连续刚构桥CFRP加固策略研究

苟 强 李 鑫 贾 强 孙拴虎 阎玉菡

（陕西机电职业技术学院，陕西 宝鸡 710055）

0 引言

桥梁作为交通的咽喉部位，在公路交通中起着至关重要的作用[1]。然而，三四十年前修建的桥梁，在车辆超载、环境侵蚀的双重影响下，部分桥梁的路用性能严重下降，其抗震性能或多或少地受到影响。橔柱作为一种“头重脚轻”的结构，是桥梁抗侧向力的主要构件，墩柱的破坏极其普遍，因此对桥梁墩柱的加固是目前桥梁养护中亟需解决的问题[2]。近年来，国外对桥墩加固方面的研究较少，相比之下国内对桥墩加固方面的研究较多。李溪等人[3]对两根破损较为严重的钢筋混凝土柱子采用碳纤维（CFRP）进行加固，让其加固后的各项力学性能达到新建柱子的初始水平，发现其延性显著增强，优于柱子的初始水平。司炳君等人[4]对3根已经破损的墩柱采用不同的加固方法进行加固，随后进行轴力和侧向反复荷载的拟静力试验，发现桥墩的承载能力和延性大大增强。现有的桥梁加固研究主要集中在加固后的表象上，对桥梁加固策略的研究不多。

本文采用有限元软件Midas FEA建立碳纤维（CFRP）加固桥梁有限元模型，以加固厚度和加固高度作为变量，分析在地震作用下桥墩墩顶位移和峰值加速度的变化情况，通过比较CFRP加固后桥梁的震后效果，推荐出最优的加固策略。

1 CFRP加固桥梁计算模型

考虑到后续要进行振动台试验，本文桥梁模型为缩尺三跨连续刚构桥，根据有限元建模准则，采用桥梁专用有限元软件Midas FEA建立1m+2m+1m三跨连续刚构桥三维有限元模型进行非线性有限元计算[5]。在计算过程中，网格的划分密度会影响计算结果的精确性，理论上网格划分越密，计算结果越准确，但如果划分过于密集，计算时间会加长。本文确定网格尺寸为4cm，加固前刚构桥模型有14372个单元，如图1所示。

图1 未加固连续刚构桥网格划分图

本文基于初次振动台试验的加载效果确定碳纤维加固高度（见图2所示），在初次振动台试验中统计发现裂缝主要集中在距离墩底40cm范围内，因此裂缝区域高度控制在40cm，富余高度的范围为[0,80]cm。因此，桥墩的CFRP加固高度分别为40cm、50cm、60cm、70cm、全墩包裹加固[6]。CFRP加固厚度的选取范围为[1,3]层。加固模型如图3～7所示。

图2 加固高度示意图

图3 加固高度为40cm

2 CFRP加固桥梁地震响应分析

2.1 地震波的选取

考虑到桥梁所处的抗震设防烈度区为8度区，因此本文研究设防烈度为8度时CFRP加固桥梁的地震响应，选取天然波El-Centro波（N-S向和E-W向），加速度峰值为0.2g[7-8]。El-Centro波的时程曲线如图8和图9。

图4 加固高度为50cm

图5 加固高度为60cm

图6 加固高度为70cm

图7 加固高度为全墩包裹

图8 El-Centro波E-W向时程曲线

图9 El-Centro波N-S向时程曲线

2.2 不同加固高度抗震性能对比

通过对上一节中Midas/FEA建立的桥梁加固模型输入地震波，交叉分析不同加固厚度和不同加固高度桥墩的地震响应，进而对比分析桥梁加固高度和加固厚度的变化对桥梁整体抗震性的影响[9]。墩顶加速度峰值及墩顶峰值位移如表1～表3所示。

由表1～表3可知：随着桥墩加固高度的增加，墩顶的峰值加速度和峰值位移显著减小，说明采用碳纤维包裹加固桥墩可以提高桥梁的抗震能力。当加固厚度为1层、2层、3层时，加固高度由40cm增加到50cm，峰值加速度和峰值位移下降的比率最大。即富余高度在[0,10]变化区间内，加固厚度为1层时，峰值加速度降低了10.5%，峰值位移降低了11.06%；加固厚度为2层时，峰值加速度降低了7.1%，峰值位移降低了12.2%；加固厚度为3层时，峰值加速度降低了4.2%，峰值位移降低了11.89%。因此，无论加固厚度如何变化，推荐富余高度为10cm，加固后的桥梁抗震性能提高最大。

表1 加固厚度1层时不同高度碳纤维加固墩顶峰值加速度及峰值位移

表2 加固厚度2层时不同高度碳纤维加固墩顶峰值加速度及峰值位移

表3 加固厚度3层时不同高度碳纤维加固墩顶峰值加速度及峰值位移

2.3 不同加固厚度抗震性能对比

加固层数对桥梁的抗震性能也有显著的影响，通过以加固高度和加固厚度为变量进行十字交叉组合建模，向桥梁模型输入El-Centro波，分析不同加固厚度桥梁的抗震性能[10]。墩顶加速度峰值和墩顶位移峰值如表4～表8所示。

表4 加固高度为40cm时不同层数碳纤维加固墩顶加速度

表5 加固高度为50cm时不同层数碳纤维加固墩顶加速度

表6 加固高度为60cm时不同层数碳纤维加固墩顶加速度

表7 加固高度为70cm时不同层数碳纤维加固墩顶加速度

表8 全包裹桥墩加固时不同层数碳纤维加固墩顶加速度

由表4～表8可知：在地震作用下，随着加固层数的增加，峰值加速度和峰值位移逐渐减小，当加固层数小于2层时，墩顶位移和墩顶加速度随加固层数的增加下降速率较快[11]。以加固高度50cm为例，当加固层数为2层时，墩顶加速度较未加固前减小了30.11%，墩顶位移较未加固前减小了46.95%，抗震效果提升明显，当加固层数为3层时，墩顶加速度较未加固前减小了34.49%，墩顶位移较未加固前减小了49.64%。很明显，采用碳纤维加固2层的桥墩抗震效果要优于加固3层。因此，针对旧桥加固，从抗震角度来讲，碳纤维的加固厚度推荐采用2层加固。

3 结束语

（1）通过有限元软件Midas/FEA建立模型，分别分析加固高度为0cm、40cm、50cm、60cm、70cm、全包裹加固时桥梁的墩顶加速度和墩顶位移，得出加固高度由40cm增加到50cm，峰值加速度和峰值位移下降的比率最大，推荐富余高度为10cm，加固后的桥梁抗震性能提高最大。

（2）通过以加固高度和加固厚度为变量进行十字交叉组合建模，分析加固厚度为1层、2层、3层时桥梁的抗震性能，得出加固厚度为2层时，抗震性能提升最为明显，推荐加固厚度选用2层。