碳纖維加固對鋼筋混凝土梁結構效應影響分析

程宇鵬

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

目前，隨著時間的推移，我國的許多橋梁均已產生了不同程度的老化，甚至有些橋梁逐漸接近或超過設計的使用年限。而且隨著使用荷載和設計標準的不斷提高，有許多過去的橋梁已經不能夠滿足現行荷載的要求，需要對現有橋梁通過加固來提高其荷載等級及安全系數。現在對橋梁的加固方法有多種，如體外預應力、粘貼鋼板、粘貼碳纖維復合材料或增大截面等方法[1-2]。粘貼碳纖維是一種施工比較簡單，而且加固效果較好的加固方法，而且碳纖維材料具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐久性。本文是針對某市現有的現澆連續梁橋，對其用碳纖維加固前后分別進行了荷載試驗檢測，研究加固后對該橋各項控制指標的影響。

1 工程概況

本項目為某市城區為緩解交通壓力而修建的高架橋。本文針對該橋第二聯進行分析，其上部結構為變截面預應力混凝土連續箱梁，跨徑組成為（40+56+40）m，橋面總寬為23.5 m，其橋面布置為：0.5 m防撞護欄+11.0 m機動車道+0.5 m中央分隔帶+11.0 m機動車道+0.5 m防撞護欄。橋面鋪裝采用8 cm厚鋼筋混凝土墊層+10 cm厚瀝青混凝土面層。橋墩采用帶橫梁雙立柱橋墩，基礎均為承臺配樁基，橋臺采用樁接蓋梁形式。設計荷載為城-A級，抗震設防烈度為8度。由于施工等原因造成該橋的承載能力存在不足，補強方案采用粘貼碳纖維的方法。

圖1 主梁斷面圖（單位：cm）

2 有限元模型的建立

根據主橋活載效應包絡圖及橋梁實際情況確定橋梁的試驗控制斷面。本次試驗選擇了1個正應變測試斷面，具體的試驗斷面布置見圖2。靜載試驗計算采用平面桿件有限元法，根據橋梁的結構型式，采用橋梁計算通用程序Midas Civil對橋梁進行結構分析及加載計算，計算模型見圖3。橋梁計算采用的材料參數均根據公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范確定[3-5]。

圖2 試驗主要控制斷面布置圖（單位：cm）

圖3 有限元計算模型

3 計算分析

靜載試驗采用模擬等代荷載進行加載設計計算和加載，加固前后試驗荷載采用同一標準，試驗共選用8輛雙后軸車輛作為靜載試驗加載車輛。試驗控制采用逐級加載方式，根據加載位置的不同，所有的程序采用3級加載的方式進行。各測試斷面內力影響線及加載位置見圖4，經模擬計算，試驗最終選取加載程序及試驗荷載效率見表1，試驗荷載所產生的力學效應基本上能夠滿足對橋梁力學性能檢驗和分析的要求。

表1 荷載試驗荷載效率及相應測試項目表

圖4 1號斷面彎矩影響線

圖5 第五跨截面最大正彎矩加載圖（偏載）（單位：cm）

4 數據分析

4.1 碳纖維加固對主梁應變影響分析

對主梁進行加固前后，檢測所得應變值與理論計算的應變值比較見表2、表3。

表2 加固前主要控制斷面混凝土正應變校驗系數表

表3 加固后主要控制斷面混凝土正應變校驗系數表

圖6 加固前后主要控制斷面應變對比圖

由表2、表3可以看出，加固前正應變的校驗系數主要集中在1.04～1.11范圍內；加固后正應變的校驗系數主要集中在0.80～0.88范圍內，表明試驗跨主梁經過碳纖維加固后混凝土應變值明顯減小20%左右。

4.2 碳纖維加固對主梁撓度影響分析

對主梁進行加固前后，檢測所得撓度值與理論計算的撓度值比較見表4、表5。

表4 加固前主要控制斷面撓度校驗系數表

表5 加固后主要控制斷面撓度校驗系數表

圖7 加固前后主要控制斷面撓度對比圖

由表4、表5可以看出，加固前撓度的校驗系數主要集中在0.89～0.93范圍內；加固后正應變的校驗系數主要集中在0.83～0.89范圍內，表明試驗跨主梁經過碳纖維加固后撓度值減小5%左右。

5 分析與結論

通過對該橋進行計算分析，并且用碳纖維對該橋進行加固，對其加固前后兩次荷載試驗的結果進行對比可得出如下結論：

a）加固后荷載試驗檢測控制斷面的混凝土應變值可減小20%左右。

b）加固后荷載試驗檢測控制斷面的撓度值可減小5%左右。

綜上，采用碳纖維加固技術對橋梁進行加固，可有效提高橋梁的抗彎強度，并對抑制橋梁裂縫的開展有明顯的作用。對橋梁的抗彎剛度也有一定提高，且該方法施工簡單，工藝成熟，因此亦是一種有效可行的橋梁加固方法。