在役桥梁预应力混杂纤维布加固后静载试验研究*

蔡晨宁，欧世坤，杨 杰，闫维明，艾 军

(1.南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京 210016；2.北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京 100124)

在役桥梁预应力混杂纤维布加固后静载试验研究*

蔡晨宁1，欧世坤1，杨 杰1，闫维明2，艾 军1

(1.南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京 210016；2.北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京 100124)

预应力混杂CFRP/GFRP纤维布加固是一种新型的主动预应力加固技术，为深入研究加固效果，结合某既有桥梁加固工程，在其空心板底面采用预应力混杂CFRP/GFRP纤维布加固，并进行了加固前后的静载对比试验研究。结果表明，采用该加固方法可显著降低空心板应力，增加抗弯刚度，有效抑制混凝土开裂。

预应力；混杂纤维布；桥梁加固；静载试验

结合某在役钢筋混凝土简支梁桥的预应力混杂CFRP/GFRP纤维布加固工程，对试验跨进行加固前后的对比性静载试验[1-2]，深入研究加固前后桥梁的承载力和挠度变化，并定量分析该新型加固方法对桥梁结构的加固效果。

1 工程概况

桥跨组合为13 m+16 m+16 m+16 m+13 m，横向布置为0.5 m+11 m+0.5 m，主桥上部承重构件采用12片钢筋混凝土预制板梁形式，下部结构采用重力式U型桥台，柱式桥墩，预制板为宽99 cm，高70 cm和宽99 cm，高85 cm 2种，混凝土标号C30，铺装层采用水泥混凝土。

该桥交通量大，超载现象严重，桥梁劣化明显。加固前的检测表明，该桥承载能力能满足设计要求的汽-20级荷载运营要求，但主梁底板裂缝分布较多，且多为荷载裂缝，在试验荷载作用下裂缝最大宽度达0.40 mm，已超过规范规定值；故建议对该桥裂缝进行修补。

2 加固方案

先剔除受侵蚀混凝土，表面用火碱水刷洗干净后用环氧结构胶进行找补处理。对宽度≥0.15 mm的裂缝采用改性环氧树脂胶压力注射灌缝处理，对宽度<0.15 mm裂缝采用改性环氧树脂胶表面封闭处理。对空心板采用预应力混杂CFRP/GFRP纤维布进行加固，在每块空心板下安装3道150 mm宽的单层混杂纤维布，板底喷涂保护层，并在板梁下部锚固钢板带，以提高横向刚度。空心板桥加固示意图如图1所示，空心板桥加固后板底图如图2所示。

图1 空心板桥加固示意图(单位：cm)

图2 空心板桥加固后板底图

3 静载试验设计

3.1 测点布置

为了进行加固前后的静载对比试验研究，加固后荷载试验采用的加载方案所选取的测试跨及测点布置与加固前荷载试验一致，并增加在纤维布上的测点。测试桥梁单跨由12片预制空心板组成，取半幅桥进行测试(6片板)。跨中截面混凝土测点布置如图2所示。碳-玻纤维布上的应变测点布置如图3所示。跨中竖向挠度和支点沉降采用位移计量取，位移计架设如图4和图5所示。

图2 跨中截面混凝土应变片布置

图3 跨中截面碳—玻纤维布上应变片布置

图4 跨中位移计布置

图5 支点位移计布置

3.2 荷载工况布置

根据考察荷载横向分布的需要及理论计算确定的不利加载工况，本试验加载工况如下。

1)工况Ⅰ：跨中截面位置偏载(见图6)。横向1号车外侧车轮中心距路缘石0.5 m，2号车外侧车轮中心距路缘石3.6 m。分2级加载，Ⅰ-1为图中1号车加载，Ⅰ-2为图中1号和2号车同时加载。

图6 跨中截面偏载加载布置图

2)工况Ⅱ：跨中截面位置对称布载(见图7)。横向两辆车车轮中心距为1.3 m，对称于桥面中心线布置。分2级加载：Ⅱ-1为1号车加载；Ⅱ-2为1号和2号车同时加载。

图7 跨中截面对称加载布置图

3)工况Ⅲ：横向分布加载。1号车中轴位于跨中截面，从下游外侧向下游移动横向位置，分5级加载：第1级，外侧车轮中心距路缘石0.5 m加载；第2级，外侧车轮中心距路缘石3.6 m加载；第3级，车中心线与桥面中心线一致加载；第4级，与第2级加载位置沿桥面中心线对称；第5级，与第1级加载位置沿桥面中心线对称。

4 试验检测结果

4.1 横向分布

该桥上部结构由12片空心板组成(测区边板记为1#，向另一侧板号依次增大)，各片板之间铰接，故板的理论横向分布系数可按铰接板法计算。该桥横向设置钢板带进行加固，为了解横向加固效果，同时采用刚接板理论计算横向分布系数，以便分布桥梁横向连接程度。各片板的横向分布系数计算值见表1。

表1工况Ⅲ各级荷载作用下各片板的横向分布系数(计算值)

工况1#板2#板3#板4#板5#板6#板Ⅲ-1铰接0.1590.1530.1400.1200.0960.077刚接0.1460.1350.1240.1120.1000.089Ⅲ-2铰接0.0780.0830.0920.1060.1130.112刚接0.0990.0960.0930.0900.0880.085Ⅲ-3铰接0.0620.0660.0720.0840.1010.111刚接0.0830.0830.0830.0830.0830.083Ⅲ-4铰接0.0510.0540.0600.0690.0830.100刚接0.0680.0710.0740.0760.0790.082Ⅲ-5铰接0.0320.0330.0370.0430.0510.062刚接0.0200.0320.0430.0540.0660.077

现场试验得到工况III各级荷载下各片板跨中截面的挠度值及横向分布系数见表2。横向分布系数计算公式为：

式中，fi为某截面第i片梁的测点挠度。

表2工况Ⅲ各级荷载作用下板跨中实测挠度值及横向分布系数

工况项目1#板2#板3#板4#板5#板6#板Ⅲ-1测点挠度/mm-0.793-0.738-0.688-0.595-0.523-0.415横向分布系数0.1550.1440.1350.1160.1020.081Ⅲ-2测点挠度/mm-0.498-0.538-0.545-0.573-0.638-0.643横向分布系数0.0800.0860.0870.0920.1020.103Ⅲ-3测点挠度/mm-0.408-0.468-0.500-0.543-0.615-0.653横向分布系数0.0640.0730.0780.0850.0970.102Ⅲ-4测点挠度/mm-0.395-0.405-0.458-0.440-0.508-0.615横向分布系数0.0630.0650.0730.0700.0810.098Ⅲ-5测点挠度/mm-0.100-0.160-0.208-0.253-0.313-0.328横向分布系数0.0200.0310.0410.0490.0610.064

将试验得到的1#～6#板横向分布系数，与按铰接板和刚接板理论计算横向分布系数进行对比，结果如图8所示。由图8可知，实测值与计算值分布趋势吻合较好，无单板受力现象，且实测曲线基本上介于铰接计算曲线及刚接计算曲线之间，表明钢板加固增强了各片板之间的横向联系，横向刚度增大，使各片板的受力较为均匀，优于理想铰接状态。

图8 跨中截面荷载横向分布系数对比

4.2 位移分析

试验工况I为跨中弯矩控制偏载，工况II为跨中弯矩控制对称加载，本次试验与加固前试验及理论挠度对比结果见表3～表5。

表3单车偏载作用下跨中截面挠度测试值与理论值对比

工况项目1#2#3#4#5#6#Ⅰ-1加固前实测挠度Se/mm-0.63-0.72-0.83-0.70-0.62-0.42加固后实测挠度Se/mm-0.66-0.70-0.76-0.53-0.62-0.41理论挠度Ss/mm-3.18-3.07-2.81-2.53-2.34-2.04加固前校验系数Se/Ss0.200.230.290.280.260.20加固后校验系数Se/Ss0.210.230.270.210.260.20

表4双车偏载作用下跨中截面挠度测试值与理论值对比

工况项目1#2#3#4#5#6#Ⅰ-2加固前实测挠度Se/mm-0.78-0.97-1.04-1.28-1.42-1.30加固后实测挠度Se/mm-1.21-1.50-1.36-1.06-1.33-1.09理论挠度Ss/mm-4.79-4.77-4.72-4.41-4.16-3.95加固前校验系数Se/Ss0.160.200.220.290.340.33加固后校验系数Se/Ss0.250.310.290.240.320.28

表5双车对称加载作用下跨中截面挠度测试值与理论值对比

工况项目1#2#3#4#5#6#Ⅱ-2加固前实测挠度Se/mm-0.83-0.92-1.20-1.23-1.31-1.34加固后实测挠度Se/mm-0.84-0.91-1.04-0.84-1.21-1.09理论挠度Ss/mm-2.78-2.95-3.26-3.60-3.86-3.99加固前校验系数Se/Ss0.300.310.370.340.340.34加固后校验系数Se/Ss0.300.310.320.230.310.27

表中挠度校验系数均<1，表明实桥状态优于理论状态，该桥的刚度满足设计荷载要求[3-5]。这是由于钢板带加固后横向刚度增强，各板参与作用的程度提高；混杂纤维加固后板的刚度提高较大，加固改善了桥梁的刚度及受力性能。

4.3 残余挠度分析

残余挠度分析可以反应板的工作状态，相对残余变位越小，说明结构越接近弹性工作状况。本桥加固前后工况I、II荷载作用下跨中截面测点的残余挠度对比见表6和表7。

由表6和表7可知，加固前后板的相对残余挠度均小于《桥梁承载能力检测评定规程》规定的限值20%，表明工况I、II下各片板处于弹性工作阶段。

表6 工况Ⅰ(偏载双车)跨中截面测点残余挠度对比表

表7 工况Ⅱ(对称加载双车)跨中截面测点残余挠度对比表

4.4 混凝土应变分析

在工况Ⅰ、Ⅱ荷载下实测弹性应变及计算应变见表8～表10。

表8 工况I单车荷载下跨中截面应变分析

表9 工况I双车荷载下跨中截面应变分析

表10 工况II双车荷载下跨中截面应变分析

由表8～表10可知，工况Ⅰ、Ⅱ下的各片板跨中截面各测点应变校验系数均<1，表明板的实际状况优于理论状况，能满足设计荷载的正常使用要求。且加固后混凝土应变普遍比加固前降低，表明加固用的混杂纤维布参与了受力，使板的混凝土应力水平降低，对板的受力起到了改善作用。

4.5 纤维布应力分析

在工况I、II荷载下，1#～6#板下纤维布上的应变见表11。

由表11可知，工况Ⅰ、Ⅱ荷载下，纤维布上产生了弹性应变，表明纤维布参与板受力，发挥了作用，且纤维布的应变与混凝土的应变在一个数量级上，表明纤维布与混凝土能够协同工作。

表11 工况Ⅰ、Ⅱ荷载下纤维布实测应变 (με)

5 结语

1)加固前后的静载试验结果对比分析表明，桥梁结构的内力分布得到明显改善，桥梁承载能力得到显著提高，在标准荷载作用下的梁体跨中变形显著减小，加固后桥梁的强度及刚度满足规范要求，达到加固设计目标。

2)在荷载作用下，纤维布上产生了弹性应变，且应变随着荷载的增加而增大，表明纤维布参与板受力，发挥了作用。纤维布的应变与混凝土的应变在一个数量级上，表明纤维布与混凝土能够协同工作，预应力纤维布主动加固效果较为显著。该桥的成功加固及静载试验证明了预应力混杂CFRP/GFRP纤维布加固技术具有较大的工程实用价值。

[1] 宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2] 范立楚.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 中华人民共和国建设部.GB 50010—2002 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[4] 中华人民共和国交通部.JTGD 62—2004 公路感觉混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]. 北京：人民交通出版社,2004.

[5] 中华人民共和国建设部.GB 50367—2006 混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

*北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室开放项目江苏省交通科学研究计划资助项目(2012Y10)

责任编辑马彤

ResearchontheStaticLoadTestsofaBridgeinServiceafterStrengtheningwithPre-stressedC/GFRPSheets

CAI Chenning1, OU Shikun1, YANG Jie1, YAN Weiming2, AI Jun1

(1.Department of Civil Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China;2.Beijing Priority Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Using pre-stressed C/GFRP sheets to strengthen structure is an initiative prestressed reinforcement technology. To make an intensive study of the effect of reinforcement, an aging hollow slab bridge is strengthened with pre-stressed C/GFRP sheets, and a research on comparison of the static load tests before and after strengthening is done. The results show that this technology could effectively reduce stress of the hollow slabs and improve the bear capacity. The cracking of concrete can be restrained.

pre-stressed, C/GFRP sheets, reinforcement, static load tests

U 445.7

：A

蔡晨宁(1980-)，男，工程师，主要从事结构加固与评定等方面的研究。

2014-10-09