碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力空心板受力性能分析★

李 猛 何化南 張冠華

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽(yáng) 110166； 3.公路橋梁診治技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

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·橋梁·隧道·

碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力空心板受力性能分析★

李 猛1何化南1張冠華2,3

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽(yáng) 110166； 3.公路橋梁診治技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

采用MIDAS/FEA建立了預(yù)應(yīng)力碳纖維板和普通碳纖維板加固后預(yù)應(yīng)力空心板有限元分析模型，并考慮二次受力的影響，對(duì)其加固效果進(jìn)行了對(duì)比分析，依據(jù)分析結(jié)果給出了工程中使用碳纖維板加固類似橋梁的建議。

碳纖維板，MIDAS/FEA，橋梁加固

0 引言

裝配整體式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋在我國(guó)既有中小跨徑公路橋梁中占有很大比重，隨著其使用年限的增加和公路橋梁荷載的變化，橋梁病害和承載能力不足的問(wèn)題越來(lái)越突出，橋梁加固成為工程技術(shù)人員需要面對(duì)的重要問(wèn)題之一。目前，橋梁加固常見的幾種方法主要包括碳纖維加固，簡(jiǎn)支改連續(xù)加固，體外預(yù)應(yīng)力加固和增大截面等，其中，碳纖維板加固是最為傳統(tǒng)和重要的加固方式之一。本文利用有限元分析軟件MIDAS/FEA模擬了在二次受力下，普通和預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力空心板的受載效應(yīng)，根據(jù)加固前后，和是否考慮二次受力的對(duì)比結(jié)果，分析了二次受力和碳纖維板預(yù)應(yīng)力對(duì)于碳纖維板加固的影響，為工程計(jì)算和使用提供了參考。

1 模型簡(jiǎn)介

本文以某預(yù)應(yīng)力空心板橋?yàn)樵停摌蛴?jì)算跨徑20 m，橋面寬度為14 m，荷載等級(jí)為汽車—超20級(jí)、掛車—120。本文取該橋單片空心板為模擬對(duì)象，空心板含有的預(yù)應(yīng)力鋼絞線為14φj15.24(7φ5)，其截面及預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置如圖1所示。

通過(guò)改變加固方式，作者共利用MIDAS/FEA分析了5片預(yù)應(yīng)力空心板加固數(shù)據(jù)。其基本信息如表1所示。

表1 模型編號(hào)及基本信息

2 模型的建立

2.1 材料參數(shù)

模型中混凝土材料參數(shù)參考該橋梁設(shè)計(jì)時(shí)選用的老規(guī)范40號(hào)混凝土，其彈性模量為34 GPa，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為28 MPa，另外，混凝土的受拉和受壓曲線均采用非線性模型。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的彈性模量取200 GPa，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa。碳纖維材料參照《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中說(shuō)明的高強(qiáng)碳纖維材料，彈性模量為240 GPa，極限抗拉強(qiáng)度為3 000 MPa，其厚度采用1.0 mm，并且認(rèn)為碳纖維材料受拉曲線為線性，在達(dá)到強(qiáng)度后迅速斷裂，不考慮其延性。

2.2 單元的選取和板體模型

利用軟件中的實(shí)體單元來(lái)模擬混凝土單元，為了有利于計(jì)算的收斂和接近真實(shí)，實(shí)體單元?jiǎng)澐謺r(shí)截面內(nèi)尺寸控制在60 mm左右，縱向長(zhǎng)度控制在80 mm左右。碳纖維單元用平面應(yīng)力單元即膜單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，在混凝土板底部和混凝土單元共用節(jié)點(diǎn)。普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束均采用植入式配筋。為防止出現(xiàn)應(yīng)力集中，在支座處使用橡膠墊塊，橡膠墊塊下再添加剛性墊板，邊界約束施加在剛性墊板上。另外，集中荷載施加處也采用類似的處理辦法。本文建立的有限元模型如圖2所示。

2.3 荷載設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，考慮其預(yù)應(yīng)力損失帶來(lái)的變化，模型中有效預(yù)應(yīng)力取為1 100 MPa，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的模型，碳纖維板的預(yù)應(yīng)力采用碳纖維板的極限抗拉強(qiáng)度的23%左右，近似取為700 MPa。

本橋加固后要求荷載等級(jí)達(dá)到新規(guī)范公路—Ⅰ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)，因此所施加的荷載均按新規(guī)范荷載等級(jí)選用。本次模擬目的在于對(duì)比同等荷載條件下不同加固方式的加固效果，所以在加載過(guò)程中，不考慮橫向分布的影響，統(tǒng)一在各模型上施加一個(gè)車道荷載。根據(jù)規(guī)范公式：

均布荷載：10.5×(1+0.27)=13.34 kN/m。

集中荷載：[18]0+180×(20-5)/(50-5)〗×(1+0.27)=304.8 kN。

其中，0.27是由規(guī)范公式計(jì)算出的沖擊系數(shù)。

考慮二次受力影響時(shí)，通過(guò)預(yù)加30%車道荷載，然后激活碳纖維板單元，再繼續(xù)施加剩余荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)。施加荷載過(guò)程中，均布線荷載根據(jù)板面寬度等效為均布面荷載，集中荷載也分解成多個(gè)節(jié)點(diǎn)荷載施加在跨中的剛性墊塊上。

3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)本文建立的不同的有限元模型進(jìn)行分析，當(dāng)加載至100%的車道荷載時(shí)，不同模型的最終的撓度和各主要材料的最大應(yīng)力匯總至表2。

表2 各模型最終撓度和各主要材料應(yīng)力匯總表

將各加固模型相對(duì)于對(duì)比模型的加固效果進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算各指標(biāo)變化情況，匯總至表3。

表3 各模型加固效果匯總表

分別對(duì)比1號(hào)，3號(hào)模型和2號(hào)，4號(hào)模型可以看出，無(wú)論是普通碳纖維板加固還是預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，在考慮二次受力前后，跨中最大撓度和各材料的最大應(yīng)力變化均不明顯，這是因?yàn)?，二次受力下的預(yù)應(yīng)力空心板在初荷載作用下底部混凝土的應(yīng)變還很小，碳纖維的滯后應(yīng)變很小，從而導(dǎo)致二者加載結(jié)束后的受力狀態(tài)和變形狀態(tài)十分接近。以上說(shuō)明二次受力對(duì)碳纖維板加固的效果影響不大。

分別對(duì)比0號(hào)，1號(hào)，2號(hào)模型，首先1號(hào)模型和2號(hào)模型分別比對(duì)比梁的撓度減小了32.9%和65%，改善效果相差一倍，其次1號(hào)模型的混凝土最大應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力鋼束的最大應(yīng)力也比較小。這表明與普通碳纖維板相比較，預(yù)應(yīng)力碳纖維板的各項(xiàng)加固效果均優(yōu)于普通碳纖維板，預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)一步提升了梁體的抗彎能力。

對(duì)比各加固梁的碳纖維板最大應(yīng)力和高強(qiáng)碳纖維板的極限抗拉強(qiáng)度可以看出，普通碳纖維加固，會(huì)造成碳纖維板抗拉性能的極大浪費(fèi)。預(yù)應(yīng)力碳纖維板的最大利用效率則大大增加。

從預(yù)應(yīng)力碳纖維板的最終應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力鋼束的最終應(yīng)力來(lái)看，它們的差值比它們的初始預(yù)應(yīng)力的差值減小，這是因?yàn)椋祭w維板的彈性模量高于預(yù)應(yīng)力鋼束，并且，其距離橫截面中性軸的距離也大于預(yù)應(yīng)力鋼束。如果繼續(xù)加載，預(yù)應(yīng)力碳纖維板的應(yīng)力有可能超過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼束，因此，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力空心板時(shí)，應(yīng)盡量采用強(qiáng)度較高的碳纖維板，以防止碳纖維板提前斷裂。

從結(jié)果中提取出各荷載步驟的撓度，繪制各模型的荷載因子—撓度折線圖，如圖3所示。

由圖3可以看出，1號(hào)，3號(hào)模型和2號(hào)，4號(hào)模型的荷載因子—撓度折線圖分別接近，二次受力帶來(lái)的滯后應(yīng)變對(duì)整個(gè)受載過(guò)程都沒有帶來(lái)太大影響，而普通和預(yù)應(yīng)力碳纖維加固與對(duì)比梁的荷載因子—位移折線圖則呈現(xiàn)出三種不同的發(fā)展趨勢(shì)，這也證明了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的優(yōu)越性。雖然本次模擬沒有加載至破壞，但是可以從圖中推測(cè)，對(duì)比梁、普通碳纖維板加固梁、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁三者的極限承載能力會(huì)依次增加，而其達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的變形則依次減小。

4 結(jié)語(yǔ)

1)二次受力對(duì)碳纖維板加固效果影響不大。但如果在二次受力下，結(jié)構(gòu)有了裂縫，則應(yīng)盡可能卸去活荷載或采用其他方式先減小加固處的撓度和裂縫，再進(jìn)行加固；

2)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固有比較優(yōu)越的加固效果，碳纖維板的預(yù)應(yīng)力應(yīng)在一定范圍內(nèi)盡量增加，以提高其利用效率；

3)由于碳纖維板的拉應(yīng)力隨荷載的增加速度高于鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固時(shí)，應(yīng)盡量采用高強(qiáng)碳纖維板，防止碳纖維板出現(xiàn)提前斷裂。

[1]劉成強(qiáng).RC空心板橋CFRP抗彎加固理論及應(yīng)用研究.重慶：重慶大學(xué)，2011.

[2]鄔小光，白青俠，雷自學(xué)，等.公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用計(jì)算示例.北京：人民交通出版社，2011:3- 6.

[3]鄒旭巖，陳 淮.碳纖維加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋力學(xué)性能分析.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,42(4):111-115.

[4]張 鵬，郝憲武.碳纖維加固橋用空心板模型試驗(yàn)研究.工業(yè)建筑，2005,35(sup)：921-923.

[5]王敏榮.考慮二次受力的碳纖維布加固鋼筋混凝土梁抗彎承載能力計(jì)算.中外公路，2013，33(6):102-106.

Analysis on stress performance of carbon fiber board reinforcing prestressed hollow board★

Li Meng1He Huanan1Zhang Guanhua2,3

(1.DalianTechnologyUniversityCoastandCoastalEngineeringNationalLab,Dalian116024,China;2.LiaoningInstituteofTrafficPlanningDesign,Shenyang110166,China;3.HighwayBridgeClinicTechnologyTrafficTransportationIndustrySurveyCenter,Shenyang110166,China)

The paper establishes finite element model of prestressed carbon fiber board and common carbon fiber board reinforced prestressed hollow board by applying MIDAS/FEA, considers secondary stress impact, and compares and analyzes its reinforcement effects. The analysis results show some suggestions for similar bridge engineering reinforcement with carbon fiber board.

carbon fiber board, MIDAS/FEA, bridge reinforcement

1009-6825(2015)01-0145-02

2014-10-30 ★：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：51108054)

李 猛(1990- )，男，在讀碩士; 何化南(1972- )，女，副教授； 張冠華(1974- )，男，教授級(jí)高級(jí)工程師

U445.72

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