碳纤维加固对钢筋混凝土梁结构效应影响分析

程宇鹏

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

目前，随着时间的推移，我国的许多桥梁均已产生了不同程度的老化，甚至有些桥梁逐渐接近或超过设计的使用年限。而且随着使用荷载和设计标准的不断提高，有许多过去的桥梁已经不能够满足现行荷载的要求，需要对现有桥梁通过加固来提高其荷载等级及安全系数。现在对桥梁的加固方法有多种，如体外预应力、粘贴钢板、粘贴碳纤维复合材料或增大截面等方法[1-2]。粘贴碳纤维是一种施工比较简单，而且加固效果较好的加固方法，而且碳纤维材料具有良好的耐腐蚀性、耐热性、耐久性。本文是针对某市现有的现浇连续梁桥，对其用碳纤维加固前后分别进行了荷载试验检测，研究加固后对该桥各项控制指标的影响。

1 工程概况

本项目为某市城区为缓解交通压力而修建的高架桥。本文针对该桥第二联进行分析，其上部结构为变截面预应力混凝土连续箱梁，跨径组成为（40+56+40）m，桥面总宽为23.5 m，其桥面布置为：0.5 m防撞护栏+11.0 m机动车道+0.5 m中央分隔带+11.0 m机动车道+0.5 m防撞护栏。桥面铺装采用8 cm厚钢筋混凝土垫层+10 cm厚沥青混凝土面层。桥墩采用带横梁双立柱桥墩，基础均为承台配桩基，桥台采用桩接盖梁形式。设计荷载为城-A级，抗震设防烈度为8度。由于施工等原因造成该桥的承载能力存在不足，补强方案采用粘贴碳纤维的方法。

图1 主梁断面图（单位：cm）

2 有限元模型的建立

根据主桥活载效应包络图及桥梁实际情况确定桥梁的试验控制断面。本次试验选择了1个正应变测试断面，具体的试验断面布置见图2。静载试验计算采用平面杆件有限元法，根据桥梁的结构型式，采用桥梁计算通用程序Midas Civil对桥梁进行结构分析及加载计算，计算模型见图3。桥梁计算采用的材料参数均根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范确定[3-5]。

图2 试验主要控制断面布置图（单位：cm）

图3 有限元计算模型

3 计算分析

静载试验采用模拟等代荷载进行加载设计计算和加载，加固前后试验荷载采用同一标准，试验共选用8辆双后轴车辆作为静载试验加载车辆。试验控制采用逐级加载方式，根据加载位置的不同，所有的程序采用3级加载的方式进行。各测试断面内力影响线及加载位置见图4，经模拟计算，试验最终选取加载程序及试验荷载效率见表1，试验荷载所产生的力学效应基本上能够满足对桥梁力学性能检验和分析的要求。

表1 荷载试验荷载效率及相应测试项目表

图4 1号断面弯矩影响线

图5 第五跨截面最大正弯矩加载图（偏载）（单位：cm）

4 数据分析

4.1 碳纤维加固对主梁应变影响分析

对主梁进行加固前后，检测所得应变值与理论计算的应变值比较见表2、表3。

表2 加固前主要控制断面混凝土正应变校验系数表

表3 加固后主要控制断面混凝土正应变校验系数表

图6 加固前后主要控制断面应变对比图

由表2、表3可以看出，加固前正应变的校验系数主要集中在1.04～1.11范围内；加固后正应变的校验系数主要集中在0.80～0.88范围内，表明试验跨主梁经过碳纤维加固后混凝土应变值明显减小20%左右。

4.2 碳纤维加固对主梁挠度影响分析

对主梁进行加固前后，检测所得挠度值与理论计算的挠度值比较见表4、表5。

表4 加固前主要控制断面挠度校验系数表

表5 加固后主要控制断面挠度校验系数表

图7 加固前后主要控制断面挠度对比图

由表4、表5可以看出，加固前挠度的校验系数主要集中在0.89～0.93范围内；加固后正应变的校验系数主要集中在0.83～0.89范围内，表明试验跨主梁经过碳纤维加固后挠度值减小5%左右。

5 分析与结论

通过对该桥进行计算分析，并且用碳纤维对该桥进行加固，对其加固前后两次荷载试验的结果进行对比可得出如下结论：

a）加固后荷载试验检测控制断面的混凝土应变值可减小20%左右。

b）加固后荷载试验检测控制断面的挠度值可减小5%左右。

综上，采用碳纤维加固技术对桥梁进行加固，可有效提高桥梁的抗弯强度，并对抑制桥梁裂缝的开展有明显的作用。对桥梁的抗弯刚度也有一定提高，且该方法施工简单，工艺成熟，因此亦是一种有效可行的桥梁加固方法。