梁顶提升主动卸载加固RC梁及其界面应力分析

李宗哲，　王孝兵，　高荣雄，　胡方杰 ，　乐　颖，　周文玮

(1.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室， 湖北　武汉　430040；2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司， 湖北　武汉　430040；3.华中科技大学　土木工程与力学学院， 湖北　武汉　430074)



梁顶提升主动卸载加固RC梁及其界面应力分析

李宗哲1,2，王孝兵2，高荣雄3，胡方杰3，乐颖3，周文玮3

(1.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室， 湖北武汉430040；2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司， 湖北武汉430040；3.华中科技大学土木工程与力学学院， 湖北武汉430074)

摘要：粘贴纤维或钢板加固具有显著优点，但由于应变滞后等原因，后加的高强材料无法充分发挥作用，材料利用率较低。本文所提出的梁顶提升主动卸载加固法通过改变结构在增设后加材料时的初始力学状态，灵活改变提升点个数、位置和卸载度，提高后加材料与结构的协同工作能力，改善被加固结构在使用阶段的力学性能。探讨了提升点位置、顶升力与结构效应间关系，提出了合理提升点及卸载度确定原则。进一步深入分析了后加材料与结构的粘结应力和剥离力，并与常规方法进行了对比。

关键词：梁顶提升主动卸载加固法；提升点；卸载度；粘结应力；剥离力

交通事业快速发展，密集的建设期之后，必将面临着大量的维修加固。同时，基于我国桥梁工程建设从规划、设计到工程竣工建设周期短，有些甚至是边设计边施工的特点，加上大量在役设计荷载等级偏低的老桥，以及实际运营车辆载重的不规范性、交通量快速增长和大量除冰氯盐的使用等结构服役环境的日趋恶化，可以预见的是：未来很长时间内，大量桥梁将面临维修加固。我国工程建设的重心也将逐渐转移到结构物的管养维护上。

桥梁加固方式多样，但大致可划分为主动加固和被动加固两大类[1,2]。被动加固的主要特点是：新增材料仅参与后加载荷(车辆荷载和后加恒载等)的受力，对加固时已经存在的载荷不起作用，其应变滞后于原构件材料[3]。如扩大截面法、补焊钢筋、粘贴钢板和复合纤维材料等。主动加固通过一定措施，改善原构件受力状态，新增加材料不仅参与后加荷载的作用，也部分参与加固时已经存在的恒载作用。此外，主动加固还可以通过调控新增材料参与共同受力的程度，使加固部分的材料应变不滞后或部分滞后于原材料[4,5]，可大幅度提高加固效果。如体外预应力加固、预应力碳纤维加固等。

由于桥梁病害多样，产生机理不尽相同，同时受设计、施工和材料等多因素制约，每种加固方式均有其适用场合。但不论采用何种加固方法，基于桥梁结构自重大的特点，加固基本上都是带载进行。构件的自重和已有恒载内力及其变形由原结构承担，活载和新增恒载产生的效应由加固后的组合截面承受。大量的桥梁内力分析表明，活载内力占截面总效应的比例通常不高。跨度越大，活载效应比越低。有些大跨度的混凝土桥梁，活载内力甚至占总内力的10%都不到。因此，桥梁加固的特点导致结构在承载能力极限状态时，新增材料无法充分发挥作用，实际加固效果大大低于预期，导致桥梁结构处于较大风险中运行。举例如下：

图1　某T梁构造/cm

采用碳纤维进行加固时，桥面封闭交通。根据平截面假定和忽略受拉区混凝土的抗拉作用，在活载作用之前，截面受力如下：

按照矩形截面初步分析得，截面受压区高度x=195.8 mm>T型截面翼缘板厚度hf′=150 mm，为第二类T形截面，则：

求得，实际受压区高度x=242.7 mm(图2)；该状态下受拉区钢筋的应力σs=112.78 Mpa；受拉压钢筋应变εs=563.9 με。

图2　截面应变

此时梁体已经开裂，在此基础上采用碳纤维布在梁底面加固，加载至极限破坏状态时，梁体内部受拉钢筋达到屈服状态，受压区混凝土被压碎。假定在破坏时，胶层还保持良好，则新增加碳纤维的应变增量ΔεCFRP可计算如下：

在极限状态，碳纤维的对应应力δCFRP为：

δCFRP=ΔεCFRP×Ef=341.9 MPa

式中：h为梁高；h0为梁有效高度；Δεs为受拉钢筋应变增量；ΔεCFRP为碳纤维应变增量。

该应力约占纤维标准强度的11.3%。由此可见，在未采取任何措施的前提下，直接在梁底部粘贴高强纤维材料，虽然可以提高构件承载力，但极限状态下，后加材料的强度远未发挥作用。

因此，采用直接粘贴纤维(布)等板材的加固方案，由于受构件分阶段受力的影响，新增材料仅在二次受力阶段才发挥作用[6]。然而，桥梁结构通常恒载占相当大的比重，加固之前结构已经存在较为显著的初始应变，新增材料的高强抗拉性能难以得到发挥，实际加固效果无法达到预定目标，不仅不经济，且隐含的风险可能没有充分意识到。

为改善被加固结构的受力性能，充分发挥粘贴高强材料的作用，本文研究加固之前对构件进行卸载，探索合理可行的卸载方式，并对主动卸载粘贴纤维加固法的结构受力性能进行深入分析。

1梁顶提升主动卸载加固法

1.1梁顶提升卸载原理

主动卸载加固法的基本原理就是，在结构被加固之前，通过一定的措施，事先降低结构受到的恒载内力，然后再实施加固，从而提高后加材料参与共同受力的程度，改善结构受力性能。该方法需要事先对结构进行卸载，卸载的方式通常通过拆除桥面铺装和梁底顶升来实现。然而，由于河床水深、桥下净空和交通要求等条件限制，大多数桥梁无法从桥下直接顶升，或者代价较高。本文提出的梁顶提升主动卸载法是一种非常有效的方式。除了需要中断桥面交通外，该方式不受桥下状况限制，可以方便地调整卸载度，通过两端压重或植筋锚固，可以较大幅度提高卸载度。而且卸载支架移动、安装便利。该方法的技术方案具体见图3。

图3　梁顶提升主动卸载原理

如图3所示，梁顶提升卸载通过在梁顶设置拼装式反力支架，支架支点尽量靠近支座对应的桥面附近，但对于简支体系结构，不宜将支架支点置于其它跨。这样做的目的，一方面是避免卸载时梁体局部应力集中；另一方面可增加支座反压力，从而提高卸载度，以免支座产生负反力，梁体脱离支座。支架横梁上适当位置设置一道或多道提升点(图示两点提升)，提升拉杆一端固定在梁顶(可通过植筋或焊接在梁顶内部钢筋上或兜吊方式)，另一端穿过设置在横梁上的千斤顶，张拉千斤顶即可实现梁体提升(即卸载过程)。千斤顶张拉行程可精确控制卸载度。此外，通过在支架底部安装行走轮，可以方便快捷移动，利于在桥梁加固中实际应用，提高加固效率。

1.2提升点及卸载度(提升力)

尽管主动卸载法综合了主动和被动加固法的优点，但顶升点及卸载度的设置优劣直接影响其优越性能的发挥。除了考虑施工可行性等外界因素外，提升点及卸载度的确定可参照如下原则进行：

(1)应力控制：控制截面(如：跨中截面)上缘应力趋于零或不超出混凝土抗拉强度；

(2)变形控制：梁体底面顶升至水平或向上微弯状态。

以跨度为L的简支梁为例(图4)。简支梁在恒载作用下，采用两点对称顶升(梁顶升间距为L1)，顶升力为N，则顶升力与顶升位置的关系如下：

图4　简支梁顶升示意

若以顶升点对应的截面上缘应力降至0作为顶升控制条件，则可建立如下方程组：

(1)

式中：X1、X2为支反力；g为恒载集度。

在顶升力作用下，梁体底面挠度方程为：

(2)

式中：a=(L-L1)/2;b=(L+L1)/2；x为梁上任一点距支座x1端的距离；EI为梁截面刚度。

顶升位置及卸载度(顶升力)确定：为确定较佳的顶升位置和卸载度，可以从L1=0开始按照桥跨的L/24级差(甚至更小级差)进行顶升位置调整，以控制截面上缘应力大小及梁体底板水平度为原则确定。

2截面应力分析

受弯构件采用主动卸载加固技术进行加固前后的截面应力状态如图5所示。加固前截面上缘受压，下缘受拉(若原构件为预应力结构，则由于原有预应力效应，也可能截面上下缘受力状态恰好相反)，顶升后在梁底粘贴纤维，当移除顶升力之后，梁体在恒载作用下，逐渐恢复下挠状态。此时，由于纤维受拉，胶层与纤维之间产生粘结应力τbf，该粘结应力反作用于梁底，相当于在梁底面施加了“预应力”，使得在同样载荷作用下，改善了截面应力状态，截面拉压应力均得到降低，降幅可由卸载度(顶升力)人为调控。另一方面也抑制梁体的下挠和开裂，提高了(恢复)梁体刚度。

图5　正截面应力状态

回到图1所示的20 m钢筋混凝土简支T梁，按照图4的两点顶升，顶升间距L1=5 m，控制条件为：恒载作用下，顶升点对应的截面上缘应力降至0，则根据(1)式可得，顶升力为：

应用该顶升力对梁体进行主动卸载加固，当加固完成卸去顶升力时，根据弹性阶段截面受力特性，计算得到跨中截面梁底碳纤维即产生526.9 με微应变。在此基础上，加载至极限破坏状态时，假定破坏条件也同样是梁内部受拉钢筋达到屈服状态，受压区混凝土被压碎。假定在破坏时，胶层还保持良好，则此时碳纤维应力为：

δCFRP=ΔεCFRP×Ef=(526.9+1544.2)×2.2×105=455.6 MPa

可见，主动卸载加固法所粘贴的碳纤维，在极限状态时碳纤维应力比常规加固方法提高了34.1%，这对抑制梁体开裂和改善构件受力性能非常有利。

3界面应力分析

3.1胶层粘结应力分析

针对加固后的受弯构件，取一微段如图6a所示，混凝土-胶层-纤维布(板)之间的粘结应力如图6b所示。

图6　加固梁体微段

建立梁底部纤维微段的水平力平衡方程：

Tf+dTf-Tf=τbfbfdx

(3)

得

(4)

式中：bf为纤维布(板)宽度；Tf为碳纤维拉力；dTf为碳纤维拉力增量；dx为梁微段长度。

另据梁弯曲理论[7]，可得：

(5)

将(5)代入(4)式，可得：

(6)

式中：Af为纤维布(板)的面积；I0为加固后的截面换算惯性矩；αf为纤维布(板)与混凝土弹性模量的比值；Q为截面剪力；dM为截面弯矩增量；yf为纤维布至中性轴距离。

从式(6)可见，经过主动卸载后，由于初始弯矩值增大，正常使用状态下胶层粘结应力显著大于常规加固方法，可以获得更高的梁体开裂抑制力，后加材料参与受载的程度进一步提升。

3.2剥离力分析

不论是常规的粘贴纤维布(板)还是采取主动卸载加固技术粘贴，试验中发现：都存在粘贴材料端部发生剥离破坏现象(图7)，但主动卸载加固的纤维发生剥离破坏较常规方法早[7～11]。其破坏特征表现为：靠近纤维端部的混凝土首先产生浅层水平略向上的裂缝，然后往跨中方向迅速扩展。因此，尤其是采用主动卸载加固技术，在梁体和后加材料发生极限承载力破坏前，为避免上述破坏模式过早产生，需要详细分析剥离力并采取构造措施。

图7　剥离破坏

从试验中观察发现，剥离层主要出现在胶层与混凝土的界面上。因此，剥离力Ff应为胶层和后加材料层的总剪力之和：

从图6b可知，胶层与纤维层界面之间存在粘结应力τbf，该粘结应力为梁体轴向的函数，并不是一个常数，记为τbf(x)。

取一微小单元dx(图8)，根据轴力和扭矩平衡建立如下方程：

dFN=τbf(x)bfdx

(7)

(8)

式中：tf为纤维布(板)厚度；dFN为微段轴力增量；Mxy为微段扭矩。

图8　剥离力示意

(9)

(10)

式中：tg为胶层厚度。

(11)

从上述剥离力分析可见，当结构达到同一受力状态时，由于构件反弯的过程，主动卸载加固产生的dM显然大于常规加固方式，且卸载度越高，微单元之间的增量弯矩越大，剥离力也增大， 更容易发生剥离破坏。因此，为避免过早发生剥离破坏，主动卸载加固的结构，后加材料的约束措施更需加强。

4结论

(1)主动卸载加固法具有显著优点，实施方便，可以人为控制卸载度，进而有针对性地改善结构受力性能，调控后加材料应变滞后的程度，改善组合结构的受力和使用性能；

(2)经过主动卸载后，初始阶段新增材料即参与恒载受力，改善了组合截面受力状态，抑制截面开裂，提高(恢复)了结构刚度；

(3)经过主动卸载加固后，在正常使用状态下，组合截面胶层粘结应力显著增大，可以获得更高的梁体开裂抑制力，后加材料参与受载的程度进一步提升；

(4)主动卸载加固法界面剥离力较常规加固方法大，后加材料需要设置更为有效和增强的约束措施。

参考文献

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Analysis of Interfacial Stresses and RC Beams Strengthened with Initiative Unload Based on Elevating from the Top of Beams

LIZong-zhe1,2,WANGXiao-bing2,GAORong-xiong3,HUFang-jie3,YUEYin3,ZHOUWen-wei3

(1. Hubei Key Laboratory of Advanced Materials and Reinforcement Technology Research for Marine Environment Structures, Wuhan 430040, China;2. Cccc Wuhan Harbour Engineering Design and Research Co Ltd, Wuhan 430040, China;3. School of Civil Engineering and Mechanics, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)

Abstract:Although the method of bonded fiber or steel plate strengthened has significant advantages, a variety of reasons such as lagged strain cause the bonded high strength materials not to play efficient roles. Thus, material actual utilization is very low. Based on elevating from the top of beams，initiative unload strengthened method proposed in this paper may improve cooperative work performance between original structure and bonded materials and mechanical property of strengthened structures under service stage through flexibly changing number, location and unload degree of elevating points. The relations between structure effect and lifting location and elevating force are also discussed, and the principles to confirm reasonable elevating location and unload degree are presented. At last, bonded stresses and debonding force between bonded materials and structure are deeply analyzed and compared with conventional methods.

Key words：initiative unload strengthened method based on elevating from the top of beams; elevating point; unload degree; bond stress; debonding force

收稿日期：2015-11-01修回日期： 2015-12-29

作者简介：李宗哲(1960-)，男，河南南阳人，教授级高工, 博士，研究方向为桥梁加固设计(Email: 151609184@qq.com)通讯作者： 高荣雄(1969-)，男，福建福安人，博士，副教授，研究方向为桥梁船撞、损伤与加固(Email: bridge115@hust.edu.cn)

基金项目：中交第二航务工程局有限公司科技项目(201503A)

中图分类号：U445.7

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)03-0035-05