CFRP加固法在空心板橋加固中的應用研究

郭志軍

（甘肅省嘉峪關公路管理局，甘肅 嘉峪關 735100）

0 引言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的不斷提升，公路交通量呈現(xiàn)逐年遞增現(xiàn)象，與此同時，相關規(guī)范對汽車荷載等級也進行了提升，加上外部環(huán)境因素的影響，很大一部分即有橋梁在運營過程中出現(xiàn)了這樣或那樣的病害，例如：梁、板發(fā)生斷裂、上部承重構件發(fā)生異常位移、混凝土剝落、露筋、主梁產(chǎn)生裂縫等等，這些病害對橋梁結構的安全性和耐久性產(chǎn)生了很大的影響。而對即有橋梁的拆除重建不但嚴重影響正常的交通，而且還不經(jīng)濟，所以目前對病害程度不是很大的橋梁都是通過維修加固來恢復或提高其承載能力，這也帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。預應力混凝土空心板梁橋在現(xiàn)役橋梁中占有相當大的比例，相對其他橋型，預應力混凝土空心板梁橋出現(xiàn)的病害也較為普遍，目前常見的對于此類橋梁的加固方法主要有：粘貼鋼板加固法、增大截面加固法、粘貼碳纖維布加固法[1]等。普通的粘貼鋼板加固對于提高梁底的抗拉性能很有限；增大截面法所需要的空間相對較大，影響橋梁凈空；而CFRP材料抗拉性能較大，同時質量比鋼材要輕、厚度小，易施工，是對有橋下凈空限制的橋梁結構進行加固時的首選加固材料，在相關工程中具有很大的研究推廣價值。

1 工程概況

某預應力混凝土空心板梁橋原設計荷載為汽-20，驗算荷載為掛-100，該橋上部結構為4跨20 m的預應力混凝土空心板梁橋，每跨由7片板梁組成，全橋共28片板梁，板梁梁高0.9 m[2]。橋梁總體布置情況如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置圖（單位:cm）

通過對該橋現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)該橋梁的主要病害集中在以下幾個方面:（1）橋面鋪裝層出現(xiàn)橫向裂縫，破損露筋，鋼筋有銹蝕現(xiàn)象；（2）梁體多處出現(xiàn)橫向裂縫及梁底滲水腐蝕；（3）上部結構混凝土出現(xiàn)不同程度剝落掉角等。

2 加固方案

通過對該橋病害情況進行認真細致的研究，最終采用的加固方案為：梁底用粘貼CFRP法加固，粘貼方式如圖2所示；清除混凝土腐蝕部分，對構件混凝土表面裂縫進行修補；重新設置鉸縫，拆除原橋面鋪裝層，重新進行鋪裝。

圖2 梁底粘貼CFRP加固平面圖（單位:cm）

3 加固效果分析

3.1 有限元模型

該預應力混凝土空心板梁橋在采用CFRP加固法加固后，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立的有限元模型，加固后空心板梁有限元模型如圖3所示。主梁采用SHELL64單元模擬，碳纖維布采用SHELL41單元模擬，各材料間不考慮滑移，均采用節(jié)點耦合進行連接。

圖3 加固后有限元模型

3.2 荷載試驗

3.2.1 靜載試驗

該橋行車道寬度w=7.0 m，根據(jù)相關規(guī)范要求，試驗加載車輛重力擬定為330 kN，需要的車輛數(shù)目為2輛[3]。實驗中，加固前后撓度和應變測點布置不變，其中撓度測試截面為第二跨L/4截面、2L/4截面、3L/4截面，每個截面分別在每片梁底板中間位置布置1個撓度測點；應變測試截面為第二跨L/4截面、2L/4截面，加固后梁底測點用于測定CFRP應變。

加載時，全橋靜載實驗共分4個工況[4、5]，分別是：（1） 工況 1：L/4 截面雙車對稱加載；（2） 工況2：L/2截面雙車對稱加載；（3）工況3：L/4截面單車偏心加載；（4）工況4：L/2截面單車偏心加載。

3.2.2 動載實驗

本次動載試驗選取橋跨為第二跨，加固前后測點截面位置不變，分別為第二跨L/4截面、跨中截面、3L/4截面，在這三個截面位置布置6個拾振器。豎向動位移測點設在L/2截面4號梁底部位置，測點布置形式如圖4所示。

圖4 動載試驗測點布置圖

加載時，全橋動載實驗共分4個工況，分別是：

（1）工況 1：脈動測試振動加速度、速度；（2）工況2：單車20 km/h無障礙行車測振動加速度、速度、動應變；（3）工況3：單車30 km/h無障礙行車測振動加速度、速度、動應變；（4）工況4：單車40 km/h無障礙行車測振動加速度、速度、動應變。

3.3 加固效果分析與評價

（1）通過加固前后對橋梁進行有限元仿真模擬，得到的加固前后荷載實驗有限元仿真跨中最大撓度值比較如圖5所示。

圖5 加固前后有限元仿真跨中最大撓度對比圖(單位：mm)

從圖5可以看出，該橋在加固前后各靜載工況下出現(xiàn)最大撓度值的工況為第二工況，加固后撓度為9.50 mm，加固前撓度為10.66 mm，加固后撓度降低了10.8%，第一、三、四工況加固后截面最大撓度分別減小9.2%、9.4%、11.7%。

（2）加固前后各工況下荷載試驗跨中截面實測撓度曲線如圖6所示。

圖6 加固前后各工況下跨中截面測點撓度曲線圖

從圖6可以看出，荷載試驗實測跨中最大撓度加固前后減小了19.6%；各工況下跨中截面撓度平均減小率為17.5%，說明加固后跨中截面撓度橫向分布較加固前更加均勻，更加接近于理論計算值，加固后的主梁橫向剛度變大，橋梁受力狀況得到了很大的改善。

（3）利用ANSYS有限元模擬分析得到加固前后最不利工況下（工況2）預應力筋、混凝土、CFRP的最大應力見表1[6]。

表1 工況2加固前后應力理論最大值 MPa

從表1可以看出，加固前后跨中截面混凝土最大壓應力基本保持不變；梁底混凝土最大拉應力減小了33.3%，說明CFRP抗彎加固能夠增大梁底變形能力，荷載作用下，二者共同發(fā)生形變，有利于混凝土抗拉性能的提高；預應力鋼筋最大拉應力減小了19.9%，這是由于加固后中CFRP發(fā)揮出抗彎作用所致，加固后CFRP最大拉應力值為33.4 MPa。

（4）加固前后理論頻率值和經(jīng)荷載試驗所測得實際頻率值見表2。

表2 加固前后各階頻率實測值和理論值 Hz

從表2可以看出，加固后的各階理論頻率提高程度相對比較有限，而加固后實測頻率提高幅度分別為18.17%和12.5%，其值相對較大，這是因為實際橋梁加固時更換了橋面鋪裝和鉸縫，同時對裂縫進行了修補，這樣會有利于提高橋梁結構的整體剛度，改善結構的受力性能，而理論建模分析時沒有考慮橋梁的這些病害情況。所以，經(jīng)CFRP加固后結構動力特性有明顯改善。

（5）加固前后經(jīng)荷載試驗所計算得到的沖擊系數(shù)值如圖7所示。

圖7 加固前后沖擊系數(shù)對比圖

式中：β（η，μ）為靜、動力綜合評價指標；η為靜載試驗主要測點校驗系數(shù)均值；μ實測、μ規(guī)范分別為沖擊系數(shù)實測值和規(guī)范取值。

對靜載試驗試驗校驗系數(shù)計算可得，η=0.61＜1，

從圖7可以看出，隨著行車速度的增加，加固前后沖擊系數(shù)都呈現(xiàn)增大趨勢，經(jīng)理論分析可知沖擊系數(shù)理論值為0.272，加固前沖擊系數(shù)都大于理論值，說明加固前橋面行車時對橋體產(chǎn)生的沖擊比較大，且行車速度越大這種作用就約明顯；經(jīng)CFRP加固后不同車速下的沖擊系數(shù)明顯減小，并且都要小于理論值，說明加固后的橋梁行車性能得到了明顯改善。

3.4 承載能力綜合評定

引入靜、動力綜合評價指標β（η，μ）參數(shù)進行結構性能綜合評價[7]：，所以，CFRP加固后該橋承載能力滿足要求。

4 結語

通過CFRP加固法在某預應力混凝土空心板梁橋中的加固應用，經(jīng)實橋荷載試驗檢測對比分析可知，用CFRP加固后的橋梁，其撓度和應力在一定程度上均得到了較好的改善，承載能力有了大幅度的提高，加固效果明顯[8]。這說明CFRP加固法在預應力混凝土空心板梁橋的加固中有明顯的優(yōu)勢，可以在同類橋梁加固中推廣應用。