外部粘貼預應力碳纖維板加固T梁橋極限承載能力研究

馮春恒(秦皇島市公路管理處，河北 秦皇島066000)

外部粘貼預應力碳纖維板加固T梁橋極限承載能力研究

馮春恒
(秦皇島市公路管理處，河北 秦皇島066000)

對承載能力不滿足要求的裝配式混凝土T梁橋采用外部粘貼預應力碳纖維板進行加固，為得到加固后的裝配式混凝土T梁橋的極限承載力，利用Midas有限元軟件建立了外部粘貼預應力碳纖維板加固混凝土T梁橋空間有限元計算模型，進行了加固后裝配式混凝土T梁橋極限承載力的全過程分析。研究結果表明：采用外部粘貼預應力碳纖維板對裝配式混凝土T梁橋進行加固，可以充分發(fā)揮碳纖維板的高強特性，減小混凝土的應力，改善混凝土T梁的受力性能，延緩裂縫的產生；提高混凝土T梁的屈服荷載、極限荷載，使混凝土T梁的承載能力得到提高；增大T梁的剛度，使T梁的撓度明顯減小，變形得到有效控制。

橋梁工程；體外預應力碳纖維板；有限元法；極限承載力

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.017

1 引言

目前,國內普通鋼筋混凝土橋梁常用的加固方法有增大截面、粘貼鋼板或碳纖維材料、體外預應力等[1]，這些方法雖然都能夠解決一些問題，但是同時存在各種不足，其中增大截面施工難度較大，費用較高；粘貼碳纖維材料[2]或鋼板由于被動受力，實際效果有限；而體外預應力存在受力狀態(tài)不一致，容易松弛、后期養(yǎng)護較為麻煩等不利因素。因此，研究新型的加固技術，最大程度地發(fā)揮材料性能，工藝上簡單可靠，將是未來普通鋼筋混凝土梁橋加固，特別是T型梁橋加固的發(fā)展方向，在我國公路橋梁加固具有巨大的需求[3]。

預應力碳纖維板為有黏結預應力，與無黏結的體外預應力鋼絞線相比，在抑制裂縫、提高結構的抗彎承載能力方面也具有更突出的性能[4]。本文利用Midas有限元軟件，對橋梁因病害造成結構耐久性及承載能力不滿足要求的橋梁，采用體外預應力碳纖維板加固的混凝土T梁橋進行極限承載力全過程數值仿真分析。

2 工程概況

大蒲河橋右橋位于沿海路（S364）K73+980km處，昌黎縣境內。該橋上部結構為19～20m預制混凝土T梁，梁高130cm，各跨由6片T梁組成，標準跨徑20m。下部結構為樁柱式墩臺，交角90°。S364省道加寬后，在其下游新建一并行的簡支板梁橋，原橋即作為整個橋的右半幅運營。橋梁右幅寬度為：行車道9m+2×0.5m的防撞護欄，橋梁全長380m，橋面鋪裝為瀝青混凝土。橋梁設計荷載為汽車-20級，掛車-100。混凝土T梁幾何尺寸如圖1所示。

圖1 混凝土T梁幾何形狀

對T梁梁底粘貼預應力碳纖維板提高其正截面抗彎承載能力。梁底粘貼寬100mm、厚1.4mm的預應力碳纖維板，長度16m。加固T梁為每孔2、3、4、5號T梁。

3 預應力碳纖維板施工

碳纖維板和粘貼碳纖維板配套樹脂應采用與碳纖維配套的底層樹脂、找平材料和浸漬樹脂，其安全性和適配性必須滿足《公路橋梁加固設計規(guī)范》（JTG/TJ22—2008）A級膠的要求，浸漬樹脂和黏結樹脂采用環(huán)氧結構膠。

3.1 方案設計、錨具制造

根據本橋工況設計加固方案，確定碳纖維板規(guī)格、張拉力、加固位置等。生產廠家根據設計方案制作碳纖維錨具，與碳纖維板配套制成成品。

3.2 現場施工準備

準備施工所需的材料及工具根據現場條件搭建施工支架或平臺。

3.3 施工工藝

加固前對梁面缺陷及裂縫進行修復處理，對千斤頂進行標定，錨固區(qū)定位，混凝土梁面按照設計圖紙進行切割挖槽，在碳纖維板經過之處涂抹找平膠進行表面找平；化學錨栓打孔、植筋；安裝固定端及張拉端錨固體系；安裝千斤頂，張拉碳纖維板；在碳纖維板上每隔3m處用螺栓安裝固定一件壓緊條。壓緊條與碳纖維板接觸面需涂抹黃油或塞一層橡皮墊，以免損傷碳板；在碳纖維板表面刷涂保護層，兩端錨頭防護處理。

3.4 施工要點

1）用丙酮或酒精將碳纖維板與梁面結合的一面清理干凈，然后采用碳纖維粘貼膠均勻地涂抹在碳纖維板上，涂抹時應中間厚兩邊薄，中間涂抹厚度≥5mm,如碳纖維板與梁間距較大，涂抹厚度應相應增加。

2）先在固定端安裝上碳纖維板，再在張拉安裝上碳纖維板。

3）在張拉端安裝千斤頂，確保千斤頂中心線與碳纖維板中心線重合，用手動油泵給千斤頂加力，為碳纖維板增加10%的應力，使其繃直預緊。然后回油灌力歸零，再次檢查整個錨固體系位置及外觀結況。記錄張拉錨具、千斤頂活塞等的初始位置。

4）檢查正常后開始張栓，按照10%，20%，30%，40%…90%，100%的應力張拉。每段張拉到位后擰緊預緊錨具。保壓2min，測量并記錄錨具、活塞等位移情況。檢查錨固體系各部分受力情況。

5）當位移超出千斤頂行程時，先用鎖緊螺母擰緊張拉杠桿，記錄此時的張拉力。再卸去千斤頂油泵壓緊回程。然后在千斤頂與張拉裝置之間墊入合適厚度的鋼段，重新用千斤頂張拉，在張拉力達到此前張拉值時繼續(xù)平穩(wěn)給力張拉至規(guī)定值。

6）當張拉力施加到100%時，擰緊鎖緊螺母，記錄數據并保壓2min。觀察無異常現象后卸力。拆除工具拉桿、千斤頂。如張拉桿過長可切除，但鎖緊螺母后至少留30mm。

4 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算

4.1 加固前荷載效應S、抗力效應R驗算

依據對既有橋梁缺損狀況、材質狀況與狀態(tài)參數評定，以及實際運營荷載狀況調查，確定如下各分項檢算系數：結構檢算系數Z1取1.0，耐久性惡化系數ξe取0.12，截面折減系數ξc取0.98，鋼筋截面折減系數ξs取1，活載影響修正系數ξq取1.2。

采用MidasCivil軟件對單跨20m全橋簡支T梁建立梁格桿系模型，如圖2所示，主要荷載作用為自重、二期恒載、預加力(新增碳纖維板預加力)、活載、豎向梯度溫度效應、支座不均勻沉降等。

圖2 有限元梁格模型

持久狀況下承載能力極限狀態(tài)需要考慮的荷載有：自重、預加力(新增碳纖維板預加力)、活載、支座不均勻沉降、豎向梯度溫度，需按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ160—2004）進行荷載效應組合。

利用MIDAS計算控制截面的最不利彎矩效應值S為2330kN·m，截面的彎矩抗力計算值R為2850kN·m。已經不能滿足規(guī)范既有橋梁承載能力評定式(1)的要求：

式中，S為荷載效應函數；R為抗力效應函數；fd為材料強度設計值；adc為構件混凝土幾何參數值；ads為構件鋼筋幾何參數值；γ0為結構重要性系數。

4.2 加固后抗力效應R驗算

對T梁進行加固采取底面粘貼預應力碳纖維板，張拉錨固梁端方式。

經軟件計算驗算控制截面不利效應彎矩值S為2330 kN·m，截面計算彎矩抗力R為3752kN·m。

γ0S=1.1×2330=2563kN·m

RZ（11-ξe）=3752×1.0×0.88=3301.8kN·m

γ0S＜RZ（11-ξe）

滿足式(1)既有橋梁承載能力評定要求。

4.3 加固前后T梁跨中變形對比

未對T梁加固前，在自重和二期恒載作用下T梁1#梁跨中最大撓度為-12.59mm，加固后撓度值為-11.43mm，加固前3#梁跨中最大撓度為-12.31mm，加固后撓度值為10.96mm。加固后撓度值均有所減小，說明采用體外預應力碳纖維板加固混凝土T梁，增大了構件的剛度，加固后T梁跨中在自重作用下變形減小，使構件變形得到有效的控制（見表1）。

5 結論

1)采用體外預應力碳纖維板加固混凝土T梁，增大了構件的剛度，加固后T梁跨中在自重作用下變形減小，使構件變形得到有效的控制。

表1 加固前后各T梁在自重和二期恒載作用下撓度值對比

2)由加固后橋梁結構的內力分布得到明顯改善，橋梁承載能力得到顯著提高，滿足承載力及變形要求，達到加固設計目標。

3)對碳纖維板加固混凝土T梁橋的極限承載力進行全過程數值仿真，分析得出采用碳纖維板加固后的橋梁，鋼筋及混凝土應力相應減小，改善構件的受力性能，充分發(fā)揮了碳纖維板高強的特性，使T梁的極限荷載及承載能力得到提高。

【1】蒙云，盧波.橋梁加固與改造[M].北京：人民交通出版社，2004.

【2】韋成龍，朱偉清.碳纖維布加固橋梁結構的應用與研究現狀及展望[J].湖南交通科技，2008，34(3)：86-89．

【3】于清.FRP的特點及其在土木工程中的應用[J].哈爾濱建筑大學學報，2000，33(6)：26-30．

【4】葉列平，莊江波，曾攀.預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土T形梁的試驗研究[J].工業(yè)建筑，2005，35(8)：7-12．

AnalysisofUltimateBearingCapacityforTGirderBridgeStrengthenedby ExternalBondedPrestressedCarbonFiberBoard

FENGChun-heng
(Qinhuangdaoroadadministration,Qinhuangdao066000，China)

The prefabricated concrete T girder bridge which cannot meet the requirements of the load bearing capacity wasreinforced by external bonded Prestressed carbon fiber board, In order to evaluate the ultimate bearing capacity of the strengthened Tgirder bridge，the finite elementmodel of concreteT girder bridge strengthened by external bonded Prestressed carbon fiber boardwasestablished with theMidas finite element software，and analysis of the ultimate bearing capacity for the bridge was performed．Thenumerical result shows that：The stresses of steel stand and concrete can be reduced，the mechanical properties of T girder can beimproved，and the emergence of cracks can be delayed by the presented strengthening method because of full play of the T girdercharacteristics of external bonded Prestressed carbon fiber board；the increased yield and ultimate loads lead to improving the bearingcapacity of the concrete T girder；due to the increase of the stiffness of T girder，the vertical deflection can be dramatically decreasedand the deformationCanbe effectivelysuppressed．

bridge engineering；external bondedprestressed carbonfiberboard；finite elementmethod；ultimatebearingcapacity

U448.21+2

A

1007-9467（2016）12-0075-03

2016-03-29

馮春恒（1970～），男，山東濰坊人，高級工程師，從事橋梁建設、運營及維修加固技術研究。