預應力碳纖維加固技術在某大橋中的應用

周杰峰

(濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司 250101)

引言

近年來,隨著國民經濟的快速發展,我國的交通事業無論是建設規模還是建設標準都有了一個大跨度、超常規的發展。橋梁作為交通道路的一部分,橋梁荷載呈現以下特點: (1)交通量不斷增大; (2)重型車輛和超載現象嚴重; (3)超限運輸增加。由于橋梁的承載能力有限,許多橋梁都不堪重負出現了裂紋、沉陷等各種破壞。橋梁是確保道路暢通的咽喉,舊橋的檢測和加固迫在眉睫。

舊橋加固技術是一門新的課題。目前,關于混凝土橋梁加固方法主要有: (1)結構性加固,如采用體外預應力、在結構的受拉區粘貼鋼板或增設鋼結構支撐; (2)非結構性加固,如對裂縫進行封閉或壓漿處理; (3)最近幾年流行的預應力碳纖維復合材料(CFRP)加固技術,使加固技術發生了根本的變化。預應力碳纖維加固橋梁技術,是將體外預應力的主動加固技術優點與碳纖維復合材料高強度、高性能結合在一起,利用碳纖維板作為預應力筋材,通過特殊的張拉、錨固裝置,對碳纖維板施加預應力并錨固于加固橋梁上部結構構件上,與橋梁受彎受拉構件通過環氧結構膠粘結以承載拉應力; 降低結構撓度,減小結構變形,提高結構剛度。

相比于傳統加固方法,預應力碳纖維加固技術具有以下優勢: (1)未增加構件截面及自重,耐疲勞、耐久性好,施工便捷(不中斷交通)。(2)無大量鉆孔破壞結構之憂患,無焊接質量及安全之隱患,無濕作業環境污染。本文結合臨沂市北京東路程子河大橋加固工程,詳細說明了采用預應力碳纖維板的加固設計方案,并借助有限元軟件對加固前后的受力情況進行了對比分析,以期為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

現狀橋為12 跨20m 簡支板橋,正橋,橋梁總寬24.5m,橋面布置為50cm 防撞護欄+23.5m車行道+50cm 防撞護欄。現狀橋橫斷面分三部分,中間部分為2000 年修建,設計標準為公路-Ⅱ級荷載; 兩側部分加寬橋梁均為2008 年修建,標準為公路-Ⅰ級; 橋梁加寬時,利用了中間老橋邊梁,移至加寬橋梁外側; 現狀橋上部主梁分布情況如圖1 所示。

現狀橋上部結構為鋼筋混凝土T 型主梁,橋面鋪裝為12cm 鋼筋混凝土現澆層,每4 跨為1聯設1 道伸縮縫,每聯2 跨之間設置橋面連續;下部結構采用樁柱接蓋梁式橋墩,埋置式肋板接蓋梁式橋臺,鉆孔灌注樁基礎; 東西兩側橋臺位置設置錐坡,現狀橋上、下結構分別如圖2所示。

圖1 主梁分布情況Fig.1 Distribution of main beams

圖2 現狀橋上、下部構造Fig.2 Upper and lower current bridge construction

2 原橋檢測結果

在多年運營過程中,由于外界自然條件及過往車輛荷載的影響,本橋的主梁、橫隔板等主要構件均發生不同程度破損(圖3)。

圖3 主梁破損Fig.3 Main beam failure

根據本橋原橋檢測報告,主要有如下幾種情況:

(1)現狀橋按公路-Ⅱ級設計部分,邊梁不滿足公路-Ⅱ級承載力要求,建議換板或進行承載力提升。中間主梁剛剛滿足承載力要求,個別梁撓度偏大。主梁應進行加固,提升結構剛度和承載力。

(2)現狀橋按公路-Ⅰ級設計部分主梁滿足設計要求。

(3)主梁橫向聯系偏弱,橫隔板破損嚴重;外觀破損、露筋等。

3 主梁加固方案

現狀主梁為鋼筋混凝土結構,上翼緣總寬150cm、高135cm、腹板寬18cm,單跨主梁長度1996cm,構造尺寸如圖7 所示。

圖7 現狀主梁一般構造Fig.7 General construction of main girder

根據原橋檢測結果,需對中間部分橋梁主梁結構進行補強,以提升構件剛度及截面承載能力。結合以往工程案例,考慮采用加固效果更明顯的預應力碳纖維板進行加固。由于現狀T 梁腹板尺寸僅為18cm,根據碳纖維板的工作空間要求,梁底最多布置3 條20mm 寬、3.0mm 厚的碳纖維板,圖8 為梁底碳纖維板張拉示意。

圖8 梁底碳纖維板張拉示意Fig.8 Tension diagram of carbon fiber plate at the bottom of the beam

碳纖維板極限拉伸強度為2400MPa,極限承載力為144kN,安裝自由長度取17.5m,采用單端張拉,張拉時按張拉應力、伸長量雙向控制,張拉控制應力為200MPa ～1500MPa,控制應變為6%。表1 為碳纖維板力學性能,表2 為碳纖維板尺寸偏差。

表1 碳纖維板力學性能Tab.1 Mechanical properties of carbon fiber plates

表2 碳纖維板尺寸偏差Tab.2 Deviation of carbon fiber sheet size

4 加固效果驗證

4.1 規范驗算內容

根據《混凝土結構加固設計規范》(GB50367-2013)11.2.6 要求,采用預應力碳纖維復合板加固的鋼筋混凝土受彎構件,應進行正常使用極限狀態的抗裂及變形驗算,并進行預應力碳纖維復合板的應力驗算。

1.正截面承載能力驗算

各參數解釋參照《混凝土結構加固設計規范》(GB50367 -2013)11.2.4。

2.撓度驗算

根據《混凝土結構加固設計規范》(GB50367 -2013)11.2.6 及11.2.9 要求計算,出現裂縫的受彎構件,其抗彎剛度按式(2)計算:

各參數解釋參照《混凝土結構加固設計規范》(GB50367 -2013)11.2.9。

3.裂縫驗算

在荷載效應的標準組合并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度按式(3)計算:

各參數解釋參照《混凝土結構加固設計規范》(GB50367 -2013)11.2.8。

4.正截面抗裂驗算

由預加力產生的法向應力為:

各參數解釋參照《混凝土結構設計規范》(GB50010 -2010)10.1.6。

4.2 有限元計算

1.計算假定

根據《混凝土結構加固設計規范》(GB50367-2013)11.2.3 要求,采用預應力碳纖維復合板對梁、板等受彎構件進行加固時,除應符合現行國家標準《混凝土結構設計規范》(GB50010 -2010)正截面承載力計算的基本假定外,尚應符合下列補充規定:

(1)構件達到承載能力極限狀態時,粘貼預應力碳纖維復合板的拉應變按截面應變保持平面的假設確定。

(2)碳纖維復合板應力等于拉應變與彈性模量的乘積。

(3)在達到受彎承載力極限狀態前,預應力碳纖維復合板與混凝土之間的粘結不致出現剝離破壞。

2.計算結果及分析

借助橋梁博士有限元計算軟件,對橋梁加固前后在正常使用荷載組合及承載能力荷載組合下進行計算分析; 按10cm 混凝土鋪裝計入板截面活載受力,分別計算公路-Ⅰ及公路-Ⅱ級荷載下的結構受力,加固前后橫向分布系數分別按成橋檢測最大0.58 和0.385 考慮,計算結果及對比如表3 所示。

表3 計算結果對比Tab.3 Comparison of calculation results

根據規范要求,正常使用荷載組合下進行結構的撓度和抗裂驗算,承載能力荷載組合下進行結構的強度驗算。從表3 可以看出,加固完成后,橋梁的剛度、正截面抗裂以及承載能力有明顯提高,橋梁的受力性能明顯改善,其中撓度和正應力均滿足規范要求,裂縫明顯減小,基本能達到設計要求。

5 結語

橋梁加固是一個涉及面廣、受現實因素影響大、技術復雜的科研課題,需針對具體橋型、病害狀況、結構承載力等內容進行具體研究,本文結合工程實例,詳細說明了應用預應力碳纖維加固的設計方案,并采用有限元軟件對加固前后的受力情況進行了對比分析,驗證了預應力碳纖維板加固技術可降低結構撓度,減小結構變形,提高加固構件的極限承載力及結構抗彎剛度。與傳統被動加固相比,其可有效愈合既有橋梁結構的裂縫病害,抵御新的結構裂縫產生,延長橋梁的使用壽命。