碳纤维板在重载铁路低高度钢筋混凝土板梁体外预应力加固中的应用研究.pdf

2 0 1 5年第 1 期 铁道 建 筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 文章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 0 l 一 0 0 3 1 0 5 碳 纤维板在 重载铁 路低 高度钢筋 混凝 土板梁 体 外预应 力加 固中的应 用研 究 刘吉元 ， 马 林 ( 中国铁道科 学研究院 铁道建筑研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘要 ： 迄 今 ， 预 应 力碳 纤 维板应 用 于重载铁 路 钢 筋混凝 土 梁加 固改造 的 实例较 少 ， 其 加 固效果 尚需 深入 研 究 。本 文先 阐述 了体 外预应 力加 固钢 筋 混凝 土构件 的设计 思 路 ， 又根 据 现 行铁 路 规 范 对加 固前后 梁 体 的应 力 、 挠 度及 裂缝 宽度 进行 了检 算 ， 并通 过试验 场 内的静 载试验验 证 了预应 力碳 纤 维板加 固钢 筋混 凝 土板 梁的加 固效果 。研 究结 果表 明 ， 采 用预 应 力碳 纤维板 加 固钢 筋混 凝 土 梁 能够 显 著提 高梁体 受力 性 能 ， 在 1 2倍 Z H荷 载作 用 下能 够满 足运 营要 求 ， 该技 术可 以在 重载铁路 加 固改 造 中推 广应 用 。 关键 词 ： 碳 纤维板 重载铁 路钢 筋混凝 土板 梁 体 外预应 力 加 固 中 图分类 号 ： U 4 4 5 7 2 文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 0 1 0 7 我 国既有铁 路 上大 量采 用 了钢筋 7 昆 凝 土梁 。随着 使用年限增长 、 车辆轴重增大、 运营速度提高和运量的 快 速增 加 ， 钢筋 混凝 土 梁 尤 其 是 低 高度 板 梁 的病 害 日 益 突 出 ， 如 梁体 钢筋 应 力 增 大 、 应 力 幅 值 超 限 、 挠 度偏 大 、 梁底 开 裂严 重 、 裂缝 宽 度 超 限等 ， 从 而 导 致 结 构 承 载力下降 、 耐久性降低。 通 常 对钢 筋混 凝土 梁采 用 的加 固方法 有增 大截 面 法 、 粘贴 钢 板法 、 改 变结 构受 力体 系法 以及施 加 体外 预 应 力法 等 。 。在 诸 多 加 固 方 法 中 ， 体 外 预 应 力 加 固 法 作为 一种 主动 加 固法 ， 通过 张拉 布 置 于 结 构 本 体之 外的预应力筋对结构施加预应力 ， 使结构产生负向弯 矩 ， 从而 有 效 、 主动 地改 善 结 构 受 力 性 能 ， 提 高 结 构极 限承载能力 。但因作为加 固体系主要受力构件的预应 力筋 ， 如钢绞线 、 钢筋 ( 棒 ) 、 钢丝绳 等 ， 通 常置 于加 固 构 件外 侧 ， 容易 受到 环境 影 响而腐 蚀破 坏 ； 致 使 一种能 够 有效 替代 预应 力筋 的体 外束 材料 碳纤 维应 运 而 生 ， 并以其质量轻、 抗拉强度高、 耐腐蚀 、 耐久性能好等 优 点备 受 亲睐 。 在 梁体 结构 表 面粘贴 碳纤 维板 材或 片材 的加 固方 法在工程应用中较为常见 ， 但粘贴 的碳纤维材料产生 的抵 抗 弯矩 较小 ， 不 能 消 除结 构初 始 变 形 和 减 小初 始 裂缝 ， 碳纤维的高强性能也只有在钢筋屈服后才能得 到 利用 。 大量试 验 证 明 ， 将 预应 力 技 术 和 碳 纤 维 板材 相结合 ， 采用体外预应力碳纤维板加 固技术能有效解 收稿 日期 ： 2 0 1 4 一 1 0 1 0 ； 修 回日期 ： 2 0 1 4 1 1 - 0 2 基金项 目： 国家科技支撑计划项 目( 2 0 1 3 B A G 2 0 B 0 0) 作者简介 ： 刘吉元( 1 9 8 3 ) ， 男 ， 山东临沂人 ， 助理研 究员 ， 硕 士。 决这些问题 。但采用碳纤维板加 固铁路钢筋混凝土梁 的应 用 实例 较少 ， 加 固效果 有待进 一 步研究 。 1 加 固设计 简 支梁属 静定 结 构 ， 采 用 体外 预应 力 加 固后 变 为 带柔性拉杆的一次超静定混合体系， 但加 固过程并未 改变结构的支撑和约束体系 ， 故加固后 的结构体系仍 为 简支 静定结 构 。桥 梁 加 固 一般 在 原 桥 位进 行 ， 施 加 预应 力 时梁 体 仍 承 受 恒 载 ( 自重 、 二期 恒 载 ) 作 用 ， 预 应力施加完成后 ， 梁体在恒载及预加力共 同作用下处 于平 衡状 态 。 采用 体外 预应 力 加 固 的 钢筋 混 凝 土 梁 ， 因选 取 的 预应力度不同， 在设计荷载作用下属于不 同类型的结 构 。若所 选 预应 力度 较 大 ， 在 设 计荷 载 作 用 下梁 体 下 缘不 出现拉应 力 或不 开 裂 ， 结 构 属 于全 预 应 力 或部 分 预应力混凝土 A类构件 ； 若所 选预应力度较小 ， 梁体 下缘出现裂缝 ， 则结构属于部分预应力混凝土 B类构 件 。对 于重载 铁路 的低 高 度钢 筋 昆凝 土 梁 ， 为适 应 重 载运输的要求 ， 通过在梁体下缘张拉 、 锚固预应力碳纤 维板对其进行加固， 将钢筋混凝土梁变为部分预应力 昆 凝土 B类梁 ， 从而 达到降低 恒载应力 、 改善活载应 力 的 目的 。 碳纤 维板 材抗 拉强 度 高 ， 抗 弯折强 度较 低 ， 直 线 配 束更利于碳纤维板的受力 ； 低高度板梁梁高较矮 ， 预应 力体系布置在梁体底面 ， 可最大限度地提高加 固效率 ； 碳纤 维板 锚 固点 与支座 间需 预 留一定距 离作 为张拉 空 间 ， 综 合考 虑 以上 因素建 立如 图 1所示 的计算 图式 。 3 2 铁道建筑 注 ： h为原梁高度 ； 为原梁计算跨 径； L 为锚 固点中心至支座中心的水 平距离 ； L 2两锚 固点 中心之间 的水 平距离 ； c为预 应力筋 中心 至梁 体 下缘 的距离 ； h 为预应力筋 中心至梁体换算 截面重心 的距离 。 图 1 体外预应力加 固低高度钢筋混凝土梁计算 图式 2 加 固检算 本 文 以跨 度 1 2 m 低 高 度 钢 筋 混 凝 土 板 粱 ( 图 号 ： 专桥( 8 8 ) 1 0 2 4 ) 为例进行相关 的加固检算 。跨度 1 2 IT I 低 高度 钢 筋 混 凝 土 板 梁 ， 梁 体 全 长 1 2 5 11 1 ， 计 算 跨 度 L=1 2 0 0 m， 梁 高 h：0 8 5 m， 腹 板 宽 度 1 1 m， 截面轮廓 及主筋 布置见 图 2 。梁体 采用 3 5 0 号 ( C 3 3 ) 混 凝 土 ， 单 片 梁 重 4 0 5 2 k N， 梁 底 布 有 3层 共 计 4 2根 2 5纵筋 。 图 2 梁体截面轮廓及钢筋布置( 单位 ： e m) 该板梁按 中一活载设计 ， 为适应重载运输要求而 设定 的加 固改 造 目标 荷 载 为 1 2倍 Z H 活 载 ( 中一 活 载( 2 0 0 5 ) ) 。计算荷 载按 以下取值 ： 自重 q =2 9 4 0 k N m； 二期恒载 g ： = 2 2 9 7 k N m； 活载分别按原设计 活 载与 加 固 改 造 目标 荷 载 计 算 ， 冲 击 系 数 1+ = 1 2 8 6 。内力计算 结果 见表 1 。 在 满足 碳纤 维 板锚 固区域 长度 的前 提下 ， 确 定 = 2 1 m， c= 0 0 5 m， 则 有 L 2 =7 8 m， h l =0 5 0 4 m； 选 取 的碳纤 维 板 截 面 尺 寸 为 5 0 mm 3 mm， 张 拉 控 制 力 设 为 2 2 5 k N 条 ， 在 梁 底 布 置 5条 碳 纤 维 板 时 ， 加 固前 、 后梁体的主要检算结果见表 2 。表 中跨 中挠 度计算时截面惯性矩 ， 不计受拉 区混凝土 ， 截面刚度 取 0 8 E ， ， 自重作用 产生 的跨 中挠度 为 6 3 mm； 原 梁 混凝 土 容许 压 应 力 按 文 献 5 为 1 3 5 3 MP a ， 按 照 文 献 6 相 当 于 C 3 3混 凝 土 ， 则 容 许 压 应 力 为 1 48 0 MPa 表 1 跨度 1 2 m 低高度钢筋 混凝 土板 梁内力计算 k N m 注 ： 中一 活载组合 =自重 +二期恒载 +中一活载 ； 1 2倍 Z H活载组合 =自重 +二期恒 载 +1 2倍 Z H活载。 表 2梁体加 固前 、 后主要检算结果 由上可 知 ， 采用 5条 碳纤 维板 加 固后 的跨 度 l 2 m 低高度钢筋混凝土板梁 ， 加固后 比加 固前( 活载为 1 2 倍 Z H活载 ) 梁体 钢筋 应力 降低 了 6 0 2 M P a ， 混凝 土 压 应力降低了 1 9 MP a ， 裂缝宽度减小了 0 0 3 9 mm， 跨 中挠 度减 小 了 9 7 mm； 相 比原 设 计 活 载 ( 活 载 为 中一 活载 ) 钢筋 应 力 降低 了 2 7 7 MP a ， 混 凝 土 压 应 力 增 加 了0 7 MP a ( 但 仍满足 规范要 求 ) ， 裂 缝 宽度减 少 了 0 0 1 5 m m， 跨 中挠 度减小 了 4 1 m m。 1 剖 ， _ _ f j L _ l 2 0 1 5年第 1 期 刘 吉元 等 ： 碳纤维板在重载铁路低 高度钢筋混凝土板梁体外预应力加 固中的应用研究 3 3 3加 固效果验证试验 3 1 原 梁静 载试 验方 案 试 验梁 为 2 0 0 4年 在 某 既 有 线 修 建 复线 时原 桥 位 旁浇筑的一片 1 2 m钢筋混凝土板梁 ， 因当时拆模后发 现梁体出现环形开裂而未使用 ， 一直被弃置在桥位附 近 ， 2 0 1 2年 1 0月 将其 运至 试验 场开 展相 关研 究 。 试验加载时 ， 纵向采用 “ 两点 +分配梁” 即四点加 载方式进行加载 。横 向加载位置为梁体 实际使用 过程 中钢轨 在梁 体顶 面上 的投 影 位 置 ， 见 图 3 ， 试 验 现 场照片见图4 。加载共分为 l 0级 ， 其中第 l级为二期 恒载级 ， 第 7级为 中一活载级 ( 二期恒载 +( 1+ )X 中一活载) ， 第 1 0级为 1 2倍 Z H活载( 二期恒载 +( 1 + 肛)X Z H 活载 X 1 2 ) 。 4 4 4 f l r - 】-_ P r j -_ P 3 I 2 l 2 l 2 【 3 口 口 一分配梁 = d一 、 I 尸 广 图 3 静载试验 纵向加载图式( 单位 ： m) 图 4 静载试验现场 布置 3 2静 载试 验 的主 要结 果 1 ) 试 验 中施 加 荷 载 小 于 1 2倍 Z H 活载 时 ， 钢 筋 应力与加载荷载等级呈线性关系 ， 如图 5给出了其 中 一 根 钢 筋应 变值 随加 载循 环 的变 化 曲 线 。加 载 至第 7 级时， 钢筋应力最大值为 1 3 4 6 MP a ， 考虑 自重影响后 钢筋应力为 1 7 2 7 MP a ； 加载至第 1 0级时钢筋应力为 2 0 6 4 MP a ， 即 1 2倍 Z H活载作用下钢筋应力已超过 容许 应力 1 8 0 MP a 。 0 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 钢筋应变， ( 1 0 一 ) 图 5 钢筋 应变随加 载荷 载变 化曲线 2 ) 梁体竖 向挠度与加载等级 的关 系符合钢筋混 凝 土结 构在荷 载作 用下 的发 展规 律 ： 第 l 循 环加载 时 ， 梁体挠度与加载荷载的关系是非线性的， 反映了梁体 在加 载过 程 中逐渐 开裂 的过 程 ， 在第 2 、 第 3循 环加 载 ( 至 中一 活载 级 ) 时 挠 度 与 加 载 荷 载 的关 系 基 本 呈 线 性变化 ， 反映了梁体在开裂后重新达到一个新 的平衡 状态 ， 见图 6 。加载至 中一活载级 时， 跨 中左 、 右侧挠 度平 均值 为 1 4 6 mm； 加 载 至 1 2倍 Z H 活 载 级 时 为 1 8 6 m m， 挠度校验系数分别为 0 6 3 ， 0 6 5 。 1 0 1 5 2 0 2 5 竖向挠度 ra m 图 6跨 中挠度与加载荷载关系 3 ) 梁体存在大量初始裂缝 ， 裂缝宽度随加载荷载 等级基本呈线性发展， 部分裂缝在二期恒载与设计活 载作用下的裂缝宽度就 已达到或超过规范允许值 ， 见 图 7。 综上 ， 通 过对跨 度 1 2 1T I 低 高度 钢筋 混凝 土板 梁梁 体应力、 挠度 、 裂缝的测试及分析 ， 表明试验梁本身状 态较差 ， 但能够满足设计活载作用下的使用要求； 当活 载增大至 1 2倍 Z H活载后， 梁体 的竖 向承载能力突 显不 足 。 3 3加 固后静 载试 验 2 0 1 4年 3月对该 片板梁进行 了碳纤维板 体外 预 应力加 固， 即在梁体底面共布设 5条碳纤维板 ， 按 照 “ 3条 + 2条” 方式锚固， 详见 图 8 。加 固体系中采用的 姗 枷 瑚 z ) I 埠锯曩 伽 姗 瑚 啪 N 埠瓣 3 4 铁道 建 筑 O 4 0 3 餐 谋 0 l o 梁 体内测6 4 m处裂缝宽度 一 裂 缝宽度 限值( 恒载) I 2 倍Z H 活耄 ? 塞 毒 ； 8 ： 中 一 活载 ； 孥 巷 8 2 00 3 00 40 0 50 0 6 00 加载荷载 2 P k N 裂缝宽度 与加载荷载关系 碳纤 维 板 截 面 为 5 0 m m X 3 mm， 极 限 抗 拉 强 度 2 5 0 0 MP a ， 弹 性模 量 1 6 0 G P a 。5条 碳 纤 维 板 的张 拉 顺序为一一一一 ， 单条张拉应力 1 5 0 0 MP a ( 2 2 5 k N) 。 碳纤维板张拉过程中分 3种工况对梁体进行了试 验加载 ： 工况 1 ， 张拉完第 、 根碳纤维板 ； 工况 2 ， 张 拉完第 、 、 、 根碳纤维板 ； 工况 3 ， 张拉完全部 5 根 碳纤 维板 ， 即加 固完 成后 。各 工 况下 静 载 试 验 的加 载方式 、 加载等级与加 固前相同。 图 8 梁体底面加 固体 系布置 1 ) 对恒载 的影 响 张拉过程中对每条碳纤维板张拉前后梁体钢筋应 变 的变 化量 ( 负值 为减小 ) 进 行 记 录并 累计 ， 得 到 自重 与二期 恒载作 用下 碳纤 维板 张拉 的加 固效 果 ， 见 表 3 。 由表可 知 ， 在 自重 与二期 恒载 作用 下 ， 张拉 5条碳纤 维 板 能使 梁体 下缘 钢筋拉 应力 平均 降低 3 0 6 MP a ( 钢筋 弹性模 量 为 2 0 0 G P a ) 。 表 3碳 纤 维 板 张 拉 过 程 中 钢 筋 应 变 增 量X 1 0 2 ) 对活 载 的影 响 分别在加 固前、 工况 一、 工 况二及 工况 三 ( 加 固 后 ) 条件下对梁体进行了试验加载， 加载 至 1 2倍 Z H 活载时所测试钢筋的应变值见表 4 。由表中碳纤维板 加 固前后梁体钢筋应 变的变化量可知 ， 在 1 2倍 Z H 活载作用下 ， 并张拉 5条碳纤维板 能使梁体下缘钢筋 拉 应力 平均 降低 1 5 2 MP a 。 实测 碳纤 维板 加 固前后 ， 梁 体 钢 筋应 力 减 少 3 0 6 +1 5 2= 4 5 8 MP a ， 小 于理 论计 算 的 6 0 2 MP a 。分 析 原 因主要 有 以下 两点 ： 理论 计 算 时碳 纤 维 板 中有 效 表 4 梁体加 固前后 1 2倍 z H活载作用下钢筋应变 1 0 一 预应 力 取 1 5 0 0 MP a ， 未 考 虑 梁体 压 缩 、 锚具 回缩 等 损 失 ； 梁体 已在 1 2倍 Z H活载下充分开裂 ， 施加预压 力后 梁体需 经 过一段 时 间才能 达到新 的平 衡状 态 。 3 ) 对 刚度 的影 响 碳纤维 板加 固前 后粱 体跨 中挠 度见 表 5 。 由表 可 知 ， 1 2倍 Z H 活载 作用 下 ， 加 固前 梁 体左 右侧 跨 中挠 度 平 均 值 为1 8 6 mm， 加 固 后 为l 6 1 mm， 减 小 1 3 4 表 5 碳纤维板 加固前后 梁体 跨中挠度 I1 1 1 1 7 冈 0 2 0 1 5年第 1 期 刘 吉元 等 ： 碳纤维板在重载铁路低高度钢筋混凝土板梁 体外 预应 力加 固中的应 用研 究 3 5 实测 碳 纤 维 板 加 固前 后 ， 梁体 跨 中挠 度 减 少 2 5 iT l m， 相 比 加 固 前 跨 中 挠 度 ( 6 3 + 1 8 6 = 2 4 9 mlT 1 ) 减 少 1 0 0 ， 小于 理 论计 算 的 2 7 7 ， 分 析 原因主要是理论计算时截面惯性矩 ， 不计受拉 区、 截 面刚度按 0 8倍折减 ， 施加 的预加力对梁体产生 的弯 矩 比实 际要 大 ， 引起 的反拱 也偏 大 。 4 结论 通 过理论 分 析及 加 固前 后 的试 验 验 证 ， 得 到 以下 主要 结论 ： 1 ) 采用碳纤维加固跨度 1 2 1T I 低高度钢筋混凝土 板梁 ， 能够有效降低梁体钢筋应力 、 裂缝宽度 ， 同时混 凝土 压应 力小 于规 范 限值 。 2 ) 原梁静载试验 表明 ， 试验梁本 身状 态较差 ， 尚 能够满 足设 计 活载 作 用 下 的使 用 要 求 ； 当活 载 增 大 至 1 2倍 z H活载后 ， 梁体的竖向承载能力 已不满足相关 规范要求 ； 采用 5条碳 纤维板加 固后 ， 恒载应力 降低 3 0 6 MP a ， 活载 应 力 降 低 1 5 2 MP a ， 梁 体 刚度 提 高约 1 3 4 ， 加固后 的梁体能够满足 1 2倍 Z H活载 的使 用 要求 。 综 上 ， 采用 预应 力碳 纤 维 板 加 固 低 高度 钢 筋 混凝 土板梁能够有效 改善梁体受力性 能， 满足 1 2倍 Z H 活载作用下的使用要求 ， 加 固效果显著， 建议在重载铁 路 加 固改造 中推 广应 用 。 参 考 文 献 1 池绍进 体外预应 力 C F R P加 固混凝 土薄 壁箱 梁抗弯性 能 试验 及分 析 D 长沙 ： 湖南科技大学 ， 2 0 1 2 2 俞好 爱 ， 罗小秀 ， 李德 慧 某 T构桥体 外预应力 及粘钢 板综 合法加 固及效果 J 铁道建筑 ， 2 0 1 2 ( 1 1 ) ： 3 1 3 3 3 邵华英 ， 刘 旋云 预应力混凝土连续梁桥维修加 固技术 的对 比研究 【 J 中外公路 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 1 9 8 - 2 0 2 4 黄侨 公 路 钢筋 混凝 土 简 支梁 桥 的体 外 预应 力加 固技 术 M 北京 ： 人 民交通出版社 ， 1 9 9 8 5 中华 人 民共 和国铁 道部 T B J 2 8 5 铁 路桥 涵设 计规 范 S 北 京 ： 中国铁道 出版社 ， 1 9 8 6 6 中华人 民共和 国铁 道部 铁 运 函 2 0 0 4 1 2 0号 铁 路桥 梁 检定规范 S 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 4 7 中华人 民共和 国铁道部 T B 2 0 9 2 -2 0 0 3 预应 力混凝土铁 路桥简支梁静载弯 曲试验方法及 评定标 准 S 北京 ： 中国 铁道 出版社 ， 2 0 0 3 S t ud y o n a p p l i c a t i o n o f c a r b o n f i be r p l a t e i n e x t e r n a l p r e s t r e s s r e i n f o r c i n g f o r l o w- he i g h t r e i n f o r c e m e nt c o n c r e t e s l a b g i r de r o n h e a v y h a u l r a i l wa y LI U J i y u a n， MA L i n ( R a i l w a y En g i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e， C h i n a A c a d e my o f Ra i l w a y S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： The r e we r e f e w a p pl i c a t i o n s o f p r e s t r e s s e d c a r b on f i b e r pl a t e i n r e i nf o r c e me n t of r e i nf o r c e d c o n c r e t e g i r d e r s u s e d i n h e a v y h a u l r a i l wa y I n t h e p a p e r ， the d e s i g n i d e a o f e x t e r n a l p r e s t r e s s i n g u s e d i n c o n c r e t e gi r d e r s r e i nf o r c e m e nt wa s i nt r od uc e d， a nd the s t r e s s ， de fle c t i o n a n d c r a c k wi dth o f the g i r d e r s b e f o r e a nd a f t e r r e i n f o r c e me n t we r e c a l c u l a t e d a c c o r d i ng t o t he c u r r e n t r a i l wa y c od e The e ffe c t o f r e i nf o r c e m e nt wa s ve r i f i e d t ho u g h th e s t a ti c l o a d t e s t s Th e r e s u l t s i n d i c a t e d tha t the p r e s t r e s s e d c a r b o n f i b e r p l a t e u s e d f o r r e i n f o r c e c o n c r e t e s l a b gi r d e r s c a n s i gni fi c a n t l y i mp r o v e the s t r e s s p e r f o r ma n c e o f gi r d e r ， a n d s a t i s f y the o p e r a t i o n a l r e q u i r e me n t s u n d e r t h e 1 2 t i me s Z H l o a d Th i s t e c h n o l o g y wa s s u g g e s t e d t o a p p l y i n the r e inf o r c e me n t o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s l a b gi r d e r s u s e d i n he a v y ha u l r a i l wa y Ke y wo r d s：Ca r b on fibe r pl a t e；H e a vy ha ul r a il wa y；Re i nf or c e m e nt c o nc r e t e s l a b g i r d e r；Ext e r n a l p r e s t r e s s i n g； Re i n f o r c e m a nt ( 责任 审编孟庆伶)