预应力碳纤维加固技术在某大桥中的应用

周杰峰

(济南市市政工程设计研究院(集团)有限责任公司 250101)

引言

近年来,随着国民经济的快速发展,我国的交通事业无论是建设规模还是建设标准都有了一个大跨度、超常规的发展。桥梁作为交通道路的一部分,桥梁荷载呈现以下特点: (1)交通量不断增大; (2)重型车辆和超载现象严重; (3)超限运输增加。由于桥梁的承载能力有限,许多桥梁都不堪重负出现了裂纹、沉陷等各种破坏。桥梁是确保道路畅通的咽喉,旧桥的检测和加固迫在眉睫。

旧桥加固技术是一门新的课题。目前,关于混凝土桥梁加固方法主要有: (1)结构性加固,如采用体外预应力、在结构的受拉区粘贴钢板或增设钢结构支撑; (2)非结构性加固,如对裂缝进行封闭或压浆处理; (3)最近几年流行的预应力碳纤维复合材料(CFRP)加固技术,使加固技术发生了根本的变化。预应力碳纤维加固桥梁技术,是将体外预应力的主动加固技术优点与碳纤维复合材料高强度、高性能结合在一起,利用碳纤维板作为预应力筋材,通过特殊的张拉、锚固装置,对碳纤维板施加预应力并锚固于加固桥梁上部结构构件上,与桥梁受弯受拉构件通过环氧结构胶粘结以承载拉应力; 降低结构挠度,减小结构变形,提高结构刚度。

相比于传统加固方法,预应力碳纤维加固技术具有以下优势: (1)未增加构件截面及自重,耐疲劳、耐久性好,施工便捷(不中断交通)。(2)无大量钻孔破坏结构之忧患,无焊接质量及安全之隐患,无湿作业环境污染。本文结合临沂市北京东路程子河大桥加固工程,详细说明了采用预应力碳纤维板的加固设计方案,并借助有限元软件对加固前后的受力情况进行了对比分析,以期为其他类似工程提供参考。

1 工程概况

现状桥为12 跨20m 简支板桥,正桥,桥梁总宽24.5m,桥面布置为50cm 防撞护栏+23.5m车行道+50cm 防撞护栏。现状桥横断面分三部分,中间部分为2000 年修建,设计标准为公路-Ⅱ级荷载; 两侧部分加宽桥梁均为2008 年修建,标准为公路-Ⅰ级; 桥梁加宽时,利用了中间老桥边梁,移至加宽桥梁外侧; 现状桥上部主梁分布情况如图1 所示。

现状桥上部结构为钢筋混凝土T 型主梁,桥面铺装为12cm 钢筋混凝土现浇层,每4 跨为1联设1 道伸缩缝,每联2 跨之间设置桥面连续;下部结构采用桩柱接盖梁式桥墩,埋置式肋板接盖梁式桥台,钻孔灌注桩基础; 东西两侧桥台位置设置锥坡,现状桥上、下结构分别如图2所示。

图1 主梁分布情况Fig.1 Distribution of main beams

图2 现状桥上、下部构造Fig.2 Upper and lower current bridge construction

2 原桥检测结果

在多年运营过程中,由于外界自然条件及过往车辆荷载的影响,本桥的主梁、横隔板等主要构件均发生不同程度破损(图3)。

图3 主梁破损Fig.3 Main beam failure

根据本桥原桥检测报告,主要有如下几种情况:

(1)现状桥按公路-Ⅱ级设计部分,边梁不满足公路-Ⅱ级承载力要求,建议换板或进行承载力提升。中间主梁刚刚满足承载力要求,个别梁挠度偏大。主梁应进行加固,提升结构刚度和承载力。

(2)现状桥按公路-Ⅰ级设计部分主梁满足设计要求。

(3)主梁横向联系偏弱,横隔板破损严重;外观破损、露筋等。

3 主梁加固方案

现状主梁为钢筋混凝土结构,上翼缘总宽150cm、高135cm、腹板宽18cm,单跨主梁长度1996cm,构造尺寸如图7 所示。

图7 现状主梁一般构造Fig.7 General construction of main girder

根据原桥检测结果,需对中间部分桥梁主梁结构进行补强,以提升构件刚度及截面承载能力。结合以往工程案例,考虑采用加固效果更明显的预应力碳纤维板进行加固。由于现状T 梁腹板尺寸仅为18cm,根据碳纤维板的工作空间要求,梁底最多布置3 条20mm 宽、3.0mm 厚的碳纤维板,图8 为梁底碳纤维板张拉示意。

图8 梁底碳纤维板张拉示意Fig.8 Tension diagram of carbon fiber plate at the bottom of the beam

碳纤维板极限拉伸强度为2400MPa,极限承载力为144kN,安装自由长度取17.5m,采用单端张拉,张拉时按张拉应力、伸长量双向控制,张拉控制应力为200MPa ～1500MPa,控制应变为6%。表1 为碳纤维板力学性能,表2 为碳纤维板尺寸偏差。

表1 碳纤维板力学性能Tab.1 Mechanical properties of carbon fiber plates

表2 碳纤维板尺寸偏差Tab.2 Deviation of carbon fiber sheet size

4 加固效果验证

4.1 规范验算内容

根据《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2013)11.2.6 要求,采用预应力碳纤维复合板加固的钢筋混凝土受弯构件,应进行正常使用极限状态的抗裂及变形验算,并进行预应力碳纤维复合板的应力验算。

1.正截面承载能力验算

各参数解释参照《混凝土结构加固设计规范》(GB50367 -2013)11.2.4。

2.挠度验算

根据《混凝土结构加固设计规范》(GB50367 -2013)11.2.6 及11.2.9 要求计算,出现裂缝的受弯构件,其抗弯刚度按式(2)计算:

各参数解释参照《混凝土结构加固设计规范》(GB50367 -2013)11.2.9。

3.裂缝验算

在荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度按式(3)计算:

各参数解释参照《混凝土结构加固设计规范》(GB50367 -2013)11.2.8。

4.正截面抗裂验算

由预加力产生的法向应力为:

各参数解释参照《混凝土结构设计规范》(GB50010 -2010)10.1.6。

4.2 有限元计算

1.计算假定

根据《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2013)11.2.3 要求,采用预应力碳纤维复合板对梁、板等受弯构件进行加固时,除应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010 -2010)正截面承载力计算的基本假定外,尚应符合下列补充规定:

(1)构件达到承载能力极限状态时,粘贴预应力碳纤维复合板的拉应变按截面应变保持平面的假设确定。

(2)碳纤维复合板应力等于拉应变与弹性模量的乘积。

(3)在达到受弯承载力极限状态前,预应力碳纤维复合板与混凝土之间的粘结不致出现剥离破坏。

2.计算结果及分析

借助桥梁博士有限元计算软件,对桥梁加固前后在正常使用荷载组合及承载能力荷载组合下进行计算分析; 按10cm 混凝土铺装计入板截面活载受力,分别计算公路-Ⅰ及公路-Ⅱ级荷载下的结构受力,加固前后横向分布系数分别按成桥检测最大0.58 和0.385 考虑,计算结果及对比如表3 所示。

表3 计算结果对比Tab.3 Comparison of calculation results

根据规范要求,正常使用荷载组合下进行结构的挠度和抗裂验算,承载能力荷载组合下进行结构的强度验算。从表3 可以看出,加固完成后,桥梁的刚度、正截面抗裂以及承载能力有明显提高,桥梁的受力性能明显改善,其中挠度和正应力均满足规范要求,裂缝明显减小,基本能达到设计要求。

5 结语

桥梁加固是一个涉及面广、受现实因素影响大、技术复杂的科研课题,需针对具体桥型、病害状况、结构承载力等内容进行具体研究,本文结合工程实例,详细说明了应用预应力碳纤维加固的设计方案,并采用有限元软件对加固前后的受力情况进行了对比分析,验证了预应力碳纤维板加固技术可降低结构挠度,减小结构变形,提高加固构件的极限承载力及结构抗弯刚度。与传统被动加固相比,其可有效愈合既有桥梁结构的裂缝病害,抵御新的结构裂缝产生,延长桥梁的使用寿命。