碳纖維板在重載鐵路低高度鋼筋混凝土板梁體外預應力加固中的應用研究

劉吉元，馬 林

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

碳纖維板在重載鐵路低高度鋼筋混凝土板梁體外預應力加固中的應用研究

劉吉元，馬 林

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

迄今，預應力碳纖維板應用于重載鐵路鋼筋混凝土梁加固改造的實例較少，其加固效果尚需深入研究。本文先闡述了體外預應力加固鋼筋混凝土構(gòu)件的設計思路，又根據(jù)現(xiàn)行鐵路規(guī)范對加固前后梁體的應力、撓度及裂縫寬度進行了檢算，并通過試驗場內(nèi)的靜載試驗驗證了預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土板梁的加固效果。研究結(jié)果表明，采用預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁能夠顯著提高梁體受力性能，在1.2倍ZH荷載作用下能夠滿足運營要求，該技術(shù)可以在重載鐵路加固改造中推廣應用。

碳纖維板 重載鐵路 鋼筋混凝土板梁 體外預應力 加固

我國既有鐵路上大量采用了鋼筋混凝土梁。隨著使用年限增長、車輛軸重增大、運營速度提高和運量的快速增加，鋼筋混凝土梁尤其是低高度板梁的病害日益突出，如梁體鋼筋應力增大、應力幅值超限、撓度偏大、梁底開裂嚴重、裂縫寬度超限等，從而導致結(jié)構(gòu)承載力下降、耐久性降低。

通常對鋼筋混凝土梁采用的加固方法有增大截面法、粘貼鋼板法、改變結(jié)構(gòu)受力體系法以及施加體外預應力法等［1-3］。在諸多加固方法中，體外預應力加固法作為一種主動加固法，通過張拉布置于結(jié)構(gòu)本體之外的預應力筋對結(jié)構(gòu)施加預應力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負向彎矩，從而有效、主動地改善結(jié)構(gòu)受力性能，提高結(jié)構(gòu)極限承載能力。但因作為加固體系主要受力構(gòu)件的預應力筋，如鋼絞線、鋼筋(棒)、鋼絲繩等，通常置于加固構(gòu)件外側(cè)，容易受到環(huán)境影響而腐蝕破壞;致使一種能夠有效替代預應力筋的體外束材料——碳纖維應運而生，并以其質(zhì)量輕、抗拉強度高、耐腐蝕、耐久性能好等優(yōu)點備受親睞。

在梁體結(jié)構(gòu)表面粘貼碳纖維板材或片材的加固方法在工程應用中較為常見，但粘貼的碳纖維材料產(chǎn)生的抵抗彎矩較小，不能消除結(jié)構(gòu)初始變形和減小初始裂縫，碳纖維的高強性能也只有在鋼筋屈服后才能得到利用。大量試驗證明，將預應力技術(shù)和碳纖維板材相結(jié)合，采用體外預應力碳纖維板加固技術(shù)能有效解決這些問題。但采用碳纖維板加固鐵路鋼筋混凝土梁的應用實例較少，加固效果有待進一步研究。

1 加固設計

簡支梁屬靜定結(jié)構(gòu)，采用體外預應力加固后變?yōu)閹嵝岳瓧U的一次超靜定混合體系，但加固過程并未改變結(jié)構(gòu)的支撐和約束體系，故加固后的結(jié)構(gòu)體系仍為簡支靜定結(jié)構(gòu)。橋梁加固一般在原橋位進行，施加預應力時梁體仍承受恒載(自重、二期恒載)作用，預應力施加完成后，梁體在恒載及預加力共同作用下處于平衡狀態(tài)［4］。

采用體外預應力加固的鋼筋混凝土梁，因選取的預應力度不同，在設計荷載作用下屬于不同類型的結(jié)構(gòu)。若所選預應力度較大，在設計荷載作用下梁體下緣不出現(xiàn)拉應力或不開裂，結(jié)構(gòu)屬于全預應力或部分預應力混凝土A類構(gòu)件;若所選預應力度較小，梁體下緣出現(xiàn)裂縫，則結(jié)構(gòu)屬于部分預應力混凝土B類構(gòu)件。對于重載鐵路的低高度鋼筋混凝土梁，為適應重載運輸?shù)囊?，通過在梁體下緣張拉、錨固預應力碳纖維板對其進行加固，將鋼筋混凝土梁變?yōu)椴糠诸A應力混凝土B類梁，從而達到降低恒載應力、改善活載應力的目的。

碳纖維板材抗拉強度高，抗彎折強度較低，直線配束更利于碳纖維板的受力;低高度板梁梁高較矮，預應力體系布置在梁體底面，可最大限度地提高加固效率;碳纖維板錨固點與支座間需預留一定距離作為張拉空間，綜合考慮以上因素建立如圖1所示的計算圖式。

圖1 體外預應力加固低高度鋼筋混凝土梁計算圖式

2 加固檢算

本文以跨度12 m低高度鋼筋混凝土板梁(圖號:專橋(88)1024)為例進行相關(guān)的加固檢算。跨度12 m低高度鋼筋混凝土板梁，梁體全長12.5 m，計算跨度L=12.00 m，梁高h=0.85 m，腹板寬度1.1 m，截面輪廓及主筋布置見圖2。梁體采用350號(C33)混凝土，單片梁重405.2 kN，梁底布有3層共計42根φ25縱筋。

圖2 梁體截面輪廓及鋼筋布置(單位:cm)

該板梁按中—活載設計，為適應重載運輸要求而設定的加固改造目標荷載為1.2倍ZH活載(中—活載(2005))。計算荷載按以下取值:自重q1=29.40 kN/m;二期恒載q2=22.97 kN/m;活載分別按原設計活載與加固改造目標荷載計算，沖擊系數(shù)1+μ= 1.286。內(nèi)力計算結(jié)果見表1。

在滿足碳纖維板錨固區(qū)域長度的前提下，確定L1=2.1 m，c=0.05 m，則有L2=7.8 m，h1=0.504 m;選取的碳纖維板截面尺寸為50 mm×3 mm，張拉控制力設為225 kN/條，在梁底布置5條碳纖維板時，加固前、后梁體的主要檢算結(jié)果見表2。表中跨中撓度計算時截面慣性矩I不計受拉區(qū)混凝土，截面剛度取0.8EcI，自重作用產(chǎn)生的跨中撓度為6.3 mm;原梁混凝土容許壓應力按文獻［5］為13.53 MPa，按照文獻［6］相當于C33混凝土，則容許壓應力為14.80 MPa。

表1 跨度12 m低高度鋼筋混凝土板梁內(nèi)力計算kN·m

表2 梁體加固前、后主要檢算結(jié)果

由上可知，采用5條碳纖維板加固后的跨度12 m低高度鋼筋混凝土板梁，加固后比加固前(活載為1.2倍ZH活載)梁體鋼筋應力降低了60.2 MPa，混凝土壓應力降低了1.9 MPa，裂縫寬度減小了0.039 mm，跨中撓度減小了9.7 mm;相比原設計活載(活載為中—活載)鋼筋應力降低了27.7 MPa，混凝土壓應力增加了0.7 MPa(但仍滿足規(guī)范要求)，裂縫寬度減少了0.015 mm，跨中撓度減小了4.1 mm。

3 加固效果驗證試驗

3.1 原梁靜載試驗方案

試驗梁為2004年在某既有線修建復線時原橋位旁澆筑的一片12 m鋼筋混凝土板梁，因當時拆模后發(fā)現(xiàn)梁體出現(xiàn)環(huán)形開裂而未使用，一直被棄置在橋位附近，2012年10月將其運至試驗場開展相關(guān)研究。

試驗加載時，縱向采用“兩點+分配梁”即四點加載方式進行加載［7］。橫向加載位置為梁體實際使用過程中鋼軌在梁體頂面上的投影位置，見圖3，試驗現(xiàn)場照片見圖4。加載共分為10級，其中第1級為二期恒載級，第7級為中—活載級(二期恒載+(1+μ)×中—活載)，第10級為1.2倍ZH活載(二期恒載+(1 +μ)×ZH活載×1.2)。

圖3 靜載試驗縱向加載圖式(單位:m)

圖4 靜載試驗現(xiàn)場布置

3.2 靜載試驗的主要結(jié)果

1)試驗中施加荷載小于1.2倍ZH活載時，鋼筋應力與加載荷載等級呈線性關(guān)系，如圖5給出了其中一根鋼筋應變值隨加載循環(huán)的變化曲線。加載至第7級時，鋼筋應力最大值為134.6 MPa，考慮自重影響后鋼筋應力為172.7 MPa;加載至第10級時鋼筋應力為206.4 MPa，即1.2倍ZH活載作用下鋼筋應力已超過容許應力180 MPa。

圖5 鋼筋應變隨加載荷載變化曲線

2)梁體豎向撓度與加載等級的關(guān)系符合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下的發(fā)展規(guī)律:第1循環(huán)加載時，梁體撓度與加載荷載的關(guān)系是非線性的，反映了梁體在加載過程中逐漸開裂的過程，在第2、第3循環(huán)加載(至中—活載級)時撓度與加載荷載的關(guān)系基本呈線性變化，反映了梁體在開裂后重新達到一個新的平衡狀態(tài)，見圖6。加載至中—活載級時，跨中左、右側(cè)撓度平均值為14.6 mm;加載至1.2倍ZH活載級時為18.6 mm，撓度校驗系數(shù)分別為0.63，0.65。

圖6 跨中撓度與加載荷載關(guān)系

3)梁體存在大量初始裂縫，裂縫寬度隨加載荷載等級基本呈線性發(fā)展，部分裂縫在二期恒載與設計活載作用下的裂縫寬度就已達到或超過規(guī)范允許值，見圖7。

綜上，通過對跨度12 m低高度鋼筋混凝土板梁梁體應力、撓度、裂縫的測試及分析，表明試驗梁本身狀態(tài)較差，但能夠滿足設計活載作用下的使用要求;當活載增大至1.2倍ZH活載后，梁體的豎向承載能力突顯不足。

3.3 加固后靜載試驗

2014年3月對該片板梁進行了碳纖維板體外預應力加固，即在梁體底面共布設5條碳纖維板，按照“3條+2條”方式錨固，詳見圖8。加固體系中采用的碳纖維板截面為50 mm×3 mm，極限抗拉強度2 500 MPa，彈性模量160 GPa。5條碳纖維板的張拉順序為⑤→④→③→②→①，單條張拉應力1 500 MPa (225 kN)。

碳纖維板張拉過程中分3種工況對梁體進行了試驗加載:工況1，張拉完第⑤、④根碳纖維板;工況2，張拉完第⑤、④、③、②根碳纖維板;工況3，張拉完全部5根碳纖維板，即加固完成后。各工況下靜載試驗的加載方式、加載等級與加固前相同。

圖7 裂縫寬度與加載荷載關(guān)系

圖8 梁體底面加固體系布置

1)對恒載的影響

張拉過程中對每條碳纖維板張拉前后梁體鋼筋應變的變化量(負值為減小)進行記錄并累計，得到自重與二期恒載作用下碳纖維板張拉的加固效果，見表3。由表可知，在自重與二期恒載作用下，張拉5條碳纖維板能使梁體下緣鋼筋拉應力平均降低30.6 MPa(鋼筋彈性模量為200 GPa)。

表3 碳纖維板張拉過程中鋼筋應變增量×10-6

2)對活載的影響

分別在加固前、工況一、工況二及工況三(加固后)條件下對梁體進行了試驗加載，加載至1.2倍ZH活載時所測試鋼筋的應變值見表4。由表中碳纖維板加固前后梁體鋼筋應變的變化量可知，在1.2倍ZH活載作用下，并張拉5條碳纖維板能使梁體下緣鋼筋拉應力平均降低15.2 MPa。

實測碳纖維板加固前后，梁體鋼筋應力減少30.6 +15.2=45.8 MPa，小于理論計算的60.2 MPa。分析原因主要有以下兩點:①理論計算時碳纖維板中有效預應力取1 500 MPa，未考慮梁體壓縮、錨具回縮等損失;②梁體已在1.2倍ZH活載下充分開裂，施加預壓力后梁體需經(jīng)過一段時間才能達到新的平衡狀態(tài)。

3)對剛度的影響

碳纖維板加固前后梁體跨中撓度見表5。由表可知，1.2倍ZH活載作用下，加固前梁體左右側(cè)跨中撓度平均值為18.6 mm，加固后為16.1 mm，減小13.4%。

表4 梁體加固前后1.2倍ZH活載作用下鋼筋應變×10-6

表5 碳纖維板加固前后梁體跨中撓度mm

實測碳纖維板加固前后，梁體跨中撓度減少2.5 mm，相比加固前跨中撓度(6.3+18.6= 24.9 mm)減少10.0%，小于理論計算的27.7%，分析原因主要是理論計算時截面慣性矩I不計受拉區(qū)、截面剛度按0.8倍折減，施加的預加力對梁體產(chǎn)生的彎矩比實際要大，引起的反拱也偏大。

4 結(jié)論

通過理論分析及加固前后的試驗驗證，得到以下主要結(jié)論:

1)采用碳纖維加固跨度12 m低高度鋼筋混凝土板梁，能夠有效降低梁體鋼筋應力、裂縫寬度，同時混凝土壓應力小于規(guī)范限值。

2)原梁靜載試驗表明，試驗梁本身狀態(tài)較差，尚能夠滿足設計活載作用下的使用要求;當活載增大至1.2倍ZH活載后，梁體的豎向承載能力已不滿足相關(guān)規(guī)范要求;采用5條碳纖維板加固后，恒載應力降低30.6 MPa，活載應力降低15.2 MPa，梁體剛度提高約13.4%，加固后的梁體能夠滿足1.2倍ZH活載的使用要求。

綜上，采用預應力碳纖維板加固低高度鋼筋混凝土板梁能夠有效改善梁體受力性能，滿足1.2倍ZH活載作用下的使用要求，加固效果顯著，建議在重載鐵路加固改造中推廣應用。

［1］池紹進.體外預應力CFRP加固混凝土薄壁箱梁抗彎性能試驗及分析［D］.長沙:湖南科技大學，2012.

［2］俞好愛，羅小秀，李德慧.某T構(gòu)橋體外預應力及粘鋼板綜合法加固及效果［J］.鐵道建筑，2012(11):31-33.

［3］邵華英，劉旋云.預應力混凝土連續(xù)梁橋維修加固技術(shù)的對比研究［J］.中外公路，2010(3):198-202.

［4］黃僑.公路鋼筋混凝土簡支梁橋的體外預應力加固技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，1998.

［5］中華人民共和國鐵道部.TBJ 2—85鐵路橋涵設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，1986.

［6］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［7］中華人民共和國鐵道部.TB 2092—2003預應力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

Study on application of carbon fiber p late in external prestress reinforcing for low-height reinforcement concrete slab girder on heavy haul railway

LIU Jiyuan，MA Lin
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

There were few applications of prestressed carbon fiber plate in reinforcement of reinforced concrete girders used in heavy haul railway.In the paper，the design idea of external prestressing used in concrete girders reinforcement was introduced，and the stress，deflection and crack width of the girders before and after reinforcement were calculated according to the current railway code.The effect of reinforcement was verified though the static load tests.The results indicated that the prestressed carbon fiber plate used for reinforce concrete slab girders can significantly improve the stress performance of girder，and satisfy the operational requirements under the 1.2 times ZH load.This technology was suggested to apply in the reinforcement of reinforced concrete slab girders used in heavy haul railway.

Carbon fiber p late;Heavy haul railway;Reinforcement concrete slab girder;External prestressing; Reinforcement

U445.7+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.07

1003-1995(2015)01-0031-05

(責任審編 孟慶伶)

2014-10-10;

2014-11-02

國家科技支撐計劃項目(2013BAG20B00)

劉吉元(1983—)，男，山東臨沂人，助理研究員，碩士。