外部粘贴预应力碳纤维板加固T梁桥极限承载能力研究

冯春恒(秦皇岛市公路管理处，河北 秦皇岛066000)

外部粘贴预应力碳纤维板加固T梁桥极限承载能力研究

冯春恒
(秦皇岛市公路管理处，河北 秦皇岛066000)

对承载能力不满足要求的装配式混凝土T梁桥采用外部粘贴预应力碳纤维板进行加固，为得到加固后的装配式混凝土T梁桥的极限承载力，利用Midas有限元软件建立了外部粘贴预应力碳纤维板加固混凝土T梁桥空间有限元计算模型，进行了加固后装配式混凝土T梁桥极限承载力的全过程分析。研究结果表明：采用外部粘贴预应力碳纤维板对装配式混凝土T梁桥进行加固，可以充分发挥碳纤维板的高强特性，减小混凝土的应力，改善混凝土T梁的受力性能，延缓裂缝的产生；提高混凝土T梁的屈服荷载、极限荷载，使混凝土T梁的承载能力得到提高；增大T梁的刚度，使T梁的挠度明显减小，变形得到有效控制。

桥梁工程；体外预应力碳纤维板；有限元法；极限承载力

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.017

1 引言

目前,国内普通钢筋混凝土桥梁常用的加固方法有增大截面、粘贴钢板或碳纤维材料、体外预应力等[1]，这些方法虽然都能够解决一些问题，但是同时存在各种不足，其中增大截面施工难度较大，费用较高；粘贴碳纤维材料[2]或钢板由于被动受力，实际效果有限；而体外预应力存在受力状态不一致，容易松弛、后期养护较为麻烦等不利因素。因此，研究新型的加固技术，最大程度地发挥材料性能，工艺上简单可靠，将是未来普通钢筋混凝土梁桥加固，特别是T型梁桥加固的发展方向，在我国公路桥梁加固具有巨大的需求[3]。

预应力碳纤维板为有黏结预应力，与无黏结的体外预应力钢绞线相比，在抑制裂缝、提高结构的抗弯承载能力方面也具有更突出的性能[4]。本文利用Midas有限元软件，对桥梁因病害造成结构耐久性及承载能力不满足要求的桥梁，采用体外预应力碳纤维板加固的混凝土T梁桥进行极限承载力全过程数值仿真分析。

2 工程概况

大蒲河桥右桥位于沿海路（S364）K73+980km处，昌黎县境内。该桥上部结构为19～20m预制混凝土T梁，梁高130cm，各跨由6片T梁组成，标准跨径20m。下部结构为桩柱式墩台，交角90°。S364省道加宽后，在其下游新建一并行的简支板梁桥，原桥即作为整个桥的右半幅运营。桥梁右幅宽度为：行车道9m+2×0.5m的防撞护栏，桥梁全长380m，桥面铺装为沥青混凝土。桥梁设计荷载为汽车-20级，挂车-100。混凝土T梁几何尺寸如图1所示。

图1 混凝土T梁几何形状

对T梁梁底粘贴预应力碳纤维板提高其正截面抗弯承载能力。梁底粘贴宽100mm、厚1.4mm的预应力碳纤维板，长度16m。加固T梁为每孔2、3、4、5号T梁。

3 预应力碳纤维板施工

碳纤维板和粘贴碳纤维板配套树脂应采用与碳纤维配套的底层树脂、找平材料和浸渍树脂，其安全性和适配性必须满足《公路桥梁加固设计规范》（JTG/TJ22—2008）A级胶的要求，浸渍树脂和黏结树脂采用环氧结构胶。

3.1 方案设计、锚具制造

根据本桥工况设计加固方案，确定碳纤维板规格、张拉力、加固位置等。生产厂家根据设计方案制作碳纤维锚具，与碳纤维板配套制成成品。

3.2 现场施工准备

准备施工所需的材料及工具根据现场条件搭建施工支架或平台。

3.3 施工工艺

加固前对梁面缺陷及裂缝进行修复处理，对千斤顶进行标定，锚固区定位，混凝土梁面按照设计图纸进行切割挖槽，在碳纤维板经过之处涂抹找平胶进行表面找平；化学锚栓打孔、植筋；安装固定端及张拉端锚固体系；安装千斤顶，张拉碳纤维板；在碳纤维板上每隔3m处用螺栓安装固定一件压紧条。压紧条与碳纤维板接触面需涂抹黄油或塞一层橡皮垫，以免损伤碳板；在碳纤维板表面刷涂保护层，两端锚头防护处理。

3.4 施工要点

1）用丙酮或酒精将碳纤维板与梁面结合的一面清理干净，然后采用碳纤维粘贴胶均匀地涂抹在碳纤维板上，涂抹时应中间厚两边薄，中间涂抹厚度≥5mm,如碳纤维板与梁间距较大，涂抹厚度应相应增加。

2）先在固定端安装上碳纤维板，再在张拉安装上碳纤维板。

3）在张拉端安装千斤顶，确保千斤顶中心线与碳纤维板中心线重合，用手动油泵给千斤顶加力，为碳纤维板增加10%的应力，使其绷直预紧。然后回油灌力归零，再次检查整个锚固体系位置及外观结况。记录张拉锚具、千斤顶活塞等的初始位置。

4）检查正常后开始张栓，按照10%，20%，30%，40%…90%，100%的应力张拉。每段张拉到位后拧紧预紧锚具。保压2min，测量并记录锚具、活塞等位移情况。检查锚固体系各部分受力情况。

5）当位移超出千斤顶行程时，先用锁紧螺母拧紧张拉杠杆，记录此时的张拉力。再卸去千斤顶油泵压紧回程。然后在千斤顶与张拉装置之间垫入合适厚度的钢段，重新用千斤顶张拉，在张拉力达到此前张拉值时继续平稳给力张拉至规定值。

6）当张拉力施加到100%时，拧紧锁紧螺母，记录数据并保压2min。观察无异常现象后卸力。拆除工具拉杆、千斤顶。如张拉杆过长可切除，但锁紧螺母后至少留30mm。

4 持久状况承载能力极限状态验算

4.1 加固前荷载效应S、抗力效应R验算

依据对既有桥梁缺损状况、材质状况与状态参数评定，以及实际运营荷载状况调查，确定如下各分项检算系数：结构检算系数Z1取1.0，耐久性恶化系数ξe取0.12，截面折减系数ξc取0.98，钢筋截面折减系数ξs取1，活载影响修正系数ξq取1.2。

采用MidasCivil软件对单跨20m全桥简支T梁建立梁格杆系模型，如图2所示，主要荷载作用为自重、二期恒载、预加力(新增碳纤维板预加力)、活载、竖向梯度温度效应、支座不均匀沉降等。

图2 有限元梁格模型

持久状况下承载能力极限状态需要考虑的荷载有：自重、预加力(新增碳纤维板预加力)、活载、支座不均匀沉降、竖向梯度温度，需按《公路桥涵设计通用规范》（JTJ160—2004）进行荷载效应组合。

利用MIDAS计算控制截面的最不利弯矩效应值S为2330kN·m，截面的弯矩抗力计算值R为2850kN·m。已经不能满足规范既有桥梁承载能力评定式(1)的要求：

式中，S为荷载效应函数；R为抗力效应函数；fd为材料强度设计值；adc为构件混凝土几何参数值；ads为构件钢筋几何参数值；γ0为结构重要性系数。

4.2 加固后抗力效应R验算

对T梁进行加固采取底面粘贴预应力碳纤维板，张拉锚固梁端方式。

经软件计算验算控制截面不利效应弯矩值S为2330 kN·m，截面计算弯矩抗力R为3752kN·m。

γ0S=1.1×2330=2563kN·m

RZ（11-ξe）=3752×1.0×0.88=3301.8kN·m

γ0S＜RZ（11-ξe）

满足式(1)既有桥梁承载能力评定要求。

4.3 加固前后T梁跨中变形对比

未对T梁加固前，在自重和二期恒载作用下T梁1#梁跨中最大挠度为-12.59mm，加固后挠度值为-11.43mm，加固前3#梁跨中最大挠度为-12.31mm，加固后挠度值为10.96mm。加固后挠度值均有所减小，说明采用体外预应力碳纤维板加固混凝土T梁，增大了构件的刚度，加固后T梁跨中在自重作用下变形减小，使构件变形得到有效的控制（见表1）。

5 结论

1)采用体外预应力碳纤维板加固混凝土T梁，增大了构件的刚度，加固后T梁跨中在自重作用下变形减小，使构件变形得到有效的控制。

表1 加固前后各T梁在自重和二期恒载作用下挠度值对比

2)由加固后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，满足承载力及变形要求，达到加固设计目标。

3)对碳纤维板加固混凝土T梁桥的极限承载力进行全过程数值仿真，分析得出采用碳纤维板加固后的桥梁，钢筋及混凝土应力相应减小，改善构件的受力性能，充分发挥了碳纤维板高强的特性，使T梁的极限荷载及承载能力得到提高。

【1】蒙云，卢波.桥梁加固与改造[M].北京：人民交通出版社，2004.

【2】韦成龙，朱伟清.碳纤维布加固桥梁结构的应用与研究现状及展望[J].湖南交通科技，2008，34(3)：86-89．

【3】于清.FRP的特点及其在土木工程中的应用[J].哈尔滨建筑大学学报，2000，33(6)：26-30．

【4】叶列平，庄江波，曾攀.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土T形梁的试验研究[J].工业建筑，2005，35(8)：7-12．

AnalysisofUltimateBearingCapacityforTGirderBridgeStrengthenedby ExternalBondedPrestressedCarbonFiberBoard

FENGChun-heng
(Qinhuangdaoroadadministration,Qinhuangdao066000，China)

The prefabricated concrete T girder bridge which cannot meet the requirements of the load bearing capacity wasreinforced by external bonded Prestressed carbon fiber board, In order to evaluate the ultimate bearing capacity of the strengthened Tgirder bridge，the finite elementmodel of concreteT girder bridge strengthened by external bonded Prestressed carbon fiber boardwasestablished with theMidas finite element software，and analysis of the ultimate bearing capacity for the bridge was performed．Thenumerical result shows that：The stresses of steel stand and concrete can be reduced，the mechanical properties of T girder can beimproved，and the emergence of cracks can be delayed by the presented strengthening method because of full play of the T girdercharacteristics of external bonded Prestressed carbon fiber board；the increased yield and ultimate loads lead to improving the bearingcapacity of the concrete T girder；due to the increase of the stiffness of T girder，the vertical deflection can be dramatically decreasedand the deformationCanbe effectivelysuppressed．

bridge engineering；external bondedprestressed carbonfiberboard；finite elementmethod；ultimatebearingcapacity

U448.21+2

A

1007-9467（2016）12-0075-03

2016-03-29

冯春恒（1970～），男，山东潍坊人，高级工程师，从事桥梁建设、运营及维修加固技术研究。