1、預應力碳纖維板加固梁正截面抗彎性能分析吳羨1徐振立2許宏元2（1.廣東清連公路發展有限公司清遠5115152.西安瑞通路橋科技有限責任公司西安710068）摘要：作為國內公路橋梁加固首次采用的張拉碳纖維板技術，本文通過杜步大橋加固工程實踐，進行了預應力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析，加固施工后進行了荷載試驗，通過理論和試驗數據的對比，驗證了分析理論的正確性和可靠性，并給出了相應的計算公式，為今后推廣使用該技術提供借鑒參考。關鍵詞：橋梁加固；預應力碳纖維板；正截面抗彎；1預應力碳纖維板加固技術碳纖維板材是目前建筑材料中耐腐蝕（氣候）性能最好的材料之一。已有的研究成果表明：弱酸、弱堿、凍融循環

2、、長時間日照等環境作用對碳纖維的力學性能及耐老化性能影響極小。目前常用的非預應力碳纖維板加固技術，是在結構受拉區域用化學膠粘劑粘貼碳纖維板材，使其與構件混凝土及內部鋼筋共同承受拉應力。但這種加固工藝對碳纖維強度的利用率極低，因為碳纖維板材的彈性模量為165170GPa,抗拉強度高達2800MPa,要發揮抗拉強度需要1.7%的拉伸變形；而鋼筋的彈性模量一般為200GPa抗拉強度僅為300MP時右，要發揮抗拉強度需要0.15%的拉伸變形。當碳纖維板材與構件內部鋼筋共同工作時，不考慮鋼筋原有的初始應變，鋼筋屈服時碳纖維板材所能發揮的強度也僅為抗拉強度的8.8%;而在讓碳纖維發揮全部強度所需要的1.7

3、%的應變下，混凝土結構會產生大的變形及明顯的裂縫。如上所述，碳纖維加固RC梁承載能力的提高是以較大的變形為代價的，因為碳纖維材料彈性模量與鋼筋相近、強度是鋼筋的10倍，因此碳纖維材料發揮其強度時變形較大。預應力碳纖維加固法可較好的解決該問題，提高開裂荷載、屈服荷載，改善使用荷載下的性能。國內外許多研究人員及工程師對此技術進行了大量的研究，以期使預應力碳纖維加固成為傳統碳纖維加固及其他加固技術的良好替代技術。本文研究應用此技術，進行杜步大橋結構加固工程的應用與評估。2杜步大橋概況及加固方案杜步大橋位于原107國道，現清（遠）連（州）一級公路上，橋長833m斜交角度90°,橋寬21.5m

4、,跨徑布置為27X3001上部結構采用預制預應力混凝土T梁，下部橋臺采用重力式橋臺、擴大基礎，橋墩采用柱式墩、樁基礎。該橋設計荷載為汽車-超20級，掛車1200在清（遠）連（州）一級公路升級改造過程中，由于路基施工標段在刷坡施工中防護不當，部分巨石砸落到杜步大橋上，造成右幅橋第一跨橋面及梁體嚴重破壞。加固方案采用了在其中3片T梁馬蹄側面張拉預應力碳纖維板以補償原結構承載力。1、順橋向在T梁馬蹄位置張拉單層碳纖維板，碳纖維板設計厚度2.4mm寬度為60mm抗拉強度2800Mpa彈性卞g量1.65X104Mpa,極限承載力為403.2KN,張拉控制力為220KN2、預應力碳纖維板通過固定端與張拉端

5、鋼構件與T梁馬蹄側面連接，鋼構件采用Q345鋼，鋼構件表面采用整體鍍鋅防銹處理，鍍鋅外面再涂兩道紅色和銀色防銹漆；固定端和張拉端鋼構件與混凝土梁采用M20高強錨栓連接。3、施工完畢后，應在碳纖維板外表面涂抹涂料作為防護。31“13預應力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析1、非預應力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析在分析過程中，考慮了材料的非線性，采用了如下假定：1)平截面假定，由試驗結果分析及各文獻資料可以看出，CFR計材加固RC梁在純彎段范圍內，其平均應變分布滿足平截面假定。2)鋼筋采用完全彈塑性模型，不考慮強化段，其數學表達式如下：當/W%時，Qs=Es/(&y=)(1-1)Es

6、當下時，J=fy(1-2)3)不考慮混凝土的抗拉強度。4)壓區混凝土采用混凝土結構設計規范(GB5001。規定的應力-應變曲線："I、(%W%)(1-3)JQc=fcM/u)(1-4)1-，一n=2-(fcU,k-50)(1-5)60%=0.002+0.5(fcu,k-50卜10,(1-6)電=0.0033-(fcu,k-5010,(1-7)其中仃c-對應于混凝土壓應變為%時的混凝土壓應力；%-對應于混凝土壓應力剛達到fc時的混凝土壓應變，當計算的飛值小于0.002時，應取為0.002;%-正截面處于非均勻受壓時的混凝土極限壓應變，當計算的%值大于0.0033時，應取為0.0033;

7、正截面處于軸心受壓時的混凝土極限壓應變應取為0.002;fcuk-混凝土立方體抗壓強度標準值；cu,kn-系數，當計算的n值大于2.0時，應取為2.00。5)CFRPt材采用線彈性應力-應變關系2、預應力碳纖維板加固梁的正截面抗彎性能分析預應力碳纖維加固梁可按照普通預應力混凝土梁理論計算預應力碳纖維后混凝土梁的應力狀態，參照預應力碳纖維的施工工藝，基本上與后張法相同。施加預應力碳纖維后,混凝土產生的法向應力仃pc為:p(2-l)Npy二c0AI式中：Np-預應力碳纖維產生的合力，Np=Qpf；仃p-碳纖維預拉應力；p仃C0-加固前預應力鋼絞線產生的混凝土初始應力；名p-碳纖維預拉應變;pAf碳

8、纖維面積；Ecf-碳纖維彈性模量；A-加固梁截面面積；epn-截面重心至碳纖維合力點的距離;I-截面慣性矩；y-截面重心至所計算纖維處的距離；¥-碳纖維抗彎計算折減系數。由于碳纖維用量較小，預拉合力不大，張拉過程中對原梁的性能影響較小，假定混凝土在該應力作用下處于彈性階段，則預應力碳纖維后梁上下截面的應變分別為：-pc"pcbEcNpNpepnEAEcI(2-2)pcEcNpNpepnEcA-EcIcot(2-3)式中£pcb-加固梁下邊緣截面產生的壓應變，壓為正;名pct-加固梁上邊緣截面產生的壓應變，壓為正;%ob-加固梁下邊緣截面的初始壓應變，壓為正;%t-

9、加固梁上邊緣截面的初始壓應變，壓為正;相應階段碳纖維的預拉應變為&p,因此碳纖維鉆貼位置處混凝土法向應力為零時的碳纖維應變為/0=%+8.，此應變即為碳纖維的超前應變。pppcu參照二次受力的承載力計算方法，改碳纖維的滯后應變為超前應變，即可得預應力碳纖維加固梁正截面抗彎承載力的計算方法。3、預應力碳纖維加固梁正截面抗彎承載力的計算1)破壞狀態為混凝土壓碎參照第二章計算公式，考慮碳纖維的超前應變為0,其極限抗彎承載力為：(2-4)(2-5)M=a1fcbxh-+fsAs(h-a、一fyAsa<2；y混凝土受壓區高度x按下列公式計算：''其中：fcf-1fcbx=f

10、yA-fsAfcfACf|%u*Ecf&p0fcf,u0kxn)2)破壞狀態為碳纖維拉斷當破壞狀態為碳纖維拉斷時，考慮碳纖維超前應變，取中和軸高度為xn=cuh,相對受壓區高度x=?1xnoZ+Zx一名ccucf,up0對受壓區高度的一半取距，忽略受壓鑰筋產生的作用，所以極限抗彎承載力為:rxx(x1一M=fcf,uAcfh|+fyAs.h。-I(2-6)<2JI2j3)破壞狀態的判定(1)采用相對界限受壓區高度、判定(2-7)混凝土受壓區高度x采用如下公式計算：1fcbx=fyAs-fyAfcf,uAcfx-受壓區高度，x>2a'界限破壞時中性軸高度xnb為：(2

11、-8)xnb二；cuh；cf,u.；cu一；p0按照普通鋼筋混凝土理論，界限受壓區高度A=P1%b,因此相對界限受壓區高度I為:(2-9)xb-1xnb:-cuhh；cf,u.；cu-；p0若混凝土受壓區高度x<2a',則采用計算的受壓鋼筋應力替換式(4-7)中受壓鋼筋強度，從而可計算受壓區高度x。(2)采用拉、壓區合力判定碳纖維加固梁破壞狀態的判斷還可采用下述方法：計算界限破壞時壓區合力Nc及拉區合力Nt,若NcaNt,則破壞狀態為碳纖維拉斷；若Nc<Nt,則破壞狀態為混凝土壓碎；若Nc=Nt,則破壞狀態為界限破壞。Nc及Nt分別采用下述方法計算:Nt=fyAfcf,uA

12、cf(2-10)'一'Nc=c(ifcbx+fsAs(2-11)x=ixn=h(2-12)；cf,u.；cu一；P0,_xn-a''fs=Es%=Es一quWfy(2-13),工xn)4靜載試驗為檢驗橋梁實際承載能力和工作狀況,綜合評價加固效果，結合杜步大橋的特點，進行了橋梁靜載試驗。4.1 測試方案4.1.1 測試截面的確定(1)、試驗荷載作用下，跨中截面的最大應力測試。(2)、試驗荷載作用下，跨中截面的最大撓度觀測。4.1.2 測點布置為了測試T梁在試驗荷載下的應力(應變)狀況，在1#、2#、3"T梁跨中腹板下部外側布設應變片。測點布置如圖4-1所

13、示:=T!U收芝沛苴怪號,觸線片亦即圖4-1跨中截面應變測點布置圖對于撓度的測量選用精密水準儀測量，測點布置于跨中截面處。測點布置如圖4-2所示:圖4-2跨中撓度測點布置示意圖4.1.3 試驗荷載及試驗工況根據測試截面的活載內力和撓度影響線，按最不利位置布載，在保證加載效率1.052州之0.8條件下，經計算確定靜載試驗需用載重汽車20噸4輛。現場進行車輛軸距、輪距等量測，裝載過磅，并按實際情況布置車輛荷載。4.2 試驗成果4.2.1 撓度控制截面撓度實測與理論值對比見表4-1、4-2,其撓度橫向分布曲線如圖4-3、4-4所示。撓度以向上變形為負，向下變形為正。表4-1跨中一級偏載工況撓度計算值

14、、實測值與校驗系數測點編號(mm)理論值(mm)校驗系數平均校驗系數加載撓度殘余變形12.04-0.694.660.4421.84-0.073.890.4731.76-0.093.30.530.4641.00-0.012.620.3850.920.221.960.47表4-2跨中二級偏載工況撓度計算值、實測值與校驗系數測點編號(mm)理論值(mm)校驗系數平均校驗系數加載撓度殘余變形14.32-0.449.260.4724.280.167.730.5533.640.646.560.550.5943.420.815.210.6652.760.393.90.71圖4-3偏載一級工況跨中截面撓度橫向

15、分布圖圖4-4偏載二級工況跨中截面撓度橫向分布圖1<理論值心42.04卜.1.S41.961卜.工1.005RQ4rg4.003503.002M1.S&234梁號4.2.2應變在試驗荷載作用下各個工況相應控制截面應變實測值與計算值見表4-6,4-7,應變值以拉應變為正，壓應變為負。表4-3跨中一級偏載載工況應變計算值、實測值與校驗系數測點編號實測值（We）（）理論值（科e）校驗系數平均校驗系數D1-1231770.30D1-2/77/D2-1292640.450.44D2-2282640.44D3-1244540.45D3-2296540.55表4-4跨中二級偏載載工況應變計算值、實測值與校驗系數測點編號實測值（e）（）理論值（科e）校驗系數平均校驗系數D1-151-71350.38D1-2/135/D2-16011130.53-0.51D2-25421130.48D3-1508960.52D3-26415960.674.3 靜載試驗結論（1）在幾種荷載工況下，撓度測試結果與理論值趨勢一致，基本