實測最大撓度變形值為：加固前1.75 mm,設計理論值為1.67 mm；加固后1.58 mm,設計理論值為1.7 mm。加固前的撓度值大于設計理論值,加固后撓度值小于設計理論值,說明加固后主梁剛度得到提高。實測最大撓度變形測點的相對殘余變位為：加固前11%,加固后3%。加固前遠遠大于加固后,說明加固后彈性變形能力得到大大改善。

3.2 應變分析

加固前主梁的校驗系數為1.04,加固后主梁的校驗系數為0.97(見表4),滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)規定校驗系數在0.6～1.1之間的要求。卸載后,可知橫梁實測最大應變測點的相對殘余應變為：加固前7%,加固后2%,滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)中規定的小于20%的要求,說明結構彈性恢復能力較好。

表4 實測應變與理論應變對比情況

主梁實測最大撓度變形值為：加固前205 με,設計理論值為198 με；加固后196 με,設計理論值為202 με。加固前的應變值大于設計理論值,加固后應變值小于設計理論值,說明加固后主梁剛度得到提高。實測最大應變測點的相對殘余變位為：加固前7%,加固后2%。加固前大于加固后,說明加固后彈性變形能力得到大大改善。

3.3 裂縫觀測結果分析

在整個試驗過程中利用手電筒、裂縫測寬儀觀測新裂縫的產生和舊裂縫寬度的變化,試驗過程中未發現新裂縫的產生和裂縫寬度發生變化。

4 結語

(1)加固前后主梁試驗撓度及應變值求出的校驗系數均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)規定校驗系數在0.6～1.1之間的要求。說明加固前后結構靜載試驗符合規范要求。

(2)加固前,主梁最大撓度及應變值稍大于設計理論值,說明結構存在安全隱患,需要進行維修加固。

(3)加固后,主梁最大撓度及應變值均小于設計理論值,說明結構滿足正常使用要求,結構維修加固效果較好。

(4)實測最大撓度變形測點的相對殘余變位為：加固前11%,加固后3%。實測最大應變測點的相對殘余變位為：加固前7%,加固后2%。撓度、應變的殘余變位均是加固前大于加固后,說明加固后彈性變形能力得到大大改善,加固效果良好。

［1］ 楊榮君,秦武,沈斌,等.高樁碼頭結構新型加固改造方案設計［J］. 水運工程,2013(10):122-127.

［2］ 丁祺. 高樁碼頭破損檢測及加固技術研究［D］.天津：天津大學，2010.

［3］ 鄭永來,楊揚.高樁碼頭加固方法分析［J］. 結構工程師,2007 (1): 86-90.

［4］ 時蓓玲,吳鋒,孫穆.高樁碼頭結構承載力檢測與評估方法［J］.中國港灣建設,2009(1):1-2.

［5］ 翁友法,時蓓玲,朱光裕.某高樁碼頭的荷載試驗和承載力評估［J］.水運工程.,2010(1):50-53.

［6］ 張芹,戴冠英. 南京煉油廠10號碼頭船舶荷載試驗分析［J］. 水運工程,1994(11):29-34.

U445.7+2

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1009-7716(2015)09-0107-03

2015-04-20

朱建方(1979-),男,山東臨沂人,工程師,從事道路橋梁工程設計工作。