連續剛構橋CFRP加固策略研究

茍 強 李 鑫 賈 強 孫拴虎 閻玉菡

（陜西機電職業技術學院，陜西 寶雞 710055）

0 引言

橋梁作為交通的咽喉部位，在公路交通中起著至關重要的作用[1]。然而，三四十年前修建的橋梁，在車輛超載、環境侵蝕的雙重影響下，部分橋梁的路用性能嚴重下降，其抗震性能或多或少地受到影響。橔柱作為一種“頭重腳輕”的結構，是橋梁抗側向力的主要構件，墩柱的破壞極其普遍，因此對橋梁墩柱的加固是目前橋梁養護中亟需解決的問題[2]。近年來，國外對橋墩加固方面的研究較少，相比之下國內對橋墩加固方面的研究較多。李溪等人[3]對兩根破損較為嚴重的鋼筋混凝土柱子采用碳纖維（CFRP）進行加固，讓其加固后的各項力學性能達到新建柱子的初始水平，發現其延性顯著增強，優于柱子的初始水平。司炳君等人[4]對3根已經破損的墩柱采用不同的加固方法進行加固，隨后進行軸力和側向反復荷載的擬靜力試驗，發現橋墩的承載能力和延性大大增強。現有的橋梁加固研究主要集中在加固后的表象上，對橋梁加固策略的研究不多。

本文采用有限元軟件Midas FEA建立碳纖維（CFRP）加固橋梁有限元模型，以加固厚度和加固高度作為變量，分析在地震作用下橋墩墩頂位移和峰值加速度的變化情況，通過比較CFRP加固后橋梁的震后效果，推薦出最優的加固策略。

1 CFRP加固橋梁計算模型

考慮到后續要進行振動臺試驗，本文橋梁模型為縮尺三跨連續剛構橋，根據有限元建模準則，采用橋梁專用有限元軟件Midas FEA建立1m+2m+1m三跨連續剛構橋三維有限元模型進行非線性有限元計算[5]。在計算過程中，網格的劃分密度會影響計算結果的精確性，理論上網格劃分越密，計算結果越準確，但如果劃分過于密集，計算時間會加長。本文確定網格尺寸為4cm，加固前剛構橋模型有14372個單元，如圖1所示。

圖1 未加固連續剛構橋網格劃分圖

本文基于初次振動臺試驗的加載效果確定碳纖維加固高度（見圖2所示），在初次振動臺試驗中統計發現裂縫主要集中在距離墩底40cm范圍內，因此裂縫區域高度控制在40cm，富余高度的范圍為[0,80]cm。因此，橋墩的CFRP加固高度分別為40cm、50cm、60cm、70cm、全墩包裹加固[6]。CFRP加固厚度的選取范圍為[1,3]層。加固模型如圖3～7所示。

圖2 加固高度示意圖

圖3 加固高度為40cm

2 CFRP加固橋梁地震響應分析

2.1 地震波的選取

考慮到橋梁所處的抗震設防烈度區為8度區，因此本文研究設防烈度為8度時CFRP加固橋梁的地震響應，選取天然波El-Centro波（N-S向和E-W向），加速度峰值為0.2g[7-8]。El-Centro波的時程曲線如圖8和圖9。

圖4 加固高度為50cm

圖5 加固高度為60cm

圖6 加固高度為70cm

圖7 加固高度為全墩包裹

圖8 El-Centro波E-W向時程曲線

圖9 El-Centro波N-S向時程曲線

2.2 不同加固高度抗震性能對比

通過對上一節中Midas/FEA建立的橋梁加固模型輸入地震波，交叉分析不同加固厚度和不同加固高度橋墩的地震響應，進而對比分析橋梁加固高度和加固厚度的變化對橋梁整體抗震性的影響[9]。墩頂加速度峰值及墩頂峰值位移如表1～表3所示。

由表1～表3可知：隨著橋墩加固高度的增加，墩頂的峰值加速度和峰值位移顯著減小，說明采用碳纖維包裹加固橋墩可以提高橋梁的抗震能力。當加固厚度為1層、2層、3層時，加固高度由40cm增加到50cm，峰值加速度和峰值位移下降的比率最大。即富余高度在[0,10]變化區間內，加固厚度為1層時，峰值加速度降低了10.5%，峰值位移降低了11.06%；加固厚度為2層時，峰值加速度降低了7.1%，峰值位移降低了12.2%；加固厚度為3層時，峰值加速度降低了4.2%，峰值位移降低了11.89%。因此，無論加固厚度如何變化，推薦富余高度為10cm，加固后的橋梁抗震性能提高最大。

表1 加固厚度1層時不同高度碳纖維加固墩頂峰值加速度及峰值位移

表2 加固厚度2層時不同高度碳纖維加固墩頂峰值加速度及峰值位移

表3 加固厚度3層時不同高度碳纖維加固墩頂峰值加速度及峰值位移

2.3 不同加固厚度抗震性能對比

加固層數對橋梁的抗震性能也有顯著的影響，通過以加固高度和加固厚度為變量進行十字交叉組合建模，向橋梁模型輸入El-Centro波，分析不同加固厚度橋梁的抗震性能[10]。墩頂加速度峰值和墩頂位移峰值如表4～表8所示。

表4 加固高度為40cm時不同層數碳纖維加固墩頂加速度

表5 加固高度為50cm時不同層數碳纖維加固墩頂加速度

表6 加固高度為60cm時不同層數碳纖維加固墩頂加速度

表7 加固高度為70cm時不同層數碳纖維加固墩頂加速度

表8 全包裹橋墩加固時不同層數碳纖維加固墩頂加速度

由表4～表8可知：在地震作用下，隨著加固層數的增加，峰值加速度和峰值位移逐漸減小，當加固層數小于2層時，墩頂位移和墩頂加速度隨加固層數的增加下降速率較快[11]。以加固高度50cm為例，當加固層數為2層時，墩頂加速度較未加固前減小了30.11%，墩頂位移較未加固前減小了46.95%，抗震效果提升明顯，當加固層數為3層時，墩頂加速度較未加固前減小了34.49%，墩頂位移較未加固前減小了49.64%。很明顯，采用碳纖維加固2層的橋墩抗震效果要優于加固3層。因此，針對舊橋加固，從抗震角度來講，碳纖維的加固厚度推薦采用2層加固。

3 結束語

（1）通過有限元軟件Midas/FEA建立模型，分別分析加固高度為0cm、40cm、50cm、60cm、70cm、全包裹加固時橋梁的墩頂加速度和墩頂位移，得出加固高度由40cm增加到50cm，峰值加速度和峰值位移下降的比率最大，推薦富余高度為10cm，加固后的橋梁抗震性能提高最大。

（2）通過以加固高度和加固厚度為變量進行十字交叉組合建模，分析加固厚度為1層、2層、3層時橋梁的抗震性能，得出加固厚度為2層時，抗震性能提升最為明顯，推薦加固厚度選用2層。