碳纤维增强复合材料CFRP在公路T型截面桥梁加固设计与应用

1、碳纤维增强复合材料（CFRP）在公路T型 截面桥梁加固设计与应用1大桥的加固与拓宽改造1.1 概况既有大桥位于市区北出口零公里处，横跨河流，桥长6X20m=120m,桥宽净9.5m+2x 1.5m（含2 x 0.25m栏杆地袱），梁宽11.2m。上部结构采用6跨标准 跨径为20m的简支T梁；下部结构：中墩采用柱墩射水沉桩基础，桥台采用 U 型桥台扩大基础。设计荷载汽-20级、挂-100。2006年5月省道桥检测中心，对 该桥进行检测，定义该桥处于“病态”桥梁，结合本次桥梁拓宽，将主梁荷载 等级提高至汽-超20级、挂-120。受市城乡住建委委托，将该桥拓宽至 25.0m, 其中混行车道22.0m

2、,人彳f道2X1.5m,桥长仍为6X20m=120m。根据设计委托要求，桥跨仍为6孔标准跨径为20m的钢筋混凝土简支T型 梁，将既有桥主梁采用碳纤维增强复合材（CFRP）等方式加固后摆入在新建墩_ _2 和0|眄 | ._ 一 _ 皿 , |I* 2*3*4# M7# 躺 " l 酬 H# li* 1 抻台，新建梁放在中间，桥面采用双向 1.0%横坡，由盖梁垫石调整，桥面铺装采 用6 cm沥青混凝土加10 cm 40号混凝土。则横断面布置如图1所示。图11.2 上部结构设计计算既有桥梁的设计荷载为汽-20级验算荷载为挂-100。改造后，为适应快速路 的要求，将荷载等级提高到超-20级

3、，验算荷载为挂-120,同时，由于桥面系的 改造，二期恒载也有一定的增加。改造后，本桥属于宽桥，活载内力采用 G-M法计算。由于全桥是由7片旧 梁（高1.3m,翼缘宽1.6m）及6片新梁（高1.5m,翼缘宽2.2m）组成，故本 文在G-M法计算中采用有限条法，将桥横向分成 123条梁，分别按不同的梁宽 进行横向分布计算，求得活载内力，其中控制主梁为1#、2#、7K并考虑到旧梁有一定的退化后，加固设计的承载能力（控制截面）应为Mmax=2825.55KNm, 而原梁承载力为M=2188.4 KN m,故需进行补强加固。经论证，采用碳纤维 增强复合材进行加固，若还有不足时，可采用其他措施完成。2加

4、固设计2.1 基本假定平面假定。混凝土、钢筋及碳纤维片材（CFRP,下同）符合平面假定， 且达到承载能力极限状态时，碳纤维片材的拉应变 £ c?u不应超过碳纤维片材的 允许拉应变£ c?u。弹性假定。即碳纤维片材应力bc?=Ec?£c?, Ec?为碳纤维片材的弹性模量。混凝土的应力、应变关系。受压混凝土区采用现行规范建议模型，当压 应变达到极限应变时，混凝土受压破坏。受拉区混凝土不参加工作。钢筋应力应变关系。为理想的弹塑性体。加固碳纤维片材的理想粘结。即达到受弯承载力级限状态前，碳纤维片 与混凝土之间不发生粘结剥离（脱粘）破坏。2.2 基本公式首先，观察一下在弯曲

5、行为下，CFRP的各种破坏的形态。2.2.1 破坏形态根据大量试验研究，可以观察到。 CFRP有以下五种破坏形态1:超筋破坏。即：受拉钢筋未达到屈服前，受压区混凝土被压坏;适筋破坏。即：受拉钢筋屈服后，CFRP亦达到级限拉应变，受压区混凝 土也被压坏；不完全适筋破坏。即：受拉钢筋屈服后，受压区混凝土被压坏，但CFRP此时尚未达到级限拉应变；低筋破坏。即钢筋屈服后，CFRP亦达到极限拉应变而拉断，而此时受压 区混凝土尚未破坏。当然还有第5种破坏形态，即CFRP与混凝土层间粘结剥离破坏。但在构 造措施和施工质量保证的前提下不应发生此种破坏，即此种破坏形态不在我们 讨论之内。2.2.2 正截面受弯承

6、载力公式的建立根据钢筋混凝土结构规程2的通常规定，第种破坏行为，不在我们的讨 论之列，即：CFRP加固设计亦不能出现超筋破坏形式。因此我们要讨论的是发生第、种破坏形态时的承载力公式的建立（以单筋截面为例）。当发生适筋破坏时：图2即:cfbh时，（见图2）7y, hM Mfcdbx(ho-3)+fcd(bf-b)hf(ho万)+Ecf%fAcf(h-ho)(1)此时，混凝土变压区高度x,可由下列分式确定:fcdbx + fcd(b'f b)h'f =fsdAs+Ecf说fAcf(2)当发生不完全适筋破坏3。即：当混凝土受压区高度x<七bho,但x>七cfbh时，(见图

7、3)图3 ' x， hfM <fcdbx(ho- ) + fcd(bf -b)hf(ho- ) + Ecf j% (h ho)(322止匕时，混凝土受压区的高度x和受拉区CFRP的拉应变 "由下列公式确定：fcdbx + fcd(b； -b)h； = fsd As +Ecf 品f Af(4)0.8 ° x 二；cu ；cf(5)当发生低筋破坏即：当受拉区钢筋和 CFRP配置数量较低时，止匕时x可能很小，即：x< s cfbh,且受压区受压混凝土边缘的压应变小于极限压应变，即： £c< & cu。由于 受压区高度很小，所以其取值对计

8、算结果影响不大，故可近似地偏安全地取x< W cfbh,即：MW?sdA s(h0-0.5E c?bh)+Ec? & c?Ac?h( 1-0.5 E c?bh)(6)式中(见图1、图2):M包含初始弯矩的总弯矩设计值;As受拉钢筋截面面积；?sd受拉钢筋抗拉强度设计值；Ac?受拉面粘贴的CFRP截面面积；Ec?CFRP （碳纤维片材）弹性模量；工c?bCFRP达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受 压区高度；2 2、& c? CFRP的允许拉应变，且 & c?<min1*u > ,或按文献3计取；& cf uCFRP的极限值；tcf

9、单层CFRP的厚度；& cu混凝土的极限压应变，取0.0033;b'f、h； T形截面受压区翼缘的计算宽度和翼缘厚度；b、h腹板的宽度、截面高度；ho截面的有效高度；?c混凝土轴心抗压强度设计值；c应变图上，实际混凝土受压区高度；% 受拉钢筋截面重心到混凝土受拉区边缘的距离。3计算公式的讨论3.1 界限破坏七c?b当受拉区CFRP应变与受压区混凝土边缘压应变同时到极限值时，根据平面 假设有：cfb0.8 ；cu；cu . ；cf , ；i式中:0.8为按现行规范取用的混凝土受压区高度系数，在通常非常标号混凝土（WC50）时，取为 0.8;£ i考虑二次力影响时，加固前

10、的构件在初始弯矩下，截面受拉边缘混凝 土的初始应变。可按文献3中的有关规定计算。本文讨论时暂不考虑 此值，取其为0。根据实际工程通常采用 CFRP材料，£ c?=8000 w £10000H £ 1, 3;所 以，Ec?b=0.2340.198,即：2 c?b=0.2 （本文取e c?=0.01）。而钢筋混凝土受弯构件的纵向受拉钢筋和截面受压区混凝土同时达到其强 度设计值时，构件的正截面相对界限受压区高度，Eb在通常标号混凝土下，在不同钢筋种类时，其值在0.530.622,显见七b恒大于七c?b,其相对比值为：t名十名上=3匕=0.32 0.37b ；curcf其

11、中，£c? = 0.01, £su普通钢筋达到抗拉强度设计值时的应变值，按常用普通钢筋 R235、HRB335、HRBB400、KL400 计取2。上述分析表明，只要满足不大于 CFRP的界限相对受压区高度时，一定也 不小于普通钢筋混凝土的相对界限受压区高度值，即：应为适筋梁。此时可按 公式（1）,进行设计计算。这种情况是针对适筋梁破坏形态建立的公式，它的 前提应该是受拉区配置的钢筋和 CFRP的数量应该适当，这样才能保证钢筋达 到设计值？ sd和CFRP达到允许值后e c?后，受压区混凝土亦被压坏。但国内外的许多试验研究表明，出现这种材料能充分利用破坏形态很少,即这是一个

12、比较理想的设计工作状态，但很难予以实现，尤其是在公路T型梁中,其中公式中的£c?很难达到。3.2 CFRP 的 £ c?众所周知，采用CFRP加固修复桥梁的构件，一般采用带载加固4,其承号,'.0033C77载能力可按两阶段受力迭合梁计算，其图示见图 4。图4通常公路T型截面桥梁结构自重（包括构件自重及桥面拼装、栏杆、人行 道等）引起的内力由原梁承担，该部分占短期组合内力的40%50%,本文近似 取qMg/ （%Mg+qMq） =45%,此时,构件处弹性工作阶段 淇截面上的应变值可由材 料力学公式求得，见图4中线。而活载（包括加固后增加的结构重量）作用， 则由CFR

13、P加固修补后的截面来承担。见图4中线。在界限破坏状态下:£ cl+ £ c2= £ cu=0.00333.3 sl+ £ s2= £ y(8)本文的讨论，若以常用钢种 HRB335 (II级钢)为例，即：£ y =?sd/Es=280/ (2.0X 105) =0.0014依据上述条件，可由平面假设求得：e ci=0.001458; & cf1=0.001037 (取口=0.1h）。由国内外有关规范及混凝土结构试验方法标准GB50152-92对混凝土结构受弯承载能力极限状态破坏准则规定e su可取0.01,若同时亦取&

14、 c?为0.01 时，此间，构件承载能力虽不再有明显地提高，但仍能有承受很大的变形能力（因e ye su, £ cf1 « £ c?，荷载作用下变形继续发展，直于达到极限值为止， 见图4中线。由图中不难看出，当£ s= £ su=0.01=1000O £时，C3=0.248ho,则此时相应 的 £ c?=0.011337> £ c?=0.01 ,即已超过允许值约 13.4%;又若当 £ c?= £ c?=0.01 时，q=0.248ho,则此时es=0.00868c e su=0.01,即

15、受拉钢筋未达到破坏规定的 极限值，尚有13.2%富余。由于CFRP破坏时呈脆性，故不应使£ c?> £ c?,即应以后一种形式加以控 制。当然，在原梁中钢筋及加固的 CFRP配置适当时，这两种状况都应属于本 文所述的适筋破坏。显然，当荷载（作用）产生的截面应变介于、之间时，为不完全适 筋破坏形态，此间受拉区e s> e y,但e c?< £ c?,受压区混凝土应力分布图形 达到很大程度的丰满，而最终受压破坏。图3中线的上端，摆动在、之间时，为低筋破坏形态。此间，受 拉区£ S> £ y,且£ c? = 

16、3; c?,但受压区混凝土的应力图形未能得到充分的发育， 可能是第ma阶段以前的任何一种应力图形，其取决于受拉区配置的钢筋和 CFRP数量、荷载和截面尺寸大小。3.3 关于公路T型截面的加固计算与设计在公路与城市道路中，需加固的中小跨径的桥梁中，原结构多为T型截面，其数量多，桥龄多在3050年间，损伤严重，具亟待补修加固的数量大。特点 是截面尺寸多为薄壁（或接近）结构，受压区翼缘尺寸大（bf为1600mm2200mm）,配筋率高（p >3%）,且原T型截面梁为适筋梁设计，即： 工工七根据上述的讨论，公路桥梁 T梁加固将有以下的特点：由于原结构的配筋率高，所以单纯采用 CFRP加固时，因受

17、拉钢筋数量 较大，可以使受压区混凝土应力图形能得到充分的发育，所以发生低筋破坏的 可能性小。由于受正常使用极限状态的牵制，受拉区钢筋很难达到大应变状态，如 通常公路T型截面桥梁达到最大裂缝宽度时，受拉钢筋应变约为1000 e左右, 即或CFRP的加固约束了裂缝的开展，最多能达 15002000 w E ,这也远小于 破坏时的应变值；挠度的变化也有类似情况，故受拉区亦难于达到0.01的应变值。观察近年来大量的CFRP加固受弯构件的试验研究，不难看到其破坏发 生CFRP材料拉断（即达到e c?）情况偏少，多发生在粘结界面附近。公路T型梁在极限状态时的承载能力计算中，受压区翼缘承担其中的很 大一部分

18、。因而从经济上，从材料充分利用上来看，亦应使受压区翼缘的承载 能力得到充分的发挥。鉴于上述原因，公路T型截面桥梁的加固设计计算时，除应与原结构设计 规范做好衔接外，通常不应使 CFRP达到£ c?,建议不以本文规定的适筋破坏 和低筋破坏为设计依据，而以不完全适筋破坏作为设计的依据。即以式（3）（5）进行设计计算为宜。3.4 应用实例|1 11 *市大桥原为T型截面钢筋混凝土梁桥，根据交通需要，将原桥拓宽，并将设计等级提乘步儿高一档，需对原T型梁进行加固，经分析研究 ，J 厂拟采用CFRP等方法进行加固。上图5已知：原梁正截面设计资料如图5所示： 8h=130 cm, ho=118.5cm% =11.5 cm, b=18 cm ''bf =160 cm, hf =11 cm5 号钢筋 As=84.42 cm 2fsd=230MPa25#混凝土 fcd=10.6MPa拟于下缘粘贴一层 CFRP,厚 tcf=0.167mm,Ecf=2.35X 105MPa提高等级后，要求结构(控制截面)承载能力为Mmax=2825.55KN m。求：加固后的抗弯承载能力M解：计算CFRP的界限相对受压区高度S c?bs c?b= (0.8X0.0033) /(0.0033+ e