預應力混凝土魚腹式連續箱梁橋碳纖維板加固性能試驗分析

■林海航

（福州市市政工程中心，福州 350004）

預應力混凝土魚腹式箱梁橋具有抗彎、抗扭剛度大及景觀效果好等優點，在許多工程中被廣泛應用。 由于預應力損失、車輛超載等因素，許多橋梁在使用過程中出現了缺損和劣化，橋梁的承載力被削弱。 因此，橋梁加固成為了保障交通安全和提高橋梁耐久性的重要方式。 近年來，預應力碳纖維板加固技術作為一種新興的橋梁加固方法，得到了廣泛的關注和應用。 眾多學者在預應力碳纖維板橋梁維修加固方面展開了諸多研究。 王渠[1]以一座20 m鋼筋混凝土T 梁橋為研究對象，通過荷載試驗、承載能力驗算與技術狀況對比對預應力碳纖維板加固效果進行評定；汪洋等[2]強調了預應力碳纖維板加固技術在橋梁加固中的優勢，并結合實際項目解析了其作用原理；洪華等[3]研究了受損空心板梁預應力碳板加固的可行性和有效性，驗證了其在限制梁的極限變形和增強梁體剛度方面的效果； 秦小平[4]基于某預應力混凝土連續空心板橋，通過對比加固前后檢驗結果對預應力碳纖維板及粘貼鋼板組合加固法的應用進行了評價；許永吉[5]通過某T 梁橋進行技術狀況評定、結構檢算和荷載試驗，探討了預應力碳纖維板技術加固的可行性和合理性；侯鵬[6]以某預應力混凝土連續梁橋為例，研究預應力碳纖維板技術在舊橋加固中的應用，表明了其能夠增強舊橋承載力；張海亮[7]以某預應力混凝土連續T梁橋為例，對預應力碳纖維板加固的施工工藝流程及其應用效果進行了系統分析；王華[8]以某預應力混凝土簡支空心板梁橋為例，通過驗算和荷載試驗對預應力碳纖維板加固效果進行了評價。基于此，本文以某預應力混凝土魚腹式連續箱梁橋為工程背景，通過預應力碳纖維板加固前后的荷載試驗對加固效果進行評定，為同類橋梁加固工程研究提供參考。

1 工程概況

某立交D 匝道橋全橋總長737.01 m，共8 聯27 跨。其中第4 聯跨徑布置為164.21 m=（35.34+27.17+36.00+35.70+30.00）m，上部結構采用預應力鋼筋混凝土結構，橋梁橫截面為魚腹式箱型截面。 主梁高1.8 m，混凝土設計強度等級為C50。 橋面寬度為8.5 m=兩側0.5 m 護欄+中間7.5 m 行車道。 橋墩為柱式墩身，基礎為樁基礎。 預應力鋼絞線采用φs15.2 mm 高強度低松弛鋼絞線，標準強度fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，腹板束錨下張拉控制應力σf=0.75fpk，頂板束錨下張拉控制應力σf=0.72fpk，鋼束管道采用塑料波紋管，錨具采用群錨體系。 設計荷載：城-A 級。 橋梁結構布置如圖1、2 所示。

圖1 橋梁結構立面布置圖

圖2 橋梁上部結構標準橫斷面布置圖

該橋加固前外觀檢查結果表明，第D-4～D-3 跨梁底橫橋向裂縫共計25 條，最大縫寬為0.22 mm，病害分布如圖3 所示。 該橋加固前進行了荷載試驗，為了驗證加固的效果，該橋在加固完成后也進行了荷載試驗。

圖3 橋梁第D-4～D-3 跨裂縫病害分布情況

2 加固前荷載試驗

2.1 結構分析模型

基于外觀檢測結果及竣工圖紙，應用橋梁結構有限元分析軟件MIDAS Civil 建立橋梁上部結構有限元空間模型。 主梁采用梁單元模擬，材料使用C50，支座采用一般支承模擬，有限元模型如圖4 所示。

圖4 橋梁上部結構有限元模型示意圖

承載能力檢算結果表明，D-4～D-3 跨控制截面最大荷載效應（γ0·S）為39 959.2 kN·m，構件承載能力為43 555.5 kN·m，抗彎承載能力與最大荷載效應之比為1.09，滿足要求，但富余較小。

2.2 靜載試驗

2.2.1 試驗工況

靜載試驗各工況加載內容均依據CJJ/T 233-2015《城市橋梁檢測與評定技術規范》設計，按橋梁結構的最不利受力原則確定試驗工況。 靜載試驗根據靜力等效原理，采用車輛加載，靜載試驗為2 個工況，荷載效率在0.98～1.03 之間，滿足鑒定性荷載試驗荷載效率0.95≤η≤1.05 的要求。 各工況加載內容及試驗荷載效率等指標如表1 所示。 加載車輛參數信息如圖5、表2 所示，車輛布置如圖6所示。

表1 各工況加載內容及試驗荷載效率計算結果

表2 加載車輛參數

圖5 加載車輛參數示意圖

圖6 車輛布置圖

2.2.2 測點布置

根據CJJ/T 233-2015《城市橋梁檢測與評定技術規范》要求，并結合橋梁外觀檢查結果及結構受力特點，進行試驗測點布置，測試截面如圖7 所示。撓度測試截面為1-1 截面，撓度測點布置于測試截面橋面位置，編號自左向右依次編為1#～5#。應變測試截面為1-1 及2-2 截面。 1-1 截面及2-2 截面測點自左向右依次編為1#～5#。 加固前荷載試驗裂縫測點選擇測試截面1-1 附近典型裂縫及縫寬最大的裂縫進行寬度監測。 測點布置情況如圖8～10 所示。

圖7 測試截面示意圖

圖8 撓度測點布置圖

圖10 裂縫測點布置圖（加固前）

2.2.3 試驗結果

加固前靜載試驗結果如表3～5、圖11～13 所示。結果表明，工況一撓度校驗系數為1.12～1.15，均大于1.0，工況二2-1#測點應變校驗系數為1.00，橫向裂縫寬度值最大變化值為0.04 mm，橫向裂縫呈現結構受力裂縫特征。 各測點相對殘余變形均小于20%。

表3 工況一試驗過程中裂縫寬度測試結果（單位：mm）

表4 工況一撓度檢測結果

測點號實測值/mm滿載理論值/mm 校驗系數 相對殘余變形/%總變形 彈性變形 殘余變形1-1# 15.11 14.73 0.38 13.00 1.13 2.51 1-2# 14.76 14.62 0.14 13.00 1.12 0.95 1-3# 14.64 14.63 0.01 13.00 1.13 0.07 1-4# 14.89 14.89 0.00 13.00 1.15 0.00 1-5# 14.84 14.84 0.00 13.00 1.14 0.00

表5 工況一應變檢測結果

測點號實測值/με滿載理論值/με 校驗系數 相對殘余應變/%總應變 彈性應變 殘余應變1-1# 35 33 2 44 0.75 5.71 1-2# 113 110 3 134 0.82 2.65 1-3# 106 104 2 134 0.78 1.89 1-4# 97 94 3 134 0.70 3.09 1-5# 30 28 2 44 0.64 6.67

表6 工況二應變檢測結果

測點號實測值/με滿載理論值/με 校驗系數 相對殘余應變/%總應變 彈性應變 殘余應變2-1# －18 －17 －1 －17 1.00 5.56 2-2# －52 －49 －3 －57 0.86 5.77 2-3# －49 －47 －2 －57 0.82 4.08 2-4# －42 －41 －1 －57 0.72 2.38 2-5# －16 －13 －3 －17 0.76 18.75

圖11 加固前工況一撓度實測值和理論值對比

注：撓度向下為正。

圖12 工況一應變實測值和理論值對比

注：應變受拉為正，受壓為負，圖13 同。

圖13 工況二應變實測值和理論值對比

2.3 自振特性試驗

自振特性試驗采樣頻率為100 Hz，在計算跨徑四分點位置布置橋面振動傳感器。測點布置如圖14所示。 加固前實測豎向一階頻率為3.22 Hz，理論豎向一階頻率為2.48 Hz，時程曲線、頻譜圖、實測振型及理論振型如圖15～18 所示。

圖14 測點布置示意圖

圖15 加固前時程曲線圖

圖16 加固前頻譜圖

圖17 加固前實測豎向一階振型

圖18 加固前橋梁理論豎向一階振型

2.4 無障礙行車試驗

采用動態應變計進行橋梁結構動力響應測試，在1-1 截面布置1 個動態應變測點，測點布置如圖19 所示。

圖19 測點布置示意圖

采用靜載試驗中1# 載重汽車進行加載， 試驗過程中載重汽車按指定路線進行加載。 無障礙行車試驗分為20 km/h 無障礙行車、30 km/h 無障礙行車共2 個工況。 在20 km/h 無障礙行車 （圖20）及30 km/h 無障礙行車（圖21）試驗工況下，橋梁實測動力放大系數μ 分別為0.08、0.07，均小于設計理論沖擊系數取值0.14。

圖20 20 km/h 無障礙行車時程曲線圖

圖21 30 km/h 無障礙行車時程曲線圖

3 加固后荷載試驗

3.1 結構分析模型

基于外觀檢測結果及竣工圖紙，計算考慮原橋結構預應力鋼束永久預應力損失，根據不同程度的預應力損失計算，橋跨應力超限范圍與實際裂縫范圍一致時，可認為與實際的預應力損失相近，并以此為基礎進行加固計算。 根據損失的預應力，采用預應力碳板加固以改善結構的應力狀態，提高承載力。 在有限元模型中通過添加體外預應力以模擬預應力碳板。

計算結果表明，加固后D-4～D-3 跨控制截面最大荷載效應（γ0·S）為39 908.4 kN·m，構件承載能力為46 604.39 kN·m，抗彎承載能力與最大荷載效應之比為1.17，同加固前1.09 相比有一定程度提高。

3.2 加固概況

D-4～D-3 跨采用15 根高強度I 級碳纖維板進行加固，碳纖維板平行布置，碳纖維板寬度10 cm，厚度2.0 mm，兩端采用錨具固定，碳纖維板張拉控制應力為690 MPa，即單條張拉力為138 kN，張拉控制應變為5‰，張拉采用應力和應變雙控，偏差不大于6%。 預應力碳板加固前對梁體裂縫進行灌膠封閉處理，碳纖維膠采用A 級碳纖維膠。 預應力碳纖維板錨固系統采用不可拆卸預應力碳板錨固系統，碳纖維板、粘板膠滿足JTG/T J22-2008《公路橋梁加固設計規范》中高強度I 級碳纖維板和A 級膠的性能指標要求。 預應力碳纖維板加固現場照及布置如圖22～24 所示。

圖22 預應力碳纖維板加固現場

圖23 預應力碳纖維板橫斷面布置圖

圖24 預應力碳纖維板底面展開圖

3.3 靜載試驗

3.3.1 試驗工況

靜載試驗為2 個工況，荷載效率在0.99～1.05 之間，滿足鑒定性荷載試驗荷載效率0.95≤η≤1.05的要求，加固前后相應工況荷載效率基本一致。 各工況加載內容及試驗荷載效率等指標如表7 所示。加載車輛參數信息如圖25、表8 所示，車輛布置如圖26 所示。

表7 各工況加載內容及試驗荷載效率

表8 加載車輛參數

圖25 加載車輛參數示意圖

圖26 車輛布置圖

3.3.2 測點布置

由于加固后，主梁裂縫均被封閉，故未布置裂縫測點。 除此之外，測試截面、測點布置同加固前荷載試驗相同。

3.3.3 試驗結果

靜載試驗結果如表9～11，圖27～32 所示。 結果表明，加固后工況一撓度校驗系數在0.90～0.99 之間，均小于1.0，撓度測點校驗系數和加固前相比減小了11.61%～21.05%，工況一應變校驗系數在0.46～0.74 之間，其中主要測點1-2#～1-4# 校驗系數和加固前相比減小了29.27%～33.33%，工況二應變校驗系數在0.47～0.79 之間，其中主要測點2-2#～2-4# 校驗系數和加固前相比減小了5.56%～46.35%，工況一和工況二應變校驗系數均小于1.0，各工況在試驗荷載作用下，結構未見新增裂縫。 各測點相對殘余變形均小于20%，試驗過程，橋梁各部件工作狀況均未見明顯異常。

表9 加固后工況一撓度檢測結果

表10 加固后工況一應變檢測結果

表11 加固后工況二應變檢測結果

圖27 加固后工況一撓度實測值和理論值對比

圖28 加固前后工況一主梁撓度校驗系數對比

圖29 加固后工況一應變實測值和理論值對比

圖30 加固后工況二應變實測值和理論值對比

圖31 加固前后工況一應變校驗系數對比

圖32 加固前后工況二應變校驗系數對比

3.4 自振特性試驗

加固后自振特性試驗采樣頻率及測點布置同加固前相同。 加固后實測豎向一階頻率為3.32 Hz，理論豎向一階頻率為2.48 Hz，時程曲線、頻譜圖、實測振型及理論振型如圖33～36 所示。

圖33 加固后時程曲線圖

圖34 加固后頻譜圖

圖35 加固后實測豎向一階振型

圖36 加固后橋梁理論豎向一階振型

結果表明，加固后實測豎向一階頻率大于理論豎向一階頻率2.48 Hz，橋梁實際剛度大于原設計理論剛度，和加固前相比，實測豎向一階頻率增大3.1%，結構動剛度略有增大。 實測振型與理論振型基本一致，滿足設計要求。

3.5 無障礙行車試驗

加固后橋梁結構動力響應測試儀器及測點布置位置同加固前相同。 采用靜載試驗中1# 載重汽車進行加載，試驗過程中載重汽車按指定路線進行加載。 無障礙行車試驗分為20 km/h 無障礙行車（圖37）、30 km/h 無障礙行車（圖38）共2 個工況，同加固前相同。 檢測結果表明：在20 km/h 無障礙行車及30 km/h 無障礙行車試驗工況下，橋梁實測動力放大系數μ 均為0.08，均小于設計理論沖擊系數取值0.14，且與加固前基本一致。

圖37 20 km/h 無障礙行車時程曲線圖

圖38 30 km/h 無障礙行車時程曲線圖

3.6 加固效果評價

加固前荷載試驗工況一撓度校驗系數在1.12～1.15 之間，均大于1.0，工況二主要測點2-1# 應變校驗系數為1.00，試驗值大于理論值或處于臨界狀態，撓度校驗系數、應變校驗系數不滿足規范要求。主梁底板橫向裂縫呈現結構受力裂縫特征，上部結構性能不滿足原設計荷載城-A 級的要求。

承載能力檢算結果表明，加固后橋梁正截面抗彎承載能力同加固前相比有一定程度提高，抗裂性也得到提高。 荷載試驗結果表明，加固后橋梁各測點校驗系數和加固前相比均有不同程度減小，加固后工況一撓度校驗系數在0.90～0.99 之間， 校驗系數和加固前相比減小11.61%～21.05%，各工況應變主要測點校驗系數在0.46～0.79 之間， 校驗系數和加固前相比減小5.56%～46.35%， 撓度校驗系數和應變校驗系數均小于1.0，實測值均小于理論值。 退載后各測點相對殘余變形均小于20%，試驗過程未見新增裂縫，即在試驗荷載作用下，加固后橋梁結構校驗系數和相對殘余變形均滿足規范要求，橋梁各部件工作狀況在整個試驗過程均未發現異常，上部結構性能滿足原設計荷載城-A 級的要求。 加固前后橋梁自振特性試驗結果表明，加固后橋梁自振頻率大于理論值， 橋梁實際剛度大于理論剛度，自振頻率和加固前相比增大3.1%，剛度略有提高，實測振型與理論振型基本一致，滿足設計要求。 橋梁上部結構受力狀況得到一定程度改善。

4 結論

結果顯示：（1）承載能力檢算結果表明，預應力碳纖維板加固技術可以在一定程度提高結構承載能力，提高抗裂性。 （2）加固前后靜載試驗結果表明，同加固前相比，加固后橋梁撓度校驗系數減小了11.61%～21.05%，應變主要測點校驗系數減小了5.56%～46.35%，撓度、應變校驗系數均小于1.0，試驗過程未產生新裂縫。 加固后橋梁結構校驗系數和相對殘余變形均滿足規范要求。 加固前后自振特性試驗結果表明，加固后橋梁自振頻率增加3.1%，結構動剛度略有增大，實測自振頻率大于理論自振頻率，剛度滿足設計要求。 （3）預應力碳纖維板加固技術可以改善預應力混凝土魚腹式連續箱梁橋的結構性能，具有一定的加固效果，提高了橋梁的承載能力，所提供的研究方法可以為同類工程提供參考和指導。