碳纤维板在重载铁路低高度钢筋混凝土板梁体外预应力加固中的应用研究

刘吉元，马 林

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

碳纤维板在重载铁路低高度钢筋混凝土板梁体外预应力加固中的应用研究

刘吉元，马 林

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

迄今，预应力碳纤维板应用于重载铁路钢筋混凝土梁加固改造的实例较少，其加固效果尚需深入研究。本文先阐述了体外预应力加固钢筋混凝土构件的设计思路，又根据现行铁路规范对加固前后梁体的应力、挠度及裂缝宽度进行了检算，并通过试验场内的静载试验验证了预应力碳纤维板加固钢筋混凝土板梁的加固效果。研究结果表明，采用预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁能够显著提高梁体受力性能，在1.2倍ZH荷载作用下能够满足运营要求，该技术可以在重载铁路加固改造中推广应用。

碳纤维板 重载铁路 钢筋混凝土板梁 体外预应力 加固

我国既有铁路上大量采用了钢筋混凝土梁。随着使用年限增长、车辆轴重增大、运营速度提高和运量的快速增加，钢筋混凝土梁尤其是低高度板梁的病害日益突出，如梁体钢筋应力增大、应力幅值超限、挠度偏大、梁底开裂严重、裂缝宽度超限等，从而导致结构承载力下降、耐久性降低。

通常对钢筋混凝土梁采用的加固方法有增大截面法、粘贴钢板法、改变结构受力体系法以及施加体外预应力法等［1-3］。在诸多加固方法中，体外预应力加固法作为一种主动加固法，通过张拉布置于结构本体之外的预应力筋对结构施加预应力，使结构产生负向弯矩，从而有效、主动地改善结构受力性能，提高结构极限承载能力。但因作为加固体系主要受力构件的预应力筋，如钢绞线、钢筋(棒)、钢丝绳等，通常置于加固构件外侧，容易受到环境影响而腐蚀破坏;致使一种能够有效替代预应力筋的体外束材料——碳纤维应运而生，并以其质量轻、抗拉强度高、耐腐蚀、耐久性能好等优点备受亲睐。

在梁体结构表面粘贴碳纤维板材或片材的加固方法在工程应用中较为常见，但粘贴的碳纤维材料产生的抵抗弯矩较小，不能消除结构初始变形和减小初始裂缝，碳纤维的高强性能也只有在钢筋屈服后才能得到利用。大量试验证明，将预应力技术和碳纤维板材相结合，采用体外预应力碳纤维板加固技术能有效解决这些问题。但采用碳纤维板加固铁路钢筋混凝土梁的应用实例较少，加固效果有待进一步研究。

1 加固设计

简支梁属静定结构，采用体外预应力加固后变为带柔性拉杆的一次超静定混合体系，但加固过程并未改变结构的支撑和约束体系，故加固后的结构体系仍为简支静定结构。桥梁加固一般在原桥位进行，施加预应力时梁体仍承受恒载(自重、二期恒载)作用，预应力施加完成后，梁体在恒载及预加力共同作用下处于平衡状态［4］。

采用体外预应力加固的钢筋混凝土梁，因选取的预应力度不同，在设计荷载作用下属于不同类型的结构。若所选预应力度较大，在设计荷载作用下梁体下缘不出现拉应力或不开裂，结构属于全预应力或部分预应力混凝土A类构件;若所选预应力度较小，梁体下缘出现裂缝，则结构属于部分预应力混凝土B类构件。对于重载铁路的低高度钢筋混凝土梁，为适应重载运输的要求，通过在梁体下缘张拉、锚固预应力碳纤维板对其进行加固，将钢筋混凝土梁变为部分预应力混凝土B类梁，从而达到降低恒载应力、改善活载应力的目的。

碳纤维板材抗拉强度高，抗弯折强度较低，直线配束更利于碳纤维板的受力;低高度板梁梁高较矮，预应力体系布置在梁体底面，可最大限度地提高加固效率;碳纤维板锚固点与支座间需预留一定距离作为张拉空间，综合考虑以上因素建立如图1所示的计算图式。

图1 体外预应力加固低高度钢筋混凝土梁计算图式

2 加固检算

本文以跨度12 m低高度钢筋混凝土板梁(图号:专桥(88)1024)为例进行相关的加固检算。跨度12 m低高度钢筋混凝土板梁，梁体全长12.5 m，计算跨度L=12.00 m，梁高h=0.85 m，腹板宽度1.1 m，截面轮廓及主筋布置见图2。梁体采用350号(C33)混凝土，单片梁重405.2 kN，梁底布有3层共计42根φ25纵筋。

图2 梁体截面轮廓及钢筋布置(单位:cm)

该板梁按中—活载设计，为适应重载运输要求而设定的加固改造目标荷载为1.2倍ZH活载(中—活载(2005))。计算荷载按以下取值:自重q1=29.40 kN/m;二期恒载q2=22.97 kN/m;活载分别按原设计活载与加固改造目标荷载计算，冲击系数1+μ= 1.286。内力计算结果见表1。

在满足碳纤维板锚固区域长度的前提下，确定L1=2.1 m，c=0.05 m，则有L2=7.8 m，h1=0.504 m;选取的碳纤维板截面尺寸为50 mm×3 mm，张拉控制力设为225 kN/条，在梁底布置5条碳纤维板时，加固前、后梁体的主要检算结果见表2。表中跨中挠度计算时截面惯性矩I不计受拉区混凝土，截面刚度取0.8EcI，自重作用产生的跨中挠度为6.3 mm;原梁混凝土容许压应力按文献［5］为13.53 MPa，按照文献［6］相当于C33混凝土，则容许压应力为14.80 MPa。

表1 跨度12 m低高度钢筋混凝土板梁内力计算kN·m

表2 梁体加固前、后主要检算结果

由上可知，采用5条碳纤维板加固后的跨度12 m低高度钢筋混凝土板梁，加固后比加固前(活载为1.2倍ZH活载)梁体钢筋应力降低了60.2 MPa，混凝土压应力降低了1.9 MPa，裂缝宽度减小了0.039 mm，跨中挠度减小了9.7 mm;相比原设计活载(活载为中—活载)钢筋应力降低了27.7 MPa，混凝土压应力增加了0.7 MPa(但仍满足规范要求)，裂缝宽度减少了0.015 mm，跨中挠度减小了4.1 mm。

3 加固效果验证试验

3.1 原梁静载试验方案

试验梁为2004年在某既有线修建复线时原桥位旁浇筑的一片12 m钢筋混凝土板梁，因当时拆模后发现梁体出现环形开裂而未使用，一直被弃置在桥位附近，2012年10月将其运至试验场开展相关研究。

试验加载时，纵向采用“两点+分配梁”即四点加载方式进行加载［7］。横向加载位置为梁体实际使用过程中钢轨在梁体顶面上的投影位置，见图3，试验现场照片见图4。加载共分为10级，其中第1级为二期恒载级，第7级为中—活载级(二期恒载+(1+μ)×中—活载)，第10级为1.2倍ZH活载(二期恒载+(1 +μ)×ZH活载×1.2)。

图3 静载试验纵向加载图式(单位:m)

图4 静载试验现场布置

3.2 静载试验的主要结果

1)试验中施加荷载小于1.2倍ZH活载时，钢筋应力与加载荷载等级呈线性关系，如图5给出了其中一根钢筋应变值随加载循环的变化曲线。加载至第7级时，钢筋应力最大值为134.6 MPa，考虑自重影响后钢筋应力为172.7 MPa;加载至第10级时钢筋应力为206.4 MPa，即1.2倍ZH活载作用下钢筋应力已超过容许应力180 MPa。

图5 钢筋应变随加载荷载变化曲线

2)梁体竖向挠度与加载等级的关系符合钢筋混凝土结构在荷载作用下的发展规律:第1循环加载时，梁体挠度与加载荷载的关系是非线性的，反映了梁体在加载过程中逐渐开裂的过程，在第2、第3循环加载(至中—活载级)时挠度与加载荷载的关系基本呈线性变化，反映了梁体在开裂后重新达到一个新的平衡状态，见图6。加载至中—活载级时，跨中左、右侧挠度平均值为14.6 mm;加载至1.2倍ZH活载级时为18.6 mm，挠度校验系数分别为0.63，0.65。

图6 跨中挠度与加载荷载关系

3)梁体存在大量初始裂缝，裂缝宽度随加载荷载等级基本呈线性发展，部分裂缝在二期恒载与设计活载作用下的裂缝宽度就已达到或超过规范允许值，见图7。

综上，通过对跨度12 m低高度钢筋混凝土板梁梁体应力、挠度、裂缝的测试及分析，表明试验梁本身状态较差，但能够满足设计活载作用下的使用要求;当活载增大至1.2倍ZH活载后，梁体的竖向承载能力突显不足。

3.3 加固后静载试验

2014年3月对该片板梁进行了碳纤维板体外预应力加固，即在梁体底面共布设5条碳纤维板，按照“3条+2条”方式锚固，详见图8。加固体系中采用的碳纤维板截面为50 mm×3 mm，极限抗拉强度2 500 MPa，弹性模量160 GPa。5条碳纤维板的张拉顺序为⑤→④→③→②→①，单条张拉应力1 500 MPa (225 kN)。

碳纤维板张拉过程中分3种工况对梁体进行了试验加载:工况1，张拉完第⑤、④根碳纤维板;工况2，张拉完第⑤、④、③、②根碳纤维板;工况3，张拉完全部5根碳纤维板，即加固完成后。各工况下静载试验的加载方式、加载等级与加固前相同。

图7 裂缝宽度与加载荷载关系

图8 梁体底面加固体系布置

1)对恒载的影响

张拉过程中对每条碳纤维板张拉前后梁体钢筋应变的变化量(负值为减小)进行记录并累计，得到自重与二期恒载作用下碳纤维板张拉的加固效果，见表3。由表可知，在自重与二期恒载作用下，张拉5条碳纤维板能使梁体下缘钢筋拉应力平均降低30.6 MPa(钢筋弹性模量为200 GPa)。

表3 碳纤维板张拉过程中钢筋应变增量×10-6

2)对活载的影响

分别在加固前、工况一、工况二及工况三(加固后)条件下对梁体进行了试验加载，加载至1.2倍ZH活载时所测试钢筋的应变值见表4。由表中碳纤维板加固前后梁体钢筋应变的变化量可知，在1.2倍ZH活载作用下，并张拉5条碳纤维板能使梁体下缘钢筋拉应力平均降低15.2 MPa。

实测碳纤维板加固前后，梁体钢筋应力减少30.6 +15.2=45.8 MPa，小于理论计算的60.2 MPa。分析原因主要有以下两点:①理论计算时碳纤维板中有效预应力取1 500 MPa，未考虑梁体压缩、锚具回缩等损失;②梁体已在1.2倍ZH活载下充分开裂，施加预压力后梁体需经过一段时间才能达到新的平衡状态。

3)对刚度的影响

碳纤维板加固前后梁体跨中挠度见表5。由表可知，1.2倍ZH活载作用下，加固前梁体左右侧跨中挠度平均值为18.6 mm，加固后为16.1 mm，减小13.4%。

表4 梁体加固前后1.2倍ZH活载作用下钢筋应变×10-6

表5 碳纤维板加固前后梁体跨中挠度mm

实测碳纤维板加固前后，梁体跨中挠度减少2.5 mm，相比加固前跨中挠度(6.3+18.6= 24.9 mm)减少10.0%，小于理论计算的27.7%，分析原因主要是理论计算时截面惯性矩I不计受拉区、截面刚度按0.8倍折减，施加的预加力对梁体产生的弯矩比实际要大，引起的反拱也偏大。

4 结论

通过理论分析及加固前后的试验验证，得到以下主要结论:

1)采用碳纤维加固跨度12 m低高度钢筋混凝土板梁，能够有效降低梁体钢筋应力、裂缝宽度，同时混凝土压应力小于规范限值。

2)原梁静载试验表明，试验梁本身状态较差，尚能够满足设计活载作用下的使用要求;当活载增大至1.2倍ZH活载后，梁体的竖向承载能力已不满足相关规范要求;采用5条碳纤维板加固后，恒载应力降低30.6 MPa，活载应力降低15.2 MPa，梁体刚度提高约13.4%，加固后的梁体能够满足1.2倍ZH活载的使用要求。

综上，采用预应力碳纤维板加固低高度钢筋混凝土板梁能够有效改善梁体受力性能，满足1.2倍ZH活载作用下的使用要求，加固效果显著，建议在重载铁路加固改造中推广应用。

［1］池绍进.体外预应力CFRP加固混凝土薄壁箱梁抗弯性能试验及分析［D］.长沙:湖南科技大学，2012.

［2］俞好爱，罗小秀，李德慧.某T构桥体外预应力及粘钢板综合法加固及效果［J］.铁道建筑，2012(11):31-33.

［3］邵华英，刘旋云.预应力混凝土连续梁桥维修加固技术的对比研究［J］.中外公路，2010(3):198-202.

［4］黄侨.公路钢筋混凝土简支梁桥的体外预应力加固技术［M］.北京:人民交通出版社，1998.

［5］中华人民共和国铁道部.TBJ 2—85铁路桥涵设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，1986.

［6］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号铁路桥梁检定规范［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［7］中华人民共和国铁道部.TB 2092—2003预应力混凝土铁路桥简支梁静载弯曲试验方法及评定标准［S］.北京:中国铁道出版社，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

(责任审编 孟庆伶)

2014-10-10;

2014-11-02

国家科技支撑计划项目(2013BAG20B00)

刘吉元(1983—)，男，山东临沂人，助理研究员，硕士。