CFRP加固法在空心板桥加固中的应用研究

郭志军

（甘肃省嘉峪关公路管理局，甘肃 嘉峪关 735100）

0 引言

近年来，随着我国国民经济的不断提升，公路交通量呈现逐年递增现象，与此同时，相关规范对汽车荷载等级也进行了提升，加上外部环境因素的影响，很大一部分即有桥梁在运营过程中出现了这样或那样的病害，例如：梁、板发生断裂、上部承重构件发生异常位移、混凝土剥落、露筋、主梁产生裂缝等等，这些病害对桥梁结构的安全性和耐久性产生了很大的影响。而对即有桥梁的拆除重建不但严重影响正常的交通，而且还不经济，所以目前对病害程度不是很大的桥梁都是通过维修加固来恢复或提高其承载能力，这也带来良好的经济效益和社会效益。预应力混凝土空心板梁桥在现役桥梁中占有相当大的比例，相对其他桥型，预应力混凝土空心板梁桥出现的病害也较为普遍，目前常见的对于此类桥梁的加固方法主要有：粘贴钢板加固法、增大截面加固法、粘贴碳纤维布加固法[1]等。普通的粘贴钢板加固对于提高梁底的抗拉性能很有限；增大截面法所需要的空间相对较大，影响桥梁净空；而CFRP材料抗拉性能较大，同时质量比钢材要轻、厚度小，易施工，是对有桥下净空限制的桥梁结构进行加固时的首选加固材料，在相关工程中具有很大的研究推广价值。

1 工程概况

某预应力混凝土空心板梁桥原设计荷载为汽-20，验算荷载为挂-100，该桥上部结构为4跨20 m的预应力混凝土空心板梁桥，每跨由7片板梁组成，全桥共28片板梁，板梁梁高0.9 m[2]。桥梁总体布置情况如图1所示。

图1 桥梁总体布置图（单位:cm）

通过对该桥现场勘查，发现该桥梁的主要病害集中在以下几个方面:（1）桥面铺装层出现横向裂缝，破损露筋，钢筋有锈蚀现象；（2）梁体多处出现横向裂缝及梁底渗水腐蚀；（3）上部结构混凝土出现不同程度剥落掉角等。

2 加固方案

通过对该桥病害情况进行认真细致的研究，最终采用的加固方案为：梁底用粘贴CFRP法加固，粘贴方式如图2所示；清除混凝土腐蚀部分，对构件混凝土表面裂缝进行修补；重新设置铰缝，拆除原桥面铺装层，重新进行铺装。

图2 梁底粘贴CFRP加固平面图（单位:cm）

3 加固效果分析

3.1 有限元模型

该预应力混凝土空心板梁桥在采用CFRP加固法加固后，采用大型通用有限元软件ANSYS建立的有限元模型，加固后空心板梁有限元模型如图3所示。主梁采用SHELL64单元模拟，碳纤维布采用SHELL41单元模拟，各材料间不考虑滑移，均采用节点耦合进行连接。

图3 加固后有限元模型

3.2 荷载试验

3.2.1 静载试验

该桥行车道宽度w=7.0 m，根据相关规范要求，试验加载车辆重力拟定为330 kN，需要的车辆数目为2辆[3]。实验中，加固前后挠度和应变测点布置不变，其中挠度测试截面为第二跨L/4截面、2L/4截面、3L/4截面，每个截面分别在每片梁底板中间位置布置1个挠度测点；应变测试截面为第二跨L/4截面、2L/4截面，加固后梁底测点用于测定CFRP应变。

加载时，全桥静载实验共分4个工况[4、5]，分别是：（1） 工况 1：L/4 截面双车对称加载；（2） 工况2：L/2截面双车对称加载；（3）工况3：L/4截面单车偏心加载；（4）工况4：L/2截面单车偏心加载。

3.2.2 动载实验

本次动载试验选取桥跨为第二跨，加固前后测点截面位置不变，分别为第二跨L/4截面、跨中截面、3L/4截面，在这三个截面位置布置6个拾振器。竖向动位移测点设在L/2截面4号梁底部位置，测点布置形式如图4所示。

图4 动载试验测点布置图

加载时，全桥动载实验共分4个工况，分别是：

（1）工况 1：脉动测试振动加速度、速度；（2）工况2：单车20 km/h无障碍行车测振动加速度、速度、动应变；（3）工况3：单车30 km/h无障碍行车测振动加速度、速度、动应变；（4）工况4：单车40 km/h无障碍行车测振动加速度、速度、动应变。

3.3 加固效果分析与评价

（1）通过加固前后对桥梁进行有限元仿真模拟，得到的加固前后荷载实验有限元仿真跨中最大挠度值比较如图5所示。

图5 加固前后有限元仿真跨中最大挠度对比图(单位：mm)

从图5可以看出，该桥在加固前后各静载工况下出现最大挠度值的工况为第二工况，加固后挠度为9.50 mm，加固前挠度为10.66 mm，加固后挠度降低了10.8%，第一、三、四工况加固后截面最大挠度分别减小9.2%、9.4%、11.7%。

（2）加固前后各工况下荷载试验跨中截面实测挠度曲线如图6所示。

图6 加固前后各工况下跨中截面测点挠度曲线图

从图6可以看出，荷载试验实测跨中最大挠度加固前后减小了19.6%；各工况下跨中截面挠度平均减小率为17.5%，说明加固后跨中截面挠度横向分布较加固前更加均匀，更加接近于理论计算值，加固后的主梁横向刚度变大，桥梁受力状况得到了很大的改善。

（3）利用ANSYS有限元模拟分析得到加固前后最不利工况下（工况2）预应力筋、混凝土、CFRP的最大应力见表1[6]。

表1 工况2加固前后应力理论最大值 MPa

从表1可以看出，加固前后跨中截面混凝土最大压应力基本保持不变；梁底混凝土最大拉应力减小了33.3%，说明CFRP抗弯加固能够增大梁底变形能力，荷载作用下，二者共同发生形变，有利于混凝土抗拉性能的提高；预应力钢筋最大拉应力减小了19.9%，这是由于加固后中CFRP发挥出抗弯作用所致，加固后CFRP最大拉应力值为33.4 MPa。

（4）加固前后理论频率值和经荷载试验所测得实际频率值见表2。

表2 加固前后各阶频率实测值和理论值 Hz

从表2可以看出，加固后的各阶理论频率提高程度相对比较有限，而加固后实测频率提高幅度分别为18.17%和12.5%，其值相对较大，这是因为实际桥梁加固时更换了桥面铺装和铰缝，同时对裂缝进行了修补，这样会有利于提高桥梁结构的整体刚度，改善结构的受力性能，而理论建模分析时没有考虑桥梁的这些病害情况。所以，经CFRP加固后结构动力特性有明显改善。

（5）加固前后经荷载试验所计算得到的冲击系数值如图7所示。

图7 加固前后冲击系数对比图

式中：β（η，μ）为静、动力综合评价指标；η为静载试验主要测点校验系数均值；μ实测、μ规范分别为冲击系数实测值和规范取值。

对静载试验试验校验系数计算可得，η=0.61＜1，

从图7可以看出，随着行车速度的增加，加固前后冲击系数都呈现增大趋势，经理论分析可知冲击系数理论值为0.272，加固前冲击系数都大于理论值，说明加固前桥面行车时对桥体产生的冲击比较大，且行车速度越大这种作用就约明显；经CFRP加固后不同车速下的冲击系数明显减小，并且都要小于理论值，说明加固后的桥梁行车性能得到了明显改善。

3.4 承载能力综合评定

引入静、动力综合评价指标β（η，μ）参数进行结构性能综合评价[7]：，所以，CFRP加固后该桥承载能力满足要求。

4 结语

通过CFRP加固法在某预应力混凝土空心板梁桥中的加固应用，经实桥荷载试验检测对比分析可知，用CFRP加固后的桥梁，其挠度和应力在一定程度上均得到了较好的改善，承载能力有了大幅度的提高，加固效果明显[8]。这说明CFRP加固法在预应力混凝土空心板梁桥的加固中有明显的优势，可以在同类桥梁加固中推广应用。