碳纤维网格加固中小跨径桥梁受力性能分析及试验

2022-10-09金春福

辽宁省交通高等专科学校学报 2022年2期

金春福

（辽宁省交通高等专科学校，辽宁沈阳 110122）

碳纤维网格相较于传统的碳纤维布、碳纤维片材易于裁剪便于施工，且其表面一般采用无定形硅粉进行处理并且涂有防氧化涂层，将碳纤维复材网格和聚合物砂浆配合使用，与原结构有良好的相容性，耐久性能突出，加固性能方面具有较多优势。本文以实际碳纤维网格加固工程为例，针对碳纤维网格复合加固系统的力学特性，采用有限元分析以及实桥承载能力检测的方法，对采用碳纤维网格加固的旧桥受力性能及特点进行了讨论。

1 碳纤维网格加固工程概况

1.1 桥梁概况

北沙河桥建于2000年，跨径布置12×15.7m，原桥设计荷载等级为汽-超20，挂-120。横断面布置为0.35m（栏杆）+0.65m（人行道）+7m（机、非混行车道）+0.65m（人行道）+0.35m（栏杆）。该上部结构采用简支空心板，板宽1.05m，边板宽1.315m，高均为0.8m。下部结构为双柱式桥墩，基础和桥墩之间设置承台，承台高1.0m，桩长26.0m，桩径1.2m，北沙河桥横断面如图1所示。

图1 北沙河桥断面图

近年相关检测单位对该桥进行检测，经现场检测桥梁主要存在以下病害。

上部结构：①全桥板底普遍存在混凝土腐蚀、盐析现象；②个别板底露筋锈蚀严重；③铰缝混凝土普遍腐蚀脱落；④多数空心板存在多条0.05mm-0.18mm横向、纵向裂缝并伴渗水。

下部结构：①两侧桥台台身和台帽混凝土腐蚀严重，局部钢筋锈蚀、混凝土开裂破损；②全桥盖梁混凝土腐蚀严重，个别露筋锈蚀；③个别桥墩露筋锈蚀；④个别桥墩桩基础外露严重。经检测该桥整体状况被评为4类桥，表明桥梁主要构件存在严重缺陷，严重影响桥梁使用功能，或影响承载力，不能保证桥梁正常使用。因此拟对桥梁整体进行大修、加固。

1.2 碳纤维网格加固方案

经比选后该桥采用碳纤维网格加固，其碳纤维网格总体维修加固过程如下。首先，对原有旧桥混凝土裂缝进行封闭、灌浆处理。即，对梁体底部、腹板处所有宽度大于0.15mm的裂缝用环氧树脂压力填充；对宽度小于0.15mm的裂缝用环氧树脂胶泥在表面涂刷两道进行封闭。其次，对所有裸露钢筋进行除锈处理，进一步对混凝土破损处进行修补。待外观病害处理结束后进行碳纤维网格加固施工，碳纤维网格参数见图2。碳纤维网格加固具体施工顺序为：①底板表面处理；②配套高强砂浆拌制；③碳纤维网格的裁剪和铺设；④粘贴一层横/纵向200/200mm双向碳纤维网格。随即进行第一层砂浆的涂抹施工，砂浆采用湿法涂抹，砂浆层总厚度设计为20mm；⑤表面刷拭；⑥第二层砂浆的喷涂施工。⑦砂浆养护和表面处理。待砂浆涂抹封闭完成后进行养护，养护7天时间后进行外装修和涂装处理。

图2 双向碳纤维网格

2 碳纤维网格加固桥梁受力性能有限元分析

2.1 碳纤维网格加固桥梁有限元模型建立

为详细分析碳纤维网格加固前后桥梁的力学状态变化采用有限元分析软件ANSYS对北沙河桥加固前后受力情况进行数值模拟分析。建模过程中上部结构简支空心板及加固用砂浆均采用三维实体单元Solid65，钢筋采用link10三维杆单元模拟［7］。碳纤维网格采用link10单元，采用按等效刚度方法进行模拟，建模过程中关闭受压项将其调整为仅受拉模式，同时碳纤维网格建模时与加固砂浆混凝土单元约束方程进行处理。建立的有限元分析模型见图3。

图3 北沙河桥碳纤维加固有限元模型

有限元模型中混凝土材料的本构关系关系选用《混凝土结构设计规范（GB50010-2010）》推荐的本构关系，钢材料选用理想弹塑性本构曲线，采用双线性等向强化模型BISO进行模拟。鉴于碳纤维材料直至破坏，其应力与应变始终保持良好的线形关系，因此在本次分析过程中，碳纤维布网格亦按线弹性考虑。材料参数均按实测数据取值，但是由于该桥建设年代久远，混凝土强度采用现场推定强度30Mpa，钢筋屈服强度取335Mpa，选用的碳纤维网格材料性能指标如下表1所示。

表1 碳纤维网格力学性能表

2.2 有限元结果分析

表2为加固前后在设计交通荷载作用下梁板底部纵向应力表。为便于说明，梁板编号从左至右依次定为1—8号梁板。由表中应力值可知，梁板经过碳纤维网格加固后由于碳纤维网格加固体分担了部分荷载，因此在外荷载作用下经碳纤维网格加固后梁底纵向应力有所降低，在弹性范围内平均降低了10%左右。

表2 碳纤维加固前后梁底应力

表3为设计交通荷载作用下跨中横桥向挠度分布图。由图可知，经碳纤维网格后桥梁在同等荷载作用下挠度最大值由-5.321mm减小至-4.921mm，表明碳纤维网格加固后结构刚度亦有所增加。由此可知，碳纤维网格不仅可用于旧桥强度加固，也可用于刚度加固。

表3 碳纤维加固前后挠表

图4为北沙河桥在设计交通荷载情况下4号梁板纵向应力分布图，可见当碳纤维网格纵向受力特点与钢筋受力方式一致，简支条件下中部拉应力最大，梁端部拉应力为零。图5为跨中横桥向1～8号梁板碳纤维网格拉应力分布图。由图可知，碳纤维网格横向受力特点与纵向受力区别较大。碳纤维网格横向显示出局部受拉的特点，其受力点主要在于铰缝位置处，表明横向碳纤维网格承担了一部分横桥向拉应力。

图4 碳纤维网格纵向拉应力分布

图5 碳纤维网格横向拉应力分布

3 碳纤维网格加固后成桥承载能力试验

3.1 加固后成桥承载能力试验设计

成桥荷载试验是检验桥梁碳纤维网格加固后的施工质量和加固效果的最有效、最直接的手段。为此，本文对北沙河桥加固前后分别对桥梁相同跨进行静、动力荷载试验，对比了加固前后实际结构应变及挠度变化。

静力试验荷载采用等效荷载加载，静载试验荷载效率应按式（1）计算确定：

式中，η为静力试验荷载效率；Ss为静载试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面应变或移的最大计算值；S为控制荷载产生的同一加载控制截面应变或位移的最不利效应计算值；（1+μ）为按规范取用的冲击系数值。

试验中按桥梁结构最不利受理原则和代表性原则，结合北沙河桥结构特点及测试目的，荷载试验工况确定为跨中截面最大正弯矩加载，试验工况见表4。动载试验部分采集桥梁加固前后主频及阻尼比，静载试验内容主要包括简支梁应变、挠度。等效荷载加载车辆加载位及北沙河桥测点布置见图6。

表4 北沙河桥试验工况表

图6 加载位置及测试点布置（单位：cm）

3.2 加固后成桥承载能力讨论

图7为试验工况条件下碳纤维网格加固前后应变分布图，由图可知，经碳纤维网格加固后桥梁底应变显著减小，表明该桥加固维修后强度有所改善。图8为加固前后横向挠度分布图，可见经过加固后挠度值普遍小于加固前且横向联系情况较之加固前更加合理。采用环境激励法测得的结构基频，加固前为7.422Hz，加固后为8.000Hz，较之加固前提升7.8%，表明桥梁经过碳纤维网格加固后结构整体刚度也有提升。