預應力混雜C/G布加固板梁橋的受力性能研究*

蘇 林，方太云，張 劍，陳雄飛，汪 鋒，艾 軍

(1.江蘇揚子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.江蘇省交通運輸廳工程質量監(jiān)督局，江蘇 南京 210001；3.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

?

預應力混雜C/G布加固板梁橋的受力性能研究*

蘇 林1，方太云2，張 劍3，陳雄飛1，汪 鋒1，艾 軍3

(1.江蘇揚子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.江蘇省交通運輸廳工程質量監(jiān)督局，江蘇 南京 210001；3.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

對空心板采用預應力C/G布加固，計算結果表明，通過閉合裂縫，提高了梁的有效剛度，恢復或部分恢復了梁的剛度，保證了橋梁的正常使用功能。板梁底張拉C/G布為鋼筋卸載，延長了橋梁的疲勞壽命。在荷載作用下，纖維布上產(chǎn)生了彈性應變，且應變隨著荷載的增加而增大，表明纖維布參與板受力而發(fā)揮了作用。纖維布與混凝土能夠協(xié)同工作，預應力纖維布主動加固效果較為顯著。預應力C/G布為板梁橋提供了一種新的加固方法，可供工程加固設計參考。

預應力混雜C/G纖維布；板梁橋；受力性能；有限元

在目前的纖維布加固工程中，大部分采用的是碳纖維材料，但其價格較高，且延性較差；因此，近年來，許多研究工作者開始關注混雜纖維的加固性能，并開展了許多有關的實驗研究及理論分析[1-5]。熊光晶等[6]首次提出了混合采用玻璃纖維布和碳纖維布對鋼筋混凝土梁進行加固的思路，并開展了對比試驗研究。結果表明，相對碳纖維布加固方法，采用混雜纖維復合材料加固法，既能在保證承載力的前提下顯著提高構件的延性，又能顯著降低加固成本，僅剛度略有下降。喻林等[7]提出了用混雜纖維(由碳纖維和玻璃纖維組成)布加固混凝土結構的方法，使用C/G布來提高鋼筋混凝土梁受彎承載力的補強加固方法是有效的，加固材料的混雜比例及混雜方式均對鋼筋混凝土梁受彎承載力有一定的影響，層內混雜纖維的抗彎性能、延伸性能以及經(jīng)濟性均優(yōu)于單一纖維和層間混雜纖維。周明芳[8]試驗研究了碳-玻璃層間C/G布加固混凝土梁的抗彎性能，并與單一碳纖維及單一玻璃纖維進行了比較。謝志紅等[9]通過9根鋼筋混凝土梁的抗彎試驗，分析了碳-芳綸層間C/G布對RC梁的抗彎剛度、初裂荷載以及極限荷載的影響，建立了加固梁數(shù)值計算的有限元模型。王冬英[10]通過建立C/G布加固RC梁的有限元模型，對預應力HFRP加固RC梁跨中撓度進行了參數(shù)化分析。

預應力混雜FRP加固鋼筋混凝土構件已成為重要的研究課題，本文對預應力C/G布加固空心板的受力性能展開研究。

1 工程背景

某混凝土空心板梁橋(見圖1)位于204國道灌南段沂河大堤南側，橋梁中心樁號K538+994，老橋建于1998年，2004年對該橋上部結構進行了改造，利用老橋下部結構，跨徑組合為：6+4×8+6=44 (m)，設計寬度為：0.5+12.5+0.5=13.5 (m)。橋梁設計荷載為汽-20，掛100。上部結構中主梁采用空心板梁結構，下部結構采用樁柱式墩臺，鉆孔灌注樁基礎。

圖1 某混凝土板梁橋橫斷面布置簡圖(單位：cm)

采用預應力單層C/G混雜纖維布對結構進行加固，以提高構件疲勞承載力并恢復其剛度。每塊空心板下安裝4道150 mm寬的單層C/G布，板底噴涂保護層。與普通碳纖維加固相比，采用該方法節(jié)約20%成本，且加固效果明顯提高。

2 加固空心板的受力分析

該橋跨徑6 m，跨徑較小，控制截面取為跨中及支點2個截面，重點考察跨中截面。空心板數(shù)量共計10塊。本文采用模擬加載的方法進行分析，以說明預應力C/G布加固效果。

加固后試驗采用2輛標準30 t汽車進行模擬加載。車輛加載方式如圖2所示，縱向中軸位于跨中截面上；橫向2輛車車輪中心距1.3 m，對稱于橋面中心線布置。

圖2 跨中截面對稱加載布置圖

空心板梁選用solid45單元(見圖3)，纖維布模型采用shell63單元(見圖4)，材料屬性由設計參數(shù)給定。

圖3 空心板梁網(wǎng)格模型

圖4 纖維布網(wǎng)格模型

加載計算結果云圖如圖5所示。根據(jù)病害調查，加固前板梁間橫向聯(lián)系薄弱，按鉸接空心板計算。加固前、后的荷載橫向分布系數(shù)對比如圖6所示。

圖5 預應力C/G布加固空心板撓度云圖

圖6 各片板加固前、后的荷載橫向分布系數(shù)

由圖6分析可知，加固后各片梁的荷載橫向分布趨于均勻，表明整體加固后各片梁的橫向性能發(fā)揮良好，且裂縫閉合后梁的剛度恢復。

3 加固后性能分析

1)對現(xiàn)有的裂縫進行修補封閉，將開裂的混凝土進行粘合，避免了含鹽水汽對混凝土內鋼筋的銹蝕，保證了結構的長期工作性能。

2)部分構件的變形得到了恢復，在構件變形恢復的過程中，可對早期封閉的裂縫形成擠壓效應，促進膠體與混凝土的結合性能，提高了裂縫封閉的質量。

3)通過閉合裂縫，提高了梁的有效剛度，恢復或部分恢復了梁的剛度，保證了橋梁的正常使用功能。

4)板梁底張拉C/G纖維布為鋼筋卸載，延長了橋梁的疲勞壽命。

5)在荷載作用下，纖維布上產(chǎn)生了彈性應變，且應變隨著荷載的增加而增大，表明纖維布參與板受力而發(fā)揮了作用。纖維布與混凝土能夠協(xié)同工作，預應力纖維布主動加固效果較為顯著。

4 結語

預應力混雜FRP加固鋼筋混凝土構件已成為熱點研究問題，本文對預應力C/G布加固空心板的受力性能展開了研究。加固后各片梁的荷載橫向分布均勻，表明整體加固后各片梁的橫向性能良好，且裂縫閉合后梁的剛度恢復。板梁底張拉C/G布為鋼筋卸載，延長了橋梁的疲勞壽命。纖維布與混凝土能夠協(xié)同工作，預應力纖維布主動加固效果較為顯著。

[1] 蔡晨寧, 歐世坤, 楊杰, 等. 在役橋梁預應力混雜纖維布加固后靜載試驗研究[J]. 新技術新工藝, 2015(5):96-100.

[2] 韋全余, 歐世坤, 朱金華, 等.預應力混雜CFRP/GFRP纖維布加固橋梁結構的工程應用與評估[J]. 新技術新工藝, 2014(9): 46-51.

[3] Ehsani M R, Saadatmanesh H. Fiber composite plate for strengthening bridge beams [J]. International Journal of Composite Structures, 1990, 15(4):343-355.

[4] 張劍, 艾軍, 胡明敏, 等. 預應力CFRP/GFRP混雜纖維布加固混凝土梁的預應力損失試驗研究[J]. 新技術新工藝, 2013(2):77-79.

[5] 王煒, 黃協(xié)清, 陳天寧, 等. 內蘊時間理論用于NOPD結構響應計算的研究[J]. 力學學報, 2003, 35(2):246-252.

[6] 楊建中, 熊光晶, 嚴州, 等. 高強玻璃纖維/碳纖維混雜復合材料加固混凝土梁的抗彎試驗研究[J]. 土木工程學報, 2004, 37(7):18-22.

[7] 喻林, 蔣林華, 儲洪強. C/G布加固鋼筋混凝土梁抗彎性能研究[J]. 建筑材料學報, 2006, 9(3):274-278.

[8] 周明芳. 碳/玻璃纖維混雜布加固混凝土梁抗彎性能試驗研究[J]. 河南科學, 2008, 26(10):1235-1238.

[9] 謝志紅, 鄧軍, 莫曉東. 碳/芳綸C/G布加固混凝土梁抗彎試驗研究[J]. 中外公路, 2008, 28(1):57-60.

[10] 王冬英. 預應力HFRP混雜加固RC梁跨中撓度分析[J]. 低溫建筑技術, 2009(3):30-32.

* 江蘇揚子大橋股份有限公司資助項目(GCJS2014-37) 江蘇省自然科學基金資助項目(BK20130787)

責任編輯 鄭練

Mechanical Behavior of the Slab Bridge Reinforced with Prestressed C/G Sheets

SU Lin1, FANG Taiyun2, ZHANG Jian3, CHEN Xiongfei1, WANG Feng1, AI Jun3

(1.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd., Nanjing 214521, China; 2.Quality Supervision Bureau of Transportation Department of Jiangsu Province, Nanjing 210001, China; 3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

While the prestressed C/G sheet is used to reinforce the hollow slab, the calculation results have been studied. Through restoring the closed fracture stiffness of the member, the effective stiffness of the beam can be improved, the stiffness of the beam is restored or partially restored, and the normal using function of the bridge can be improved. The C/G sheet of the bottom of the plate beam is loaded with the steel bar to prolong the fatigue life of the bridge. Under the load action, the elastic strain is produced on the fiber sheet. With the increase of the load, the strain increases which indicates that the fiber sheet plays a role in the stress of the plate. Fiber sheet and concrete can work together. The prestress effect of the fiber sheet is obviously achieved. The prestressed C/G sheet is a new method to reinforce the slab bridge, which can be used for engineering reinforcement design.

prestressed hybrid C/G fiber, slab bridge, mechanical behavior, finite element

U 441

A

蘇林(1970-)，男，高級工程師，主要從事土木工程等方面的研究。

2016-07-07