碳纤维筋表层内嵌喷浆法的理论计算及工程应用

魏长颖

北京市政路桥管理养护集团有限公司，北京 100097

桥梁是公路运输的重要交通要道，也是国民经济发展的命脉。在现役的众多桥梁中，受到当时经济、技术、环境等条件的限制与影响，部分桥梁设计荷载的标准规定偏低。对于这种存在的旧桥，如果完全拆除重建，不仅污染环境、浪费巨大，还会影响交通与人们的生活。由此，一种新型的桥梁维修加固改造技术方法——碳纤维筋表层内嵌喷浆法孕育而生。碳纤维筋的研究最早始于南非与法国，快速发展于美国、日本[1]。我国针对碳纤维的研究较晚，直到2000年我国碳纤维增强复合材料及工程应用委员会成立，并于2003年颁布了相应的行业标准，对我国的碳纤维加固维修强梁的应用起到了重要的推动作用[2-3]。

1 内嵌碳纤维筋原理

开槽内嵌碳纤维筋加固的基本原理为首先在原混凝土构件表面采用开槽机沿着轨道机械开槽，开槽深度需满足设计要求，然后向其槽内注入满足要求的结构胶，用量达到开槽深度的2/3为宜，并在此基础上，将碳纤维筋植入槽内，有条件的可进行绑扎，最后对表面射水拉毛并喷射高强聚合物砂浆，使其碳纤维筋与原构件形成紧密的整体。

2 碳纤维筋加固设计理论计算

对原结构进行碳纤维筋加固补强时，在遵循相关假定的基础上，加固计算包括如下相应步骤[4]。

（1）碳纤维筋设计应力与设计应变计算。

式中：ffu为碳纤维筋设计应力；CE为环境影响系数，取0.85；f*fu为碳纤维筋给定抗拉强度。

式中：εfu为碳纤维筋设计应变；CE为环境影响系数，取 0.85；ε*fu为碳纤维筋给定断裂应变。

（2）计算在恒载作用下碳纤维筋安装位置的初始混凝土弹性应变。

式中：εbi为内嵌部位混凝土初始弹性应变；Md为第二阶段弯矩组合设计值；df为加固后截面有效高度；kd为等效矩形应力图的混凝土受压高度；Icr为加固前原构件开裂截面换算截面的惯性矩；Ec为混凝土弹性模量。

（3）确定碳纤维筋的有效应变。

式中：εfe为碳纤维筋有效应变；c为梁顶距离中性轴的高度；km为碳纤维筋黏结系数；εfd为纵向碳纤维筋拉应变。

（4）受拉钢筋的应变计算。

式中：εs为现有钢筋拉应变；d为加固截面顶部与钢筋的有效距离。

（5）钢筋与碳纤维筋的应力计算。

式中：fs为现有钢筋应力；Es为钢筋弹性模量；fy为钢筋设计应力。

式中：ffe为碳纤维筋有效应力；Ef为碳纤维筋弹性模量。

（6）平衡条件的计算。

式中：As为受拉钢筋面积；Af为受拉侧新增碳纤维筋面积；β1为截面受压区矩形应力图高度与实际受压区高度的比值；fcd为原构件混凝土抗压强度；b为加固构件截面宽度。

（7）计算抗弯强度。

式中：Mu为设计最大极限承载力。

3 工程应用加固效果

雪海沟中桥位于包头市G110国道东兴至东河段，中心桩号K708+658。该桥建于1986年，为斜梁桥，斜交角度为60°，上部结构型式为预应力钢筋混凝土简支空心板梁，最大跨径为10.0m，桥跨组合为3m×10.0m，斜长11.55m，桥梁总长49.05m。板梁截面尺寸为99.0cm×70.0cm，横桥向设14片板。下部结构为钢筋混凝土双柱式桥墩、重力式U型桥台。该桥于1991年进行单侧拼宽，拼宽形式为上、下部结构分离式。

雪海沟中桥在长期重载及冬季严寒气候条件作用下，板底出现横向裂缝、腐蚀及局部渗水泛碱等病害。经过详细检查及荷载试验，结果表明旧桥拼宽部分承载能力不满足公路一级要求。

3.1 主要加固措施

考虑到结构构成形式、所处位置的交通特点及地理位置特征，拆除重建旧桥技术及经济上实现的难度，最终确定采取碳纤维筋喷浆加固法对该桥进行加固设计，维修加固方案为在板梁梁底对拼宽部分采用表层内嵌12×Φ6mm碳纤维筋法进行补强，旧桥部分也采用表层内嵌12×Φ6mm碳纤维筋法进行补强。

3.2 作用效应分析

（1）建立模型。文章结构计算各材料参数如表1所示。

表1 各材料参数表

根据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22—2008）[4]中的相关要求，采用有限元软件Midas计算原桥的初始应变值后，根据横桥向补强及桥面铺装、护栏等更换，建立加固后桥梁结构分析有限元模型。结构三维有限元模型如图1所示。

图1 结构三维有限元模型

（2）结果分析。①原桥拼宽部分（旧桥部分）在恒载作用下内力计算结果：为进行加固前碳纤维筋布设部位混凝土初始应变分析，首先分析原桥拼宽部分在恒荷载作用下的弯矩效应，其最大弯矩设计值为261.00kN·m。②加固后拼宽部分(旧桥部分)桥梁结构内力计算：加固后桥梁活载作用下的弯矩图如图2所示。

图2 加固后活载作用下弯矩图

由计算分析可知，恒载作用效应在进行横向联系加强后有所增加，由261.00kN·m增大到278.48kN·m，增加了6.70%，公路一级荷载作用效应设计值为403.5kN·m。加固后荷载作用效应组合值为恒载×1.2+活载×1.4=681.20kN·m。

3.3 承载力计算

（1）板梁补强前承载能力验算。进行铰缝修复，采用横向联系加强及更换桥面铺装和护栏等加固改造措施后，原桥拼宽部分最不利弯矩为681.20kN·m，原板梁最大极限承载力为551.06kN·m，不能满足公路一级荷载作用要求。

（2）板梁碳纤维筋补强后承载能力验算。采用换算截面进行原板梁开裂弯矩及弹性相对受压区高度计算，该桥板梁开裂截面惯性矩为6.9×109mm4，受压区高度为160mm；以此数据为基础，布设碳纤维筋部位混凝土的初始应变为0.000708；采用在板底布设12根直径为6.0mm的碳纤维补强后，抗弯承载力提高为687.71kN·m，满足公路一级荷载作用下的要求，可以看出经碳纤维筋补强后，梁体承载能力提高了24.8%。

4 结论

（1）碳纤维筋是一种强度高、重量轻、耐腐蚀的复合材料，为桥梁加固的优选材料，文章利用碳纤维筋高强、轻质、不锈蚀特性，采用表层内嵌技术应用于板梁梁底加固，获得了理想的加固效果。

（2）根据对板梁桥梁的计算分析，采用在板底内嵌12根直径为6.0mm的碳纤维筋后，对比加固前板梁承载力551.06kN·m，改造后其承载能力显著提高，达到了加固目的。