碳纤维布采用预应力卸载法加固钢筋混凝土空心板桥的分析研究

碳纤维布采用预应力卸载法加固钢筋混凝土空心板桥的分析研究太原理工大学学报发布时间：2008-09-23作者：王涛，黄平明摘要：为了充分利用碳纤维材料强度，提出新的碳纤维加固技术-预应力却载法。结合宜昌市境内的龙潭河桥修建工程，详细论述了这种技术的设计思路和施工工艺，通过单梁荷载试验，验证了预应力却载法的可行性。研究成果对今后粘贴碳纤维加固法在桥梁工程中的应用与研究有一定的指导意义。碳纤维增强复合材料因其优异的力学性能，成为近年来被大量应用于多种结构补强加固中的一种新型材料。同时随着桥梁加固技术的不断进步，碳纤维粘贴补强技术在理论设计和施工等方面也得到了进一步完善和发展，成为目前研究的热点。在这方面，广大学者和桥梁工作者进行了大量的研究，取得了不少成果。笔者在工程实践及试验研究中都发现，目前采用一般粘贴碳纤维布的加固方法，碳纤维布高强度的特点仅在梁中主筋屈服后才得以充分发挥;对于大多数被加固梁板在加固后的二次受荷过程中，碳纤维布的应力始终滞后于原结构的累计应力，采用碳纤维布加固的梁板，开裂荷载和屈服荷载的提高仅为5%~10%。虽然受拉钢筋屈服后极限荷载有显著提高，但此时构件一般都已开裂十分严重，变形也很大，这种承载力的提高对正常使用阶段结构性能的改善无显著作用。目前，国内外研究机构比较热衷于碳纤维布的预应力技术研究。该技术采用特殊张拉设备对碳纤维布施加预应力，再粘贴到桥梁结构上实施加固。这样，在外加荷载前，碳纤维布即已承受预拉应力，使其高强度的特点得以提前发挥，提高加固效果。从已有的文献资料中我们可以看出，尽管这种预应力技术在实验室中表现出良好的加固效果，但由于施加预应力的施工张拉设备比较复杂，使得这种技术目前难以应用于工程实践。根据笔者亲身参与碳纤维粘贴补强技术在桥梁工程中应用的研究工作，提出了新的碳纤维布加固技术-预应力卸载法。将传统的体外预应力施加技术与碳纤维加固技术结合起来用于结构的加固，以便使碳纤维布可以较早地参加工作，从而使其高强度的特点得以提前发挥，提高加固效果。本文结合工程实例进行分析研究，详细论述该施工技术的设计思路和施工工艺，并在实际工程中通过荷载试验验证了其可行性。1工程实例桥梁概况工程实例为湖北省宜昌市龙潭河桥。该桥是新建桥梁，桥型为等跨四孔钢筋混凝土空心板桥，上部结构采用普通钢筋混凝土空心板，板底粘贴三道18cm宽双层碳纤维布的新结构形式;下部构造采用扩大基础，U形重力式桥台和三柱式桥墩。全桥横向由13片空心板组成，形成双向四车道二级公路桥，桥面净宽(m):16+2X2人行道。本桥的设计荷载标准为汽车-超20级，挂车-120。2预应力卸载法加固设计2.1设计思路预应力卸载法的基本思路是:利用千斤顶等上顶装置在梁底施加与恒载反方向的荷载，消除梁体已有变形，并且使其产生一定的反向变形，在该变形状态下粘贴碳纤维。当碳纤维与梁体结构粘贴可靠后，撤收施加预应力的设备。该技术利用了传统的体外预应力施加技术，首先使结构产生一个反向的变形，而后粘贴碳纤维布。在碳纤维布粘贴可靠后，撤收施加反力设备。于是，在结构恢复原来形状的过程中，碳纤维布被拉伸，而且被拉伸的力是由碳纤维与梁体之间的剪应力提供的，在梁体的下部将产生相向的剪力，这种剪力类似于偏心压力，正是这种偏心力使结构处于类似后张法预应力的状态。这样，一旦使用荷载作用到结构上，首先需要抵消这部分预应力，从而提高了结构的承载能力。2.2施工工艺预应力卸载法的施工工艺基本与一般粘贴碳纤维布的加固方法要求的一样，只是本方法在进行所有施工工序之前首先要施加上顶力，并在碳纤维布与梁体可靠粘结后，逐级卸载反力。其工艺流程为:施加上顶力→构件表面处理→涂刷底层涂料→粘贴面修补整平→粘贴碳纤维片材→养护→逐级卸载反力→表面涂装→完工质量验收。其他的施工工序已在《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》中做了详细全面的阐述，在此不再复述。2.3确定上顶力这项技术的施工难点在于上顶力的确定和施加，要注意施加反向荷载不能使结构产生初始的塑性变形。下面通过计算确定上顶力(如图1所示)。计算原则为:1)控制断面上缘应力接近于零，即上缘不会出现压应力，即使出现拉应力也不超过混凝土的抗拉强度;2)保证控制断面梁体基本无变形，即使得梁体底面保持在同一平面内。式中:X1、X2为支座反力;N为上顶力；g1为一期恒载集度；L为梁的计算跨径。解方程组得:上顶力N=88.368kN.为方便施工，上顶力应选取整数值。同时需考虑到原则2)的要求，选取了若干整数值利用桥梁专用计算软件反算梁体的几何变形进行比较。下面以N=88,90,102kN为例进行比较，如表1所示。由表1可知，在三个上顶力分别作用下，它们产生的应力值都很小，即使产生拉应力也远远小于C30混凝土的抗拉强度Rt=1.75MPa;而随着上顶力的增大，梁体的下挠值逐渐减小。当N=102kN时，梁体底面基本保持在同一平面内，并且它产生的拉应力δs=0.676MPaRt=1.75MPa，故选取N=102kN作为上顶力值较为合适。3施工监控本桥在施加上顶力的整个过程中，同时通过监测装置进行实时监控。梁体跨中控制截面上布设的监测装置有两种，一种是在控制截面底板两外侧沿梁体的纵轴线对称安设的挠度计;一种是在控制截面顶板和底板处沿纵轴线方向居中布设的光纤应变传感器。挠度计是在施加上顶力的过程中，控制跨中截面梁体的上顶位移，从而控制千斤顶施加的上顶力值的大小，同时挠度计也可较为直观地反映梁体的受力状态是否稳定，只有待梁体稳定后才可进行下一道工序。光纤应变传感器是在施加上顶力之后，观测控制上缘的应力应变值是否接近于零，即控制跨中截面基本不出现负弯矩或即使出现负弯矩，其对上缘控制点产生的拉应力也不会超过混凝土抗拉强度为宜。研究随机选取两片空心板的数据结果如表2、表3所示。由施工资料可知，预制空心板使用的是30号混凝土，其弹模E=30GPa;又由上表可看出，1号梁和2号梁跨中控制截面顶板应变的监控实测平均值。由此可推算出施加上顶力后，1号梁和2号梁跨中控制截面顶板应力的监控实测值如下:δ1和δ2都与理论计算值δs=0.676MPa较为接近，且都小于理论计算值，这表明施加N=102kN的上顶力是可靠有效的。4单梁试验分析为初步验证预应力卸载法施工技术的合理性，确定结构真实的受力特性，在第一批空心板粘贴碳纤维施工并养护完以后，对随机抽取的两片空心板进行单梁荷载试验。4.1试验方案及实施过程利用施工场地现有的监控仪器设备对其跨中控制截面的内力和几何变形进行了检测。在预制场地将梁体架设在临时支座上，临时支座放置位置与设计支座位置要保持一致。测点布置如图2所示。试验荷载采用汽-超20和二期恒载共同作用下的等代荷载。经分析计算，等代荷载产生的荷载效应与汽一超20和二期恒载共同作用下的荷载效应比较所得荷载效率为:η=91.9%，符合《试验方法》规定，表明本试验由等代荷载加载有效。4.2试验结果分析4.2.1理论数据计算本文采用空间有限元程序Ansys对碳纤维布粘贴空心板结构进行仿真分析，能够真实模拟结构的实际截面几何特性及刚度，从而得出更为精确的计算结果。整个有限元分析模型采用分离式的三维模型，即混凝土采用3-D钢筋混凝土实体单元Solid65;钢筋采用3-D杆单元Link8;碳纤维布采用膜单元She1141.Solid65单元可以计算开裂和压碎，考虑到收敛性，计算时关闭混凝土的压碎功能，混凝土的破坏主要由其抗拉性能来控制，混凝土破坏准则采用William-Warnke5参数强度准则，屈服准则采用多线性随动强化模型(MKIN)。钢筋采用双线性随动强化模型(BKIN)。考虑到梁的对称性，取1/2梁(即1/2模型)进行分析，以节约计算时间和计算机内存空间，加快分析进度。网格划分时确保混凝土与钢筋、混凝土与碳纤维布的单元节点重合，以保证相互间有足够好的粘结而无相对滑移。在设计荷载和试验等代荷载作用下，跨中截面测点应变和位移值的计算结果汇总如表4所示。4.3试验分析结论1)以上列表分析可知，试验值与计算值吻合较好，说明试验方法正确，有限元仿真分析数据可靠。2)由以上各表的计算值和试验值的比较可得，应变校验系数和挠度校验系数均比较小，且低于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》中所规定的1.05的上限。这说明试验梁在设计荷载作用下，结构处于弹性工作阶段，具备设计要求的承载能力，且有一定的安全储备。3)据上述分析研究表明，这种预应力卸载法碳纤维粘贴施工技术是安全合理有效的。5结束语碳纤维增强复合材料(CFRP)具有很高的强度重量比，极好的耐腐蚀性能及耐久性，施工便捷等优点，使得这种材料在桥梁结构加固中迅速得到了广泛的应用。但是，现有的碳纤维加固技术往往不能使其强度得到充分发挥，这也制约着碳纤维复合材料在加固领域中的进一步应用和发展。笔者针对此提出新的碳纤维加固技术二预应力卸载法，并首次在湖北省龙潭河桥进行了尝试，且通过试验验证了该施工技术是行之有效的方法，应用于钢筋混凝土桥梁加固工程中是完全可行的。