碳纤维加固桥梁结构技术计算及工程应用.doc

碳 纤 维 加 固 桥 梁 结 构 技 术 计 算 及 工 程 应 用摘要:分析了碳纤维材料的性能,研究了碳纤维材料加固桥梁的主要特点、机理以及施工工艺,并介绍了碳纤维在桥梁加固工程中的应用。关键词：碳纤维；加固；桥梁；bstract: In this paper,the performance of carbon fiber materials are analyzed,the main characteristics,mechanism and construction technology of carbon fiber materials used for strengthening of bridfes are studied,and the application of carbon fiber materials to birdge strengthening engineering is introduced.Keywords: Carbon Fiber Reinforced Polymer； strengthening； bridge； 1 前言随着我国经济建设的飞速发展,物流流动的加快,现有公路桥梁正承受着越来越大的车辆荷载。因桥梁超负荷运行而导致桥面破损、板梁开裂的险情常常发生,加上一些桥梁因设计不周、施工缺陷、年久老化等原因而导致混凝土结构损坏,已不能正常运行,急需进行维修、加固或者拆除重建。如将这些桥梁全部拆除重建,不仅耗资巨大,并因耗时长而影响经济的发展。因此如何在规范公路运输的前提下,运用检测手段采取有效的加固措施,提高桥梁的承载能力与延长使用年限,已成为桥梁建设中面临的一个问题。对桥梁主要承重结构进行加固补强的根本目的是为了恢复和提高其承载能力，改善其使用性能，防止桥梁结构的安全隐患，提高其通行能力。传统的提高钢筋混凝土桥梁承载能力的方法包括：桥面铺装补强层加固法、增大截面和配筋加固法、锚喷混凝土加固法、体外张拉预应力加固法、粘贴钢板(钢筋)加固法、改变结构受力体系加固法、增设纵梁加固法、增加横向联系加固法以及近几年刚刚兴起的粘贴碳纤维布加固法。这些方法虽然有效,但均受到一定条件的限制,且施工复杂,工期较长,有的还需定期养护。最近几年,碳纤维加固技术得到了迅速的发展,这种方法不但有效,而且施工简便,具有很大的研究和应用价值,因而得到了工程界的日益重视。2 碳纤维加固的原理与特点2.1碳纤维加固的特点碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)简称CFRP ，CFRP用于桥梁结构加固是近年来新兴的一种加固方法。碳纤维材料具有优异的物理力学性能:质轻(约为钢筋的1/4)、强度高(约为普通钢材的710倍) 、弹性模量约为2 31055 8105,非常适合钢筋混凝土结构加固,受力延伸率小于钢筋,且具有良好的耐老化性能。因此当碳纤维材料用专制环氧树脂沿受力方向或垂直于裂缝方向粘贴在受损构件上后，粘贴剂作为它们之间的剪力连接媒介，使之与原结构形成新的受力复合体，使增强贴片与原有的钢筋共同受力，因碳纤维分担了抗力,就降低了钢筋的应力,而使结构得到加固补强，增大了结构抗拉或抗剪能力，有效地提高结构的强度、刚度、抗裂性和延性，控制裂缝和挠度的继续发展。碳纤维增强塑料的另外一个特点是平行纤维方向和垂直于纤维方向的性能相差很大。这个特性使得工程人员可以在产品真正需要的方向上增强刚度和强度，增加了设计的灵活性。由于碳纤维高强、高效,可提高混凝土构件的承载力和延性,改善其受力性能,且耐腐蚀性和耐久性好,加固后无需再做表面处理;加之施工方法方便、快捷、工期短,几乎不增加结构自重和截面尺寸,也几乎不会改变桥下的净空高度。2.2基本计算理论一.设计的基本假定碳纤维加固梁截面满足平截面假定:1)截面变形为小变形;2)不考虑混凝土的抗拉强度,截面达到承载能力极限状态时,受拉区混凝土已开裂,其承受的拉力很小基本可以忽略不计.3)不考虑剪切变形(破坏截面的剪切变形与拉压变形相比很小).4)碳纤维片材和混凝土梁不发生滑移,即变形协调.这是碳纤维片材加固混凝土梁的前提与基础,只有碳纤维片材与混凝土梁之间存在足够的粘结力,两者才能共同工作.5)碳纤维材料为线弹性材料,实验证明其本构关系可以表示为:cl=ccl6)碳纤维片材的容许拉应变不大于碳纤维片材极限拉应变的2/3和0.01两者的较小值.由于受拉钢筋的极限应变值取为0.01,碳纤维片材的位置与钢筋的合力作用点很近,其拉应变可近似取为钢筋的拉应变即最大为0.01.二.基本公式1. 正应力验算设有一矩形梁，其截面面积为bh，跨径为L，跨中计算活载弯矩为Mp，在梁底贴有碳纤维片的面积为Acf,，根据结构设计原理，按容许应力法计算时有三个平衡方程式：（2-1） （2-2） （2-3）又根据弹性阶段弹性模量的比例关系换算，可以增加一个方程式，将碳纤维的面积等效地换算成普通钢筋，也即：从而再重新决定钢筋合重心的位置和有效高度，对碳纤维的应力状态进行复核。关于碳纤维材料的容许应力，建议可暂按日本规范取用安全系数K=1/3（长期），=1/2（短期），即cf= 3400 Mpa/3=3400 Mpa（长期），cf= 3400 Mpa/2=1700 Mpa（短期）。在东燃株式会社的技术资料中则提出了K=1/3（长期），=2/3（短期）的建议。本项验算应属在活载作用下的应力检算，作者认为应属于短期加载的情况，也即建议可采用cf =1700Mpa。2. 正截面强度计算根据结构设计原理正截面极限承载能力计算的基本公式为（2-4）（2-5）（2-6）假定（注：日本土木学会2000年指针=1.25）则得：取碳纤维材料的设计强度=2350Mpa后即可按上式求得中性轴的位置X。从的条件可求得截面极限承载能力M0,并必须满足的安全条件。结合以上假定及基本公式可进行正截面强度计算。3碳纤维的材料选择及施工注意事项3.1材料的选择对于碳纤维布,应选择杂质少,没有弯曲皱褶,编织均匀,文理清晰的材料,在选择树脂时则应根据三种不同的使用情况分别选择:对界面胶应选择粘稠度在8001600.,粘结强度大于5的树脂;整平胶应选择压缩强度大于50、拉伸剪切强度大于10的树脂;粘结胶应选择粘稠度在30005000、拉伸强度大于25,压缩强度大于60,拉伸剪切强度大于10的树脂.表3-1是市场上常用的碳纤维材料性能技术指标。碳纤维材料等级和特性 表3-1纤 维高抗拉碳纤维高弹模碳纤维等 级FTS-C1-20FTS-C1-30FTS-C5-30FTS-C6-30FTS-C7-30纤维重量(g/cm2)200300300300300纤维密度(g/cm2)1.81.81.822.12.17设计厚度mm0.1110.1670.1650.1430.143设计抗拉强度(kgf/cm2)3550035500300002500020000设计抗拉弹模(kgf/cm2)2.351062.351063.81065.01065.51063.2施工工艺及注意事项施工时选择好粘贴位置后,首先应对混凝土构件表面进行处理,裂缝处应灌入环氧树脂(界面胶),等到树脂硬化后,将欲粘贴截面打磨修饰平坦(如果有转角,转角处需磨成圆角,其曲率半径不小于20),涂环氧树脂砂浆,待硬化后再进行打磨平坦,清理粉尘.粘贴碳纤维片前用滚筒刷均匀地涂抹粘贴用环氧树脂,称为下涂.贴片时,在纤维片和树脂之间尽量不要有空气.待纤维片施工30之后,用滚筒刷均匀涂抹粘贴用环氧树脂,称为上涂.如沿片材长度方向有搭接,其搭接长度不小于100(沿宽度方向不需搭接)且其下涂时应在该部位多涂抹一些还氧树脂.粘贴完以后应进行检查,是否有粘贴不良,对于碳纤维发生皱褶弯曲处,因其强度无法发挥,需再进行补强.施工结束后应进行养护,其养护温度不低于环氧树脂的允许使用温度,养护期一般在一到二周.对于有风吹、雨淋或可能人为扰动的地方应进行遮挡封闭养护.碳纤维布干了以后,为了防止紫外线照射,碳纤维发生老化,应在其上面再涂抹一层基于环氧基底的涂料或喷沙抹灰后涂刷常规涂料.4 工程实例通顺河大桥位于汉宜高速公路仙桃至江陵段，桥梁全长110.64m。桥跨为3x35m（T形梁）。桥梁下部为轻型桥台。桥面宽1.5m（人行道）+0.50m(防撞护栏)+9.25m+1.50m(中央分隔带)+9.25m+0.50m(防撞护栏)+1.5（人行道）。设计荷载为汽车超20级，挂车120。设计抗震烈度为8度。该桥经过长时间运营后，出现了一定的病害。其中主梁上病害尤为严重,主要表现为梁底裂缝较多,特别是横向裂缝,部分梁体有纵向裂缝,大部分裂缝正处于发育阶段,有的横向裂缝已经开始向梁顶发展。根据2002年7月荷载实验结果，并经过反复论证，决定采用贴碳纤维加固，在T梁梁底粘贴纵向碳纤维片，在梁腹粘贴45斜向碳纤维片。4.1试验方案 1.测试截面和测点布置 由于该桥为简支梁桥,故跨中截面的内力、挠度可以很好的反映全桥的受力情况和安全可靠性,为此确定对跨中截面做静载实测试验。在四分之一跨中截面梁底布置5个应变片,共计5个应变片(未计入补偿片),具体位置及编号如图所示。 图2 应变片示意图在跨中截面梁底布置15个应变片,共计15个应变片(未计入补偿片),具体位置及编号如图所示。图3 应变片示意图 在跨中截面布置5个千分表作为桥跨结构的挠度测点,具体位置及编号如图3示。图4 千分表示意图2.试验荷载根据公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）中的规定，桥梁荷载试验一般采用基本荷载。其中静力试验荷载的效率系数取值范围为1.050.8。这里=Ssat/(S)式中：Ssat试验荷载作用下，检验部位变位或力的计算值； S设计标准活荷载作用下，检验部位变位或力的计算值； 设计取用的动力系数。为了保证试验的有效性，应使各测试截面试验荷载的效率系数至少达到0.80以上。本次试验采用东风-31吨(车重+货重)四辆，该桥设计荷载为汽车超20级，其荷载效应系数计算如下。对于桥孔跨中最大正弯矩为标准荷载效应：M标=6964kN.m试验荷载效应: M试=7243kN.m则 =M试/M标=1.04对于桥孔1/4截面最大正弯矩为标准荷载效应：M标=3606kN.m试验荷载效应: M试=3859.5kN.m则 =M试/M标=1.07由上可见，荷载效应系数达到0.81.1,符合试验方法规定，表明本桥试验加载有效。4.试验工况按照测试内容，应使主要测试截面在最不利情况下加载测试。故根据测试截面的内力影响线及位移影响线,本次试验共分为以下2种试验工况:工况1：纵桥向按跨中截面的正弯矩和挠度的最不利位置布载, 横桥向为两车中载。工况2：纵桥向按跨中截面的正弯矩和挠度的最不利位置布载, 横桥向为两车偏载。4.2 改造前后数据比较为对该桥改造后承载能力和工作性能与改造前有一形象的比较，现对该桥改造前后各相同位置测点挠度实验实测值分别进行比较。如下表所示：表9 两种工况加固前后实验实测值比较表工况类别位置改造前实测值改造后实测值偏载1/2截面布载17.16.3126.616.1935.865.3944.724.1353.812.531/4截面布载13.882.9423.53.3433.132.7242.562.3251.981.5中载1/2截面布载15.724.2826.144.3436.054.9845.615.155.364.681/4截面布载12.981.2523.122.6233.942.943.373.1853.563.055 主要结论1. 试验荷载效应与汽-超20标准设计荷载产生的荷载效应相当，荷载效率系数均在80以上，符合大跨径混凝土桥梁的试验方法中的规定，说明本次试验有效。2.试验桥各工况应变的校验系数平均值为0.452、0.456、0.317和0.409；试验桥各工况挠度的校验系数平均值为0.428、0.446、0.277和0.269，实验应变校验系数和挠度校验系数均小于0.8且低于大跨径混凝土实验方法所规定的上限1.05。这说明实验桥跨结构在设计荷载作用下，结构的承载能力以及结构刚度满足加固设计要求，并有一定的安全储备。3.由表9可见：加固改造后各梁的实验实测应变值与加固前的值比较，均有不同程度的减小，其中挠度实验实测值与加固前的值相比减小趋势很明显。并且加固前受力较大的梁号应力及挠度的减小幅度也最大，即各梁在荷载作用下的理论应变与挠度趋于均匀了。这说明各梁号在加固后受力更为均匀，结构的整体性有十分明显的改善。4. 通过本次试验，依实测数据分析，说明该桥梁底碳纤维粘贴良好，全桥能满足承载能力设计要求，且有一定安全储备。参 考 文 献1谌润水