碳纖維筋表層內嵌噴漿法的理論計算及工程應用

魏長穎

北京市政路橋管理養護集團有限公司，北京 100097

橋梁是公路運輸的重要交通要道，也是國民經濟發展的命脈。在現役的眾多橋梁中，受到當時經濟、技術、環境等條件的限制與影響，部分橋梁設計荷載的標準規定偏低。對于這種存在的舊橋，如果完全拆除重建，不僅污染環境、浪費巨大，還會影響交通與人們的生活。由此，一種新型的橋梁維修加固改造技術方法——碳纖維筋表層內嵌噴漿法孕育而生。碳纖維筋的研究最早始于南非與法國，快速發展于美國、日本[1]。我國針對碳纖維的研究較晚，直到2000年我國碳纖維增強復合材料及工程應用委員會成立，并于2003年頒布了相應的行業標準，對我國的碳纖維加固維修強梁的應用起到了重要的推動作用[2-3]。

1 內嵌碳纖維筋原理

開槽內嵌碳纖維筋加固的基本原理為首先在原混凝土構件表面采用開槽機沿著軌道機械開槽，開槽深度需滿足設計要求，然后向其槽內注入滿足要求的結構膠，用量達到開槽深度的2/3為宜，并在此基礎上，將碳纖維筋植入槽內，有條件的可進行綁扎，最后對表面射水拉毛并噴射高強聚合物砂漿，使其碳纖維筋與原構件形成緊密的整體。

2 碳纖維筋加固設計理論計算

對原結構進行碳纖維筋加固補強時，在遵循相關假定的基礎上，加固計算包括如下相應步驟[4]。

（1）碳纖維筋設計應力與設計應變計算。

式中：ffu為碳纖維筋設計應力；CE為環境影響系數，取0.85；f*fu為碳纖維筋給定抗拉強度。

式中：εfu為碳纖維筋設計應變；CE為環境影響系數，取 0.85；ε*fu為碳纖維筋給定斷裂應變。

（2）計算在恒載作用下碳纖維筋安裝位置的初始混凝土彈性應變。

式中：εbi為內嵌部位混凝土初始彈性應變；Md為第二階段彎矩組合設計值；df為加固后截面有效高度；kd為等效矩形應力圖的混凝土受壓高度；Icr為加固前原構件開裂截面換算截面的慣性矩；Ec為混凝土彈性模量。

（3）確定碳纖維筋的有效應變。

式中：εfe為碳纖維筋有效應變；c為梁頂距離中性軸的高度；km為碳纖維筋黏結系數；εfd為縱向碳纖維筋拉應變。

（4）受拉鋼筋的應變計算。

式中：εs為現有鋼筋拉應變；d為加固截面頂部與鋼筋的有效距離。

（5）鋼筋與碳纖維筋的應力計算。

式中：fs為現有鋼筋應力；Es為鋼筋彈性模量；fy為鋼筋設計應力。

式中：ffe為碳纖維筋有效應力；Ef為碳纖維筋彈性模量。

（6）平衡條件的計算。

式中：As為受拉鋼筋面積；Af為受拉側新增碳纖維筋面積；β1為截面受壓區矩形應力圖高度與實際受壓區高度的比值；fcd為原構件混凝土抗壓強度；b為加固構件截面寬度。

（7）計算抗彎強度。

式中：Mu為設計最大極限承載力。

3 工程應用加固效果

雪海溝中橋位于包頭市G110國道東興至東河段，中心樁號K708+658。該橋建于1986年，為斜梁橋，斜交角度為60°，上部結構型式為預應力鋼筋混凝土簡支空心板梁，最大跨徑為10.0m，橋跨組合為3m×10.0m，斜長11.55m，橋梁總長49.05m。板梁截面尺寸為99.0cm×70.0cm，橫橋向設14片板。下部結構為鋼筋混凝土雙柱式橋墩、重力式U型橋臺。該橋于1991年進行單側拼寬，拼寬形式為上、下部結構分離式。

雪海溝中橋在長期重載及冬季嚴寒氣候條件作用下，板底出現橫向裂縫、腐蝕及局部滲水泛堿等病害。經過詳細檢查及荷載試驗，結果表明舊橋拼寬部分承載能力不滿足公路一級要求。

3.1 主要加固措施

考慮到結構構成形式、所處位置的交通特點及地理位置特征，拆除重建舊橋技術及經濟上實現的難度，最終確定采取碳纖維筋噴漿加固法對該橋進行加固設計，維修加固方案為在板梁梁底對拼寬部分采用表層內嵌12×Φ6mm碳纖維筋法進行補強，舊橋部分也采用表層內嵌12×Φ6mm碳纖維筋法進行補強。

3.2 作用效應分析

（1）建立模型。文章結構計算各材料參數如表1所示。

表1 各材料參數表

根據《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T J22—2008）[4]中的相關要求，采用有限元軟件Midas計算原橋的初始應變值后，根據橫橋向補強及橋面鋪裝、護欄等更換，建立加固后橋梁結構分析有限元模型。結構三維有限元模型如圖1所示。

圖1 結構三維有限元模型

（2）結果分析。①原橋拼寬部分（舊橋部分）在恒載作用下內力計算結果：為進行加固前碳纖維筋布設部位混凝土初始應變分析，首先分析原橋拼寬部分在恒荷載作用下的彎矩效應，其最大彎矩設計值為261.00kN·m。②加固后拼寬部分(舊橋部分)橋梁結構內力計算：加固后橋梁活載作用下的彎矩圖如圖2所示。

圖2 加固后活載作用下彎矩圖

由計算分析可知，恒載作用效應在進行橫向聯系加強后有所增加，由261.00kN·m增大到278.48kN·m，增加了6.70%，公路一級荷載作用效應設計值為403.5kN·m。加固后荷載作用效應組合值為恒載×1.2+活載×1.4=681.20kN·m。

3.3 承載力計算

（1）板梁補強前承載能力驗算。進行鉸縫修復，采用橫向聯系加強及更換橋面鋪裝和護欄等加固改造措施后，原橋拼寬部分最不利彎矩為681.20kN·m，原板梁最大極限承載力為551.06kN·m，不能滿足公路一級荷載作用要求。

（2）板梁碳纖維筋補強后承載能力驗算。采用換算截面進行原板梁開裂彎矩及彈性相對受壓區高度計算，該橋板梁開裂截面慣性矩為6.9×109mm4，受壓區高度為160mm；以此數據為基礎，布設碳纖維筋部位混凝土的初始應變為0.000708；采用在板底布設12根直徑為6.0mm的碳纖維補強后，抗彎承載力提高為687.71kN·m，滿足公路一級荷載作用下的要求，可以看出經碳纖維筋補強后，梁體承載能力提高了24.8%。

4 結論

（1）碳纖維筋是一種強度高、重量輕、耐腐蝕的復合材料，為橋梁加固的優選材料，文章利用碳纖維筋高強、輕質、不銹蝕特性，采用表層內嵌技術應用于板梁梁底加固，獲得了理想的加固效果。

（2）根據對板梁橋梁的計算分析，采用在板底內嵌12根直徑為6.0mm的碳纖維筋后，對比加固前板梁承載力551.06kN·m，改造后其承載能力顯著提高，達到了加固目的。