預應力碳纖維板加固混凝土T梁橋效果評價

王 渠

(1.福州大學土木工程學院 福建福州 350116； 2.工程結構福建省高校重點實驗室 福建福州 350116)

預應力碳纖維板加固混凝土T梁橋效果評價

王 渠1,2

(1.福州大學土木工程學院 福建福州 350116； 2.工程結構福建省高校重點實驗室 福建福州 350116)

文章介紹了一座20m鋼筋混凝土T梁橋預應力碳纖維板加固方法，并通過荷載試驗、承載能力驗算與技術狀況對加固效果進行評定。荷載試驗結果表明：同一試驗荷載作用下，采用預應力碳纖維板加固后的T梁跨中截面應變減小約24%，撓度減小約7%，加固后各片梁受力更加均勻，橋梁的橫向聯系增大。加固前、后主梁的固有振型不變，一、二階實測頻率分別較加固前增加了2.54%和20.68%。承載能力驗算表明：采用預應力碳纖維板加固后主梁抗彎承載能力提高了17%。技術狀況評定表明：加固后橋梁總體技術狀況評估等級由4類橋變為2類橋。研究表明，預應力碳纖維板加固法可以增加主梁的抗彎剛度和承載能力，是一種合理有效的橋梁加固方案。

T梁橋；預應力碳纖維板；加固；效果評價

0 引言

目前，我國路橋建設事業快速發展，截止到2015年年底，全國公路橋梁達到77萬多座，其中需要進行維修加固的橋梁超過12萬座[1]，橋梁維修加固任務繁重。隨著材料科學技術的不斷發展，碳纖維材料加固在橋梁加固行業也得到快速發展和應用，其具有質量輕，抗拉強度高，耐腐蝕性好，施工操作方便，加固效率高等優點[2]。但是，鋼筋屈服時碳纖維材料所受到的拉力還未達到自身極限抗拉強度的15%[3]。因此，預應力碳纖維板開始應用于橋梁加固，它同時具有體外預應力和碳纖維材料的優點，不僅能夠修復結構的變形和閉合裂縫，而且可大大提高碳纖維材料的利用率，大幅提升加固構件的極限承載力[4-7]。

對于預應力碳纖維板的加固效果研究，Garden與Hollaway[8-9]通過試驗對比了加固中是否采用預應力的影響。試驗結果表明：施加預應力發生碳纖維板的拉斷破壞，反之發生碳纖維板剝離破壞。施加預應力不僅可以增大混凝土受壓區的高度，而且還提高了構件剛度和碳纖維板的利用率，最終也提高了構件的抗彎承載力。徐福全[10]進行了預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的試驗研究。結果表明，體外碳纖維板加固明顯提高了梁的剛度。碳纖維板加固只能有效地延緩裂縫的發展。預應力碳纖維板加固則可以明顯提高梁的承載能力，且梁的抗彎承載力隨著預應力的增加而提高。肖驍[3]、趙玉霞[11]通過實際工程驗證了預應力碳纖維板加固既有橋梁的有效性。

本文介紹了一座實際橋梁工程的預應力碳纖維板加固方案。并通過對比分析加固前、后抗彎承載力、橋梁技術狀況，及同一試驗荷載時橋梁的應變、撓度和自振頻率的變化情況，驗證預應力碳纖維板加固方案的合理性和有效性。

1 工程概況

1.1 背景工程概況

背景橋梁工程為20m+3×20m+4×20m+4×20m+2×20m+20m鋼筋混凝土先簡支后橋面板連續T梁橋，橋面寬9.0m，其斷面形式為凈-7.0m(行車道)+2×1.0m(人行道)，由4片T梁組成，梁高1.5m。設計荷載為汽-20級、掛-100，1998年1月建成投入使用。一跨標準圖如圖1所示。

(a)立面圖

(b)跨中截面圖1 一跨標準圖(單位：cm)

1.2 預應力碳纖維板加固方法

為了提高主梁結構安全儲備，采用封閉T梁腹板裂縫后，在T梁腹板底和側面采用預應力碳纖維板進行抗彎加固，在梁端采用粘貼鋼板進行抗剪加固，如圖2所示。采用SST Laminates CFK LA200碳纖維板，寬100 mm，厚1.4 mm，碳纖維板主要性能如表1所示。

表1 LA200碳纖維板主要性能

(a)1/2立面圖

(b)1/2平面圖

(c)A-A斷面 (d)B-B斷面圖2 主梁預應力碳纖維板加固設計方案(單位：cm)

2 實橋荷載試驗

為提高橋梁的強度和承載力，管養部門于2009年對該橋主梁采取了三面粘鋼的方法進行加固。但是，該橋15#孔于2012年1月被橋下堆積雜物起火焚燒，致使主梁粘貼的鋼板變形脫落。為驗證粘鋼能否起到加固效果，2013年1月對該橋15#孔進行了荷載試驗。

為確保橋梁運營安全，管養部門又于2013年3月采用預應力碳纖維板的方法對15#孔主梁進行加固，對支座附近主梁截面采用鋼板進行加固，并對橋面鋪裝裂縫進行了修復。為對加固效果進行評價，為橋梁管養部門提供了橋梁的基礎技術狀況資料，2013年10月再次進行了荷載試驗。

按照等代荷載的方式進行加載。加載汽車采用2輛重量約320kN的三軸雙后軸汽車。靜載試驗各個工況最終的加載效率如表2所示，試驗效率系數在0.95～0.96，滿足規范的0.95～1.05的要求[12]。

對跨中和L/4截面進行應變和撓度測試。在每片T梁梁肋底緣布置1個測點，全橋共布置應變和撓度測點各8個，應變、撓度測點布置如圖3所示。

表2 主梁靜載測試工況及測試內容

圖3 跨中截面應變和撓度測點布置示意圖

3 預應力碳纖維板加固T梁橋效果評價

3.1 加固前后主梁應變對比

圖4列出試驗荷載作用下截面應變的實測值和理論計算值，負值表示壓應變，正值表示拉應變。工況1荷載作用下跨中和L/4截面的最大應變分別為1.62×10-4和1.58×10-4，卸載后最大殘余應變分別為3×10-6和8×10-6。工況2荷載作用下跨中和L/4截面最大應變分別為1.59×10-4和1.34×10-4，卸載后最大殘余應變分別為2.1×10-5和1.1×10-5。對比可得：應變實測值L/4截面變化規律與理論計算值變化規律基本一致，但跨中截面與理論計算值變化規律不一致，控制截面應變校驗系數最大值為1.10，卸載后控制截面測點的最大相對殘余應變為21.05%，不符合《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)(以下簡稱《規程》)[13]規定的要求。說明跨中截面存在大量裂縫，導致荷載作用下主梁的應變分布不均勻。

圖5列出試驗荷載作用下截面應變的實測值和理論計算值。工況1荷載作用下跨中和L/4截面的最大應變分別為1.28×10-4和7.4×10-3，卸載后最大殘余應變分別為1.8×10-5和1.3×10-5。工況2荷載作用下跨中和L/4截面最大應變分別為1.31×10-4和7.6×10-3，卸載后最大殘余應變分別為1.4×10-5和8×10-6。對比可得：荷載作用下控制截面應變實測值變化規律與理論計算值變化規律基本一致，卸載后各截面應變基本可恢復。控制截面測點的應變校驗系數最大值為0.75，最大相對殘余應變為18.60%，符合《規程》規定的要求。

(a)跨中截面

(b)L/4截面圖4 加固前應變實測值與理論值的比較

(a)跨中截面

(b)L/4截面圖5 加固后應變實測值與理論值的比較

對比圖4和圖5，加固后工況1和工況2跨中截面最大應變分別減小0.34×10-4和0.28×10-4。同一試驗荷載作用下，加固后主梁梁底應變較加固前減小約24%。采用預應力碳纖維板加固后的主梁抗彎剛度增加，減小了加固后的主梁梁底的應力和應變。同時，加固后同一截面不同測點的應變實測值更加均勻，各片梁受力均勻，橋梁的橫向聯系增大。

3.2 加固前后主梁撓度對比

圖6列出了試驗荷載作用下撓度測點的實測值與理論值，撓度以向下為正、向上為負。工況1荷載作用下跨中和L/4截面的最大撓度分別為6.48mm和4.16mm，卸載后最大殘余變形分別為1.38mm和0.64mm。工況2荷載作用下跨中和L/4截面最大撓度分別為5.93mm和4.26mm，卸載后最大殘余變形分別為0.71mm和0.13mm。對比可得：主梁撓度變化規律與理論計算基本一致，控制測點撓度校驗系數的最大值為0.98，符合《規程》的要求。但是，部分撓度測點實測撓度大于理論值，卸載后控制測點的最大相對殘余變形為31.65%，不符合《規程》的要求。說明該測點實際剛度較小，橋梁主梁之間的橫向聯系較弱，結構有大量裂縫存在，導致主梁已進入彈塑性階段。

圖7列出了試驗荷載作用下各撓度測點的實測值與理論值。工況1荷載作用下跨中和L/4截面的最大撓度分別為6.07mm和3.63mm，卸載后最大殘余變形分別為0.11mm和0.07mm。工況2荷載作用下跨中和L/4截面最大撓度分別為5.44mm和3.64mm，卸載后最大殘余變形分別為0.12mm和0.05mm。對比可得：主梁撓度規律與理論計算基本一致，卸載后變形基本可恢復。控制截面測點撓度校驗系數的最大值為1.00，最大相對殘余變形為2.73%，符合《規程》規定的要求。

(a)跨中截面

(b)L/4截面圖6 加固前撓度實測值與理論值的比較

(a)跨中截面

(b)L/4截面圖7 加固后撓度實測值與理論值的比較

對比圖6和圖7，加固后工況1和工況2控制截面最大撓度分別減小0.41mm和0.39mm。同一試驗荷載作用下，加固后主梁撓度較加固前減小約7%。采用預應力碳纖維板加固后的主梁抗彎剛度增加，在荷載作用下撓度減小。同時，采用預應力碳纖維板加固后的橋梁整體受力能力增強，未出現個別測點撓度過大的情況。

3.3 加固前后主梁模態對比

根據固有振動測試分析得到加固前、后的面內模態頻率如表3所示。可以得到：加固前、后橋梁固有振動振型一致。加固后固有振動頻率較加固前提高，加固后一階(面內對稱)實測頻率較加固前增加了2.54%，二階(面內反對稱)頻率增加了20.68%，說明加固后橋梁整體動剛度增大。這與靜載試驗撓度減小的結果是一致的。

表3 加固前、后固有振動頻率和振型比較

3.4 加固前后抗彎承載力對比

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTJ 023-85)[14]4.1.2條的規定，當結構重力產生的效應與汽車(或掛車或履帶車)荷載產生的效應同號時，抗彎承載力按式(1)計算：

(1)

各單項荷載以及荷載組合下的跨中截面彎矩如表4所示。加固前跨中截面的抗彎承載力為2276kN·m，小于荷載效應2650kN·m，說明原構件跨中截面抗彎承載力不滿足設計要求，需要進行加固。采用預應力碳纖維板加固后跨中截面的抗彎承載力為2663kN·m，略大于荷載效應2650kN·m，說明采用碳纖維板加固后的跨中截面的抗彎承載力滿足要求，且主梁承載能力提高17%。

表4 單項荷載以及荷載組合下跨中截面彎矩 (單位：kN·m)

3.5 加固前后橋梁技術狀況對比

按照公路橋梁技術狀況評定標準(JTG /T H21-2011)[15]對加固前、后該橋的技術狀況進行評價。橋梁總體技術狀況評分Dr根據上部結構、下部結構和橋面系的技術狀況評分按式(2)計算：

Dr=DCI×WD+SPCI×WSP+SBCI×WSB

(2)

式中，WD、WSP、WSB——橋面系、上部結構和下部結構的權重。

加固前該橋上部結構、下部結構和橋面系的技術狀況評分分別是29.64分、48.45分、74.62分，總分46.16分，在加固改造中，清理疏通橋面系排水裝置，更換損壞部分，清除伸縮裝置內的積土、垃圾等雜物。上下部結構鑿除破損混凝土，鋼筋除銹后，進行混凝土缺陷處理；對小于0.15 mm的裂縫采用裂縫修補膠表面封閉，對于大于0.15 mm的裂縫采用壓力灌注法進行封閉，主梁裂縫封閉后，粘貼預應力碳纖維板。墩臺結構缺陷面積大于0.1m2，需再貼三層300g/m2碳纖維布。加固后該橋上部結構、下部結構和橋面系的技術狀況評分分別是73.50分、100.00分、75.25分，總分84.45分。技術狀況由加固前的4類橋變為2類橋，由“需進行中修或大修工程”變為“有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響”，加固效果明顯。

4 結論

(1)靜載應變測試結果表明，同一試驗荷載作用下，采用預應力碳纖維加固后的主梁梁底應變較加固前減小約24%，主梁撓度較加固前減小約7%。加固后各片梁受力更加均勻，橋梁的橫向聯系增大。利用預應力碳纖維板加固T梁橋，可以有效地提高主梁的抗彎剛度和承載能力。

(2)固有振動測試結果表明，采用預應力碳纖維板加固前、后主梁的固有振型一致，面內一階振型的頻率較加固前增加約2.54%，面內一階反對稱振型的頻率較加固前增加約20.68%。

(3)采用預應力碳纖維板加固后T梁跨中截面的抗彎承載力滿足要求，主梁承載能力提高約17%。

(4)采用預應力碳纖維板加固后該橋技術狀況由4類橋變為2類橋，由“需進行中修或大修工程”變為“有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響”。

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EffectevaluationonconcreteT-beambridgereinforcedbyprestressedCFRPplate

WANGQu1,2

(1.College of Civil Eng.,Fuzhou University,Fuzhou 350116;2.Key Laboratory of Civil Eng.,Fujian Province University,Fuzhou 350116)

The reinforcement method of a 20 m concrete T-beam bridge reinforced by prestressed Carbon Fiber Reinforced Plastics(CFRP) plate is introduced.The reinforcement effect is evaluated by load test,bearing capacity checking and technical grade evaluation.Load test results show that the mid-span section strain of T-beam reinforced by prestressed CFRP plate decreases by about 24%,the mid-span section deflection of that decreases by about 7% under the same load.After reinforcement,the force of each plate is more uniform,and the transverse connection of the bridge increases.Natural vibration mode of T-beam was unchanged after reinforcement,and the measured frequency of 1st-order frequency and 2nd-order frequency increased by 2.54% and 20.68%,respectively.Bearing capacity checking results show that the bearing capacity of T-beam reinforced by prestressed CFRP plate improved by 17%.Technical grade evaluation results show that the technical grade of the bridge is changed from 4th-bridge to 2nd-bridge.The research shows that the flexural rigidity and bearing capacity can be increased by the method of prestressed CFRP plate effectively,which is a reasonable and effective bridge reinforcement scheme.

T-beam bridge; Prestressed CFRP; Reinforcement; Effect evaluation

福建省交通運輸科技項目(編號：201342)，福州大學科研啟動基金(編號：GXRC-17041)。

王渠(1989- )，男，實驗師。

E-mail:wangqu1989@163.com

2017-09-15

U445.7+2

A

1004-6135(2017)12-0069-05