碳纤维片材对变截面连续梁桥结构加固研究

刘 锦，李峰辉

（1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2. 郑州市交通规划勘察设计研究院，郑州 450000）

碳纤维片材对变截面连续梁桥结构加固研究

刘 锦1，李峰辉2

（1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2. 郑州市交通规划勘察设计研究院，郑州 450000）

利用有限元软件桥梁博士V3.1.0建立变截面连续梁桥的模型，分别在梁体模型的顶板和底板粘贴碳纤维片材后的结构进行加载计算，通过计算分析碳纤维片材加固梁体结构的受力，确保桥梁加固后的使用安全。结果表明，采用碳纤维复合材料（CFRP）加固的梁体，能有效提高桥梁的承载力，防止裂缝的进一步扩大。

碳纤维片材；连续梁；结构加固；应力计算

0 引言

随着我国交通事业的发展，公路交通量的不断增加，很多桥梁已经出现了各种病害，如梁体开裂、钢筋裸露等。传统加固桥梁的方法有增加截面、增补桩基等，但因施工时间长，桩基深度有限[1～2]，在很多桥梁加固中受到限制。而碳纤维加固技术因为高强高效、耐腐蚀、不增加自重、便于施工等优点被广泛采用[3]。碳纤维无论是片材还是棒材，加固桥梁都有显著的优势，实验表明，用质量30 t重车对碳纤维片材加固的大箱梁加载，梁体裂缝没有继续扩大，挠度小于规范值，碳纤维片材在弹性范围内[4～5]，陆洲导等人在研究变截面箱梁加固中指出，碳纤维片材对桥梁裂缝处理能取得良好的效果[6～7]。

通过有限元软件计算可知，用碳纤维片材加固后的桥梁不仅承载力得到较大的提高，同时动力特性也恢复到较好的水平，主梁的刚度也有所改善[8]，同样，对于配筋较低或钢筋锈蚀严重的梁、板进行抗弯和抗剪加固，也能取得很好的效果[9]。

研究主要介绍了碳纤维片材对变截面连续梁桥加固后取得的效果，运用有限元软件桥梁博士，依托工程实例简要分析桥梁加固后的受力特点，确保桥梁使用安全。

1 工程概况

射阳河大桥位于329省道阜宁城区改线段，在k009＋707.006处跨越射阳河，该桥中心线与射阳河航道中心线正交，射阳河航道为V级，通航净空为B＝60 m、H＝5 m的矩形，主桥采用3跨连续梁跨越射阳河航道，两侧引桥采用30 m预应力混凝土组合箱梁，孔跨布置为（6×30）+（50+80+50）+（6×30）m，桥梁全长547.28 m，桥梁宽度组成为2×0.5 m（组合式护栏）＋11.5 m（行车道）+0.75 m（波形护栏），左右幅桥相隔0.5 m，桥梁总宽26 m，见图1。

后期使用时发现，在射阳河大桥梁体的下缘和箱梁顶板下缘出现不同程度的裂缝，为保证桥梁使用安全，防止裂缝进一步扩大，设计决定采用碳纤维片材进行加固处理，恢复桥梁的承载力。

2 碳纤维片材特性及其加固方案

2.1 碳纤维片材特性

碳纤维复合材料在破坏之前能保持很好的线弹性变化，在碳纤维片材补强加固计算分析中，可以认为其应力/应变为线性关系，该直线的斜率即为碳纤维增强复合材料的拉伸弹性模量[10]。加固使用碳纤维片材的基本性能见表1。

图1 主桥连续梁主体布置图

图2 碳纤维片材加固示意图

2.2 加固方案

加固部位主要是箱梁的底板和顶板。首先，处理箱梁底板下表面和顶板下表面，用砂纸打磨平整光滑；其次，在打磨后的混凝土表面涂刷一层底层树脂，然后涂刷碳纤维浸渍树脂，涂刷完成后每隔25 cm在底板下表面纵向粘贴一层碳纤维片材，在顶板下表面每隔25 cm横向粘贴一层碳纤维片材，为增加牢固，中跨设置两层碳纤维片材（具体方案见表2）；最后，待树脂粘结固化好，在碳纤维表面涂浸渍树脂，以起到对碳纤维和树脂的保护作用，见图2～4。

3 全桥结构分析

3.1 有限元分析

有限元法，是根据桥梁不同的结构建立不同的模型，将模型离散成微小的有限的单元进行模拟，利用有限元方法得出数值解，用求得的有限数值解反映无限的数值解。有限元的程序能快速准确计算，极大的提高了效率，虽然只得出节点数值，但通过有限节点数据的分析可以反映全桥的受力状态，能满足工程的要求。

结构分析采用平面有限元桥梁专用软件桥梁博士V3.1.0，全桥共分为96 个单元，结构离散图见图5。

表1 碳纤维片材基本力学性能表

表2 碳纤维片材加固方案

图3 碳纤维施工

3.2 荷载类型

3.2.1 永久荷载

⑴ 恒载

一期恒载，主梁和钢束自重；

二期恒载，桥面铺装和护栏自重。

钢筋混凝土密度取2 650 kg/m3，桥面混凝土铺装采用2 550 kg/m3，沥青混凝土铺装采用2 449 kg/m3；按图纸计算出混凝土护栏的密度为942 kg/ m3，波形梁护栏密度为336 kg/m3。

⑵ 预应力

纵向预应力采用φs15.2高强度低松弛钢绞线，标准强度1 860 MPa，设计张拉应力1 395 MPa；竖向预应力JL32精轧螺纹钢筋，标准强度785 MPa，设计张拉力543.0 kN。

⑶ 收缩徐变

按照《公路桥涵设计通用规范》取值。

⑷ 支座不均匀沉降

图4 碳纤维片材施工流程图

主墩2.0 cm，边墩1.0 cm。

3.2.2 基本可变荷载

设计荷载标准：公路-I级

3.2.3 其他可变荷载

①温度荷载。系统温度，温度变化±25 ℃；温度梯度，按照《公路桥涵设计通用规范》取值。

②地震作用。地震动峰值加速度0.1 g。

3.3 计算结果

⑴ 正应力计算

① 抗裂计算。持久状况正常使用极限状态在作用短期效应组合下，主梁应力见图6：

从图6中可以看出，主梁上缘均为压应力，上缘最小压应力为0.16 MPa，下缘跨中出现了拉应力，最大法向拉应力为-0.79 MPa，若按照全预应力构件的要求，截面不能出现拉应力，跨中部截面未能满足正截面抗裂要求。

② 压应力计算（持久状况应力验算）。持久状况正常使用极限状态在作用标准组合下，主梁应力见图7。

新《公桥规》第7.1.5条规范：使用阶段对未开裂构件，预应力混凝土受弯构件正截面混凝土最大压应力，应符合下列公式⑴规定：

式中：σkc为混凝土法向压应力；σpt为预加力产生的混凝土法向拉应力；ƒck混凝土轴心抗压强度标准值（本桥为C50混凝土，取32.4 MPa）。

本桥在标准组合下上缘最大压应力为15.15 MPa，下缘最大压应力为12.57 MPa，均小于规范规定的0.5ƒck＝0.5×32.4＝16.2 MPa，计算得出，梁体各个截面都能满足压应力要求。

图5 结构离散图

图6 短期效应组合下主梁上下缘最小法向应力

⑵ 主应力计算

① 短期效应组合Ⅱ下主拉应力见图8。新《公桥规》第6.3条规范：斜截面抗裂应对构件斜截面混凝土的主拉应力进行计算，全预应力混凝土构件，在作用（或荷载）短期效应组合下，现场浇筑构件应符合公式⑵要求。

式中：σpt为构件混凝土中的主拉应力；ƒtk为混凝土轴心抗拉强度标准值（C50混凝土取2.65 MPa）；

本桥主梁在作用短期效应组合下，边跨约1/4处及中跨1/4处最大主拉应力值最大，分别为1.54 MPa和1.66 MPa，均大于0.4×2.65 MPa =1.06 MPa，不能满足规范规定要求。

② 标准主压应力见图9。新《公桥规》第7.1.6条规范：使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土的主压应力，应符合下列公式⑶：

式中：σcp为构件混凝土中的主压应力。

本桥在标准组合下有最大主压应力15.2 MPa≤0.6×32.4 MPa=19.4 MPa，满足规范要求。

③ 主桥箱梁抗弯极限承载力计算。箱梁纵向抗弯极限承载力计算表明，运营阶段所有区域荷载效应组合值均小于主梁的承载能力设计值，主桥箱梁抗弯承载力满足规范要求，见图10～11：

由图10～11可见，承载能力极限状态下全桥的正截面抗弯强度满足要求。

4 主桥桥面板受力计算

图7 标准组合下主梁上下缘法向最大压应力

图8 短期效应组合下主梁下缘最大主拉应力

图9 标准组合下主梁最大主压应力

图10 最大弯矩及其对应抗力图

主桥桥面板采用横向框架计算模式，沿主梁纵向取出1 m宽度，将车轮荷载按有效分布宽度计算出作用在每延米桥面板的荷载值为25 kN/m（单个车轮），冲击系数取1.3，非线性温度按照通用规范取值，在其实际作用范围按横向最不利加载。

箱梁横向计算共划分50 个单元，其中桥面板单元为1～30，结构离散图见图12。

在短期荷载作用下，计算桥面板正应力、主拉应力，在标准荷载作用下，计算法向压应力、主拉应力等，计算结果见图13。

从图13-a中可以看出，正常使用极限状态短期效应组合下，行车道板上缘法向最大拉应力为-1.31 MPa≤0.70ƒtk=0.7×2.65= -1.855 MPa，能满足规范要求，而下缘最大拉应力为-1.53 MPa≤0.7ƒtk=0.7×2.65= -1.855 MPa，能满足A类构件要求。

从图13-b中可以看出，正常使用极限状态短期效应组合下，行车道板悬臂根部最大主拉应力为-1.31 MPa≤0.50ƒtk=0.5×2.65= -1.325 MPa，能满足规范要求，而中部下缘最大主拉应力为：-1.54 MPa≥0.5ƒtk=0.5×2.65= -1.325 MPa，略微超标，不能满足要求。

图11 最小弯矩及其对应抗力图

从图13-c中可以看出，正常使用极限状态标准组合下，行车道板最大法向压应力为11.84 MPa≤0.50ƒck=0.5×32.4=16.2 MPa，能满足规范要求，而中部下缘最大压应力为9.32 MPa≤0.5ƒck=0.5×32.4=16.2 MPa，均能满足规范要求。

从图13-d中可以看出，正常使用极限状态标准组合下，行车道板最大主压应力为11.84 MPa≤0.6ƒck=0.6×32.4=19.44 MPa，能满足规范要求，而中部下缘最大主拉应力为-1.53 MPa≤0.6ƒck=0.6×32.4=19.44 MPa，同样也能满足规范要求。

5 碳纤维片材计算

分别选取中跨和边跨梁体底板下表面及中跨顶板下表面的3 个碳纤维片材加固面，受力云图见图14～16。

图12 桥面板单元结构图

图13 桥面板计算结果

从图14～16中可以看出，桥梁加固后，碳纤维片材与梁体共同受力，中跨明显比边跨的碳纤维片材受力要大，梁底比顶板的碳纤维片材受力要大，中跨底板碳纤维片材受力最大为0.7 MPa，顶板最大为0.4 MPa，边跨底板最大为0.35 MPa，并且碳纤维片材受力不均匀。

图14 中跨底板碳纤维片材受力图

图15 中跨顶板碳纤维片材受力图

图16 边跨底板碳纤维片材受力图

6 结语

对射阳河大桥梁体顶板和底板经过碳纤维片材加固后，用桥梁博士计算全桥和桥面板在短期效应和标准组合状态下的受力性能，重点分析了纵向全桥的正应力、主应力以及横向桥面板的正应力、压应力等，得出以下结论。

⑴ 通过计算可知，经过碳纤维片材加固后，梁体的应力、抗裂、挠度、极限承载力等各项指标大部分满足规范要求，各项性能有所改善，说明碳纤维片材能有效的提高桥梁的承载力，保证桥梁的使用安全。

⑵ 桥梁的跨度越大，在梁体的下缘以及桥面板的下缘就会受到越大的拉应力，虽经碳纤维片材加固后，但抗裂性能仍不能满足要求，说明碳纤维片材加固梁体的能力有限。

⑶ 通过碳纤维片材的应力云图可以看出，碳纤维片材纵向使用加固梁体底板时的受力更大，更能发挥其加固作用。

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Study on the reinforcement of continuous beam bridge with variable cross section

LIU Jin1, LI Feng-hu2
( 1. Shanxi Railway Institute, Shanxi Weinan 714000; 2. Zhengzhou Transportation Planning Survey and Design Institute, Zhengzhou 450000 China )

By using the finite element software V3.1.0 to establish the bridge cross-section continuous girder bridge model, calculate the girder in the roof and floor model of CFRP structure loading respectively, through calculation and analysis of beam and carbon fiber structure of the force, and ensure the safe use of reinforced bridge, the results show that the carbon fiber composite material reinforcement the beam body, can effectively improve the bearing capacity of the bridge, to prevent cracks further expand.

carbon fibre; continuous beam; stress calculation; crack

TB334; U445.7

A

1007-9815（2016）06-0061-06

定稿日期: 2016-12-20

刘锦（1983-），男，陕西渭南人，硕士，助教，主要从事桥梁与隧道方面的研究，(电子信箱)douge1.414@163. com。