碳纤维布加固预应力混凝土空心板桥极限承载力全过程分析.pdf

碳纤维 布加固预应力混凝土空 心板 桥极限承载力全过程 分析 陈淮 ， 邹旭岩 ， 朱 俊涛 ， 钱辉 7 5 碳 纤维布加 固预应 力混凝 土空心板桥 极 限承载 力全过程分析 陈淮 。 邹旭 岩 ， 朱俊 涛 ， 钱辉 ( 郑 州大 学土 木 工程 学 院 ， 河 南 郑州 4 5 0 0 0 1 ) 摘要 ： 对 采用碳纤维布加 固后 的装 配式 预应力 混凝 土空 心板桥 进行 极 限承 载力分 析 。采 用 MI D As F E A 有 限元 软 件 建 立 计 算 模 型 ， 考 虑 材 料 的非 线 性 ， 计 算 空 心 板 在 4种 工 况 下 的极 限 承 载 力 。计 算 结 果 表 明 ； 采 用 碳 纤 维布加固空心板桥 ， 改善 了空心板 的受力性 能 ， 提高了空心板 的屈服荷 载和极 限荷 载； 空 心板 的屈 服荷载和极 限荷 载随碳纤 维布用量 的增加呈 非线性增大 ； 加 固后 的空心板 挠度明显减小 ， 空心板变形得到有效 的控制 。 关键 词 ： 预 应力混凝土桥 ； 空心板 ； 碳 纤维布 ； 桥梁加 固； 极限承载 力； 有限元法 中图 分 类 号 ：U4 4 5 7 2 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 7 5 0 4 1 引 言 外 贴碳 纤维 布加 固法是 近 年来 常用 的一 种公 路 桥 梁加 固方 法 ， 碳纤 维 布 ( C F R P) 具 有 自重 轻 、 强 度 高 、 抗疲 劳 、 耐腐 蚀 性 好 、 对 桥 梁 使 用 影 响较 小 等 特 点 _ 1 ， 因此 ， 在桥 梁 加 固 中得 到 广 泛 应 用 。 目前 ， 许 多 学者 对碳 纤维 布加 固混凝 土梁 板进 行 了试 验研 究 和 理 论 分 析 ， 但 对 采 用 碳 纤 维 布 加 固后 的预 应 力 混凝 土 空 心 板 桥 进 行 极 限 承 载 力 全 过 程 研 究 较 少 。因此 ， 研 究碳 纤 维 布 加 固技 术 用 于承 载 能 力 不 足 的装 配式 预应 力 混 凝 土 空 心 板 桥 ， 具 有 较 高 的理 论 价值 和较 大 的实用 价值 。 2 计算 模 型的 建立 某装 配 式简 支板 桥 ， 跨 径 1 6 m， 桥 面净 宽 1 1 0 m， 由 1 2块预制预应力混凝土空心板组成， 板截面 宽 0 9 9 m、 高 0 7 5 I 1 7 。由于 桥梁 荷 载 等 级 提 高后 ， 承 载能力 不 满足 使 用 要 求 ， 故 采 用 在 空 心 板 底 粘 帖 碳纤 维布 的 方法对 该 桥进 行加 固 。该 桥设 计采 用 的 混凝 土 、 钢 绞线及 加 固所 用 碳 纤 维 布 材 料 特 性 见 表 1 ， 预应力 混凝 土 空心 板几 何尺 寸 如 图 1 所 示 。 建模 假 定混 凝土 、 钢 筋 、 C F RP三 者 之 间粘 结 良 好 ， 不考虑 相 对滑 移 ， 碳纤 维 布 面单元 与 空心 板 实 体单 元采 用共 节点 的 方法 模 拟 ， 混 凝 土 采用 8节 点 6面体实体单元模拟 ， 由于实体单 元的形状在非 线 性分 析 中对计 算结 果 收敛 性 影 响很 大 ， 故 在划 分 混 凝 土 单 元 时 3 个 方 向 的 比 例 控 制 在 1： 0 7： 0 7 表 1 混凝土 、 钢绞线及碳纤维布材料特性 MP a l 2 7 0 j 4 5 0 l 2 7 0 i 广 十 ( a )横断面 ( b )预应力钢绞线布重 单位 ；m 图 1 预 应 力 混 凝 土 空 心 板 几 何 形 状 左右 ； 钢 筋采 用杆 单元 模 拟 ， 当钢 筋 的应 力 达到抗 拉 强度 时屈 服 ， 应 力 将 不 再 增 加 ； 板 底 粘 贴 的 C F R P 采用 平 面单 元 模 拟 ， 该 单 元 只 能 承 受 拉 力 ， 没 有 抗 弯 、 抗 压 能力 ， 符 合 C F R P在 空 心 板 中 的 实 际 受 力 情 况 ， 假定 C F R P材 料 为 理 想 线 弹 性 材 料 ， 当 纤 维 应 力 超过 其抗 拉 强度 ， 则认 为 断裂 ， 同时假定 达 到受 弯承 载力 极 限状 态 之 前 ， 碳 纤 维 片 材 与 混凝 土 之 间 不 发 生粘 结剥 离破 坏 。作 用在 空 心板上 的荷 载 为恒 载 和通 过 荷载 横 向分 布 系数求 得 的活载 。采用一 般 简 支边 界 条件 。在 进行 极 限承 载力 非线 性全 过程 分 收 稿 13期 ： 2 0 1 0 0 9 0 9 基金项目 ： 河南 省杰出人才计 划项 目( 0 8 4 2 0 0 5 1 0 0 0 3 ) 作者 简介： 陈淮 ( 1 9 6 2 ) ， 男， 教授 ， 1 9 8 3年毕业于湖南大学力学专业 ， 获学士学位 ， 1 9 8 6年毕业 于重庆 大学力学专业 ， 获硕士学位 ， 1 9 9 3年 毕业 于长沙铁 道学 院桥梁 与隧道 工程专 业， 获博士学位( E ma i l ： c h e n 0 4 1 8 1 2 6 c o m) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 世 界 桥 梁 2 0 1 1 年第 1 期 析时 ， 考 虑材料 的非 线性 ， 选 用牛 顿 一拉 普森求 解方 法 ， 计 算过程中采用位移收敛 准则 ， 误差控 制在 2 。 3计算 工况 由于该 桥所 在 道路 等 级 提高 ， 目前 的通 行荷 载 为公路 一 I级 ， 根据河南省 交 通实 际情况 ， 该桥设 计 活 载在现 行 规 范 的活 载 基 础 上 再 提 高 了 3 o 。桥 梁结 构整体 计算 采用 车 道荷 载 ， 公 路 一 I级 的车 道 荷 载 由 均 布 荷 载 q k 一 1 3 1 0 5 k N m 一 1 3 6 5 k N m和集 中荷载 P k 1 3 2 2 2 4 k N m=2 8 9 1 2 k N m两 部分组 成 ， 其 中 ， 1 3的 系数 为 河南 省 高 速 公路 设 计 专 用 。经 计 算 该 桥 的 冲 击 系 数 a： 0 2 7 9 6。 为 了便 于分 析 ， 计 算 4种 荷 载工 况 下 的极 限承 载力 ： 工 况 1 ， 构件 未加 固 ； 工 况 2 ， 粘 贴 1层碳 纤 维 布 ； 工况 3 ， 粘贴 2 层 碳 纤 维 布 ； 工 况 4 ， 粘贴 3层 碳 纤维 布 。 荷载组 合为 恒载 十活载 ， 其 中 ： 恒 载为 构件 自重 和二期恒载的 1 2倍 ； 活载为车道荷载的 1 4倍 。 先把 恒载全部 施加 到 计 算模 型 上 ， 然 后粘 贴 碳 纤维 布 ， 再 把车道 荷 载 按 荷 载 步逐 步 施 加 ， 施 加 荷 载过 程 ： 1 2 恒载 + 1 4 x 活载 ， 其 中车道 荷 载 系数 ( 为 控制 施加 车 道 荷 载 大 小 的 系 数 ) 从 0开 始 逐 渐增加 ， 由 值的变化来确定加 固前后空心板 的开 裂荷 载 、 屈 服荷 载及极 限荷载 。对应 上述 加载方 式 ， 本文 提 出利用 MI DAS F E A 程 序 提 供 的施 工 阶 段 分析来模拟 ， 具体过程分 3步 ： 第一步， 将恒载及钢 绞线 预应力施 加 到计算模 型上 ； 第二 步 ， 粘贴 碳纤 维 布 ； 第 三步 ， 将 车道 荷 载 采用 渐 变 式加 载 方 式 ， 分若 干子步 逐级施 加 。 4 计算 结果及 分析 4 1 下缘 混凝 土受力 分析 空心板 接近 开裂 时 ， 车 道荷 载 系数 所 对 应 的 跨 中截面下 缘混凝 土应 力见 表 2 。从 表 2中可 以看 出 ， 采 用碳纤 维布加 固空 心板 ， 虽然提 高 了空心板 的 开裂荷 载 ， 但 效果不 明显 。 空 心板跨 中截 面下缘 混凝 土正应 力 车道荷 载 表 2加 固前 、 后 空 心 板 下 缘 混 凝 土 应 力 系数 关 系 曲线 如 图 2所 示 。从 图 2可 以看 出 ， 空 心 板采用 碳纤 维布 加 固 后 ， 在取 相 同车道 荷 载 系数 情 况下 ， 下缘混 凝土 应 力较 未加 固时 略有 减小 ， 如 车 道荷载 系数 口 为 O 3时 ， 未加 固 ， 粘贴 1层 、 2层 、 3层 碳 纤 维布 时 ， 空 心 板跨 中下 缘 混凝 土 的 拉应 力 分 别为 0 8 6 5 ， 0 8 2 5 ， 0 7 8 6 ， 0 7 4 7 MP a 。这是 由于 空 心板加 固后 ， 碳 纤 维 布 和空 心 板 共 同承 担 车道 荷 载， 碳纤维布分担了部分荷载， 使空心板下缘混凝土 拉应力 有所 减小 ， 即在 相同 车道荷 载作用 下 ， 空 心板 下缘 混凝土应 力 降低 部 分 由碳 纤 维 布来 承 担 ， 因此 加 固后 空心板 开裂 荷载较 未加 固空心 板大 。 星 繇 赠 蝾 0 0 05 0 1 0 1 5 0 2 0 2 5 0 3 0 35 0。 4 车道荷载系数 图 2跨 中截 面 下 缘 混 凝 土 正 应 力 4 2钢绞 线受 力分析 空 心板接 近屈 服 时 ， 车 道荷 载 系数 所 对 应 的 钢绞线应 力 见 表 3 。结 果 表 明 ： 对 预 应 力 混凝 土 空 心板采用粘贴碳纤维布的方法进行加 固， 可 以提高 其屈服荷载， 提高幅度随碳纤维布用量 的增加而呈 非线 性增 大 。 表 3加 固前 、 后 钢 绞 线 应 力 空 心板跨 中钢绞 线加 固前 、 后 的车 道荷 载 系数 应 变 曲线 如 图 3所示 。从 图 3可以看 出 ， 空 心板 开裂 前 ， 空心 板 加 固前 、 后 钢 绞 线 应 力 几 乎 没 有 变 化 ； 空 心板 开裂 以后 ， 钢绞 线 的车 道荷 载 系数 应 变曲线 的斜率较开裂前变小 ； 但在混凝土开裂到钢 绞线屈 服 阶段 ， 随着碳纤 维 布用量 的增加 ， 曲线 的斜 率增大 。空 心板 开裂 之 前 ， 混 凝 土 和钢 绞 线及 碳 纤 维 布共 同承担 活 载所产 生 的拉 应力 效应 ； 开裂之后 ， 空 心板 下缘混 凝 土退 出工 作 ， 拉 应 力 主 要 由钢 绞 线 和碳 纤维 布承 担 ， 又 因钢 绞 线屈 服 前 碳纤 维 布 的 应 变很 小 ， 限制 了其高 强性 能的发 挥 ( 即在 钢绞 线屈 服 之前 ， 空 心 板 中 的拉 应 力 主 要 还 是 由钢 绞 线 来 承 4 O 6 2 2 6 0 4 8 L L m n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 碳纤维布加 固预应 力混 凝土空心板桥极 限承载力全过程分析 陈淮 ， 邹旭岩 ， 朱俊涛 ， 钱辉 7 7 担 ) ， 所 以在空 心板 下缘 混 凝土 退 出工作 后 曲线 斜率 减小 。加 固后 空心 板钢 绞 线屈 服时 的荷 载较 未 加 固 时有所 提 高 ， 钢绞 线屈 服后 ， 车 道荷 载 系数 随碳 纤 维布用 量 的增加 而增大 ， 但 提高 幅度 不 大 。 籁 柱 3 5o 0 4 5 0 0 5 5 0 0 6 5 0 0 7 5 00 8 5 o 0 9 5 00 钢绞线应变 图 3跨 中钢 绞 线 应 变 加 固后 空 心 板极 限承 载 力 也 得 到较 大 提 高 ， 计 算 结果 列 于 表 4 。从 表 4可 以看 出 ， 粘 贴 3层 碳 纤 维 布 时 ， 极 限荷 载 提高 了 2 4 4 2 。 表 4加固前、 后 空心 板极 限状态对应 的车道 荷载 系数 4 3碳 纤维 布 受力 分析 空 心板加 固后碳 纤维 布 的车 道 荷 载 系数 应 变 曲线 如 图 4所 示 。 由 图 4可看 出 ， 曲 线有 2个 明 显 的转 折点 ， 分别 对应 于 空心 板 的开裂 和 屈服 状态 。 在空 心板 开裂 前 ， 碳 纤 维 布 相 同应 变 所 对 应 的 车 道 荷载 系数 基 本 相 同 ， 说 明 空心 板 开 裂 前 碳纤 维 布 对空 心板 的受 力影 响7 1 s J , ； 钢 绞 线屈 服 前碳 纤 维 布 应变 较小 ， 钢 绞线 屈服 后碳 纤 维布 应变 增长 较快 。 1 l 。 鬟。 o 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 00 0 5 0 0 0 6 0 0 0 碳纤维布应变 图 4跨 中碳 纤 维 布 应 变 4 4空心板 挠 度分 析 预 应 力混 凝 土 空 心 板 加 固前 后 ， 其 车道 荷 载 系 数 挠 度 曲线 如 图 5所 示 。从 图 5可 以看 出 ， 曲 线 变化情 况 基本 上反 映 了空心 板 在各 个 阶段 的工作 状态 。开裂 前 ， 空 心板 处 于弹性 工 作状 态 ， 曲线 接 近 于 直线 ； 开裂 后 ， 混 凝 土 退 出 工作 ， 由于 预 应 力 钢 绞 线 的作 用 ， 裂缝 宽度 很小 且发 展缓 慢 ， 故碳 纤维 布 的 应变 增加 也很 小 ； 开裂 后 ， 挠度 并 没有 急 剧 变 化 ， 在 接 近未 加 固状态 屈 服荷 载时 ， 加 固前 、 后挠 度 曲线有 明显 的变 化 。另 外 ， 由于 碳 纤 维 布 是 在恒 载 施 加 后 变形 已经 存在 的基 础 上粘 贴 上 去 的 ， 因而 制 约 了碳 纤 维 布对 空心 板 开 裂荷 载及 屈 服 荷 载 的 作 用 效果 。 当钢 绞线 接 近屈服 时 ， 空心 板 的挠度 已经 比较 大 ， 碳 纤 维 布 的应变 也相 应 增 大 ， 碳 纤 维 布 的高 强 性 能 才 得 以发 挥 。 籁 1 j s 耀 捌 船 1 5 30 4 5 6 0 75 90 1 05 1 2 0 1 3 5 跨 中挠 度 lI皿 图 5跨 中挠 度 5 结 论 ( 1 )采 用碳 纤维 布 加 固装 配 式 预应 力 混 凝土 空 心板 桥 ， 使空 心板 的承载 能力得 到提 高 ， 加 固后空 心 板 的钢绞 线及 混 凝 土应 力 相 应 减 小 ， 空 心 板 的屈 服 荷 载及 极 限荷 载均 得 到提 高 。 ( 2 )空 心板 屈 服 荷 载 、 极 限 荷 载 随 碳 纤 维 布 用 量 的增 加 而提 高 ， 但 提 高 幅度呈 非线 性增 加 ， 这是 由 于各层 碳纤 维 布不 能 完 全 共 同工 作 ， 部 分 碳 纤 维 的 强 度没 有完 全发 挥 出来 。 ( 3 )加 固后 的空 心 板 挠 度 较 加 固前 明显 减 小 ， 空 心板 变形 得 到有 效 的控制 。 参 考 文 献 ： 1 于 清F R P的特点 及其在 土木 工程 中的应用 E J 哈 尔滨建筑大学学报 ， 2 0 0 0 ， 3 3 ( 6 ) ： 2 6 3 0 2 刘小燕 ， 王 良波 ， 刘昀用 C F R P加 固斜交空心板桥 的 现场试验研 究E J 世界桥梁 ， 2 0 0 4 ， ( 2 ) ： 5 9 6 1 E 3 贺拴海 ， 赵小星 ， 宋一 凡具有初荷载的钢筋混凝土粱桥 粘贴碳纤维布加 固试 验研 究 E J 土木 工程学 报 ， 2 0 0 5 ， 3 8( 3)： 7 0 7 6 E 4 孙 晓燕 ， 黄承逵外 贴碳 纤维 布加 固超载后 钢筋 混凝土 桥梁构 件 抗 弯性 能 试 验 J 中国公 路 学报 ， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 4)： 8 2 87 E 5 张劲泉 ， 王文涛桥 梁检测与加固手册 M 北京 ： 人 民 交 通 出 版社 ， 2 0 0 7 1 0 8 6 4 2 0 1 l 0 0 O 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 世 界 桥 梁 2 0 1 1 年第 1 期 Fu l l Ra ng e An a l y s i s o f Ul t i ma t e Be a r i n g Ca p a c i t y o f PC Ho l l o w S l a b Br i d g e S t r e n g t h e ne d b y CFRP Te x t u r e CHEN H u a i，ZoU ( Sc h oo l o f Ci v i l En gi ne e r i ng， X u y a n， Z HU J u n t a o ， Q I A N Hu i Z h e n g z t mu Un i v e r s i t y ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：The u l t i ma t e b e a r i n g c a pa c i t y o f t he a s s e mbl e d pr e s t r e s s e d c o n c r e t e ( PC) ho l l o w s l a b b r i dg e s t r e n gt he n e d b y c a r bo n f i b e r r e i n f o r c e d po l y m e r ( CFRP) t e x t ur e i s a n a l y z e d Th e MI DAS F EA s o f t wa r e i s u s e d t o c r e a t e t h e c a l c u l a t i o n mo d e l s a n d t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e s l a b s s u b j e c t e d t o f o u r l o a d c a s e s i s c a l c u l a t e d 。t a k i n g i n t o a c c o u n t 0 f t h e n o n l i n e a r i t y O f ma t e r i a l s The r e s ul t s o f t h e c a l c u l a t i on s h ow t ha t t he s t r e n gt he n i n g o f t h e ho l l o w s l a b br i dg e by t he CFRP t e xt ur e c a n i mpr o v e t he m e c h a ni c a 1 p r op e r t i e s of t he s l a b s a n d c a n i nc r e a s e t he y i e l di n g 1 oa d a s we l l a s t he u l t i ma t e l o a dThe y i e l d i n g l oa d a n d u l t i ma t e l o a d o f t h e s l a bs i nc r e a s e n on l i n e a r l y wi t h t he i nc r e as e of t h e u s a g e a mou nt of t he CFRP t e x t u r e The v e r t i c a 1 d e f l e c t i o n o f t he s l a bs a f t e r t h e y a r e s t r e ng t he ne d i s s i g ni f i c a nt l y r e d uc e d a n d t he d e f o r m a t i o n o f t he s l a b s h a s be e n br oug ht u nd e r e o nt r ol e f f e c t i ve l y Ke y wo r ds ：pr e s t r e s s e d c o nc r e t e b r i d ge；ho l l ow s l a b；CFRP t e x t u r e；br i d g e s t r e n gt he n i n g； u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y；f i n i t e e l e me n t me t h o d Im ， ， ，l，l，l， -I， I， -，I- ，-lII， I， II-llII -II-Il-lI-III lllII ( 上接 第 7 O页) 解到 的限制 ， 包括 ： 传感 器 测 量 的定 位 特 性 ； 传 感 器测 量的 范围 ； 合适测 量方法 ； 费用 。 8结 语 通过 几个 月 的 测试 ， 费 里 比公 路 大桥 上 安装 的 无线传 感器 网络 所测 试 的桥 梁恶 化 数据 变 化 很 小 ， 这是 由于 这些 数 值 较 可 能在 几 年 的 时 间 内 发 生 变 化 ， 而不 是几个 月 。数 据 显 示传 感 器 的稳 定 性 满 足 长期使 用要求 ， 但传 感 器 网络 是 用 于 补充 目视 检测 的工具 ， 不能取 代 目视检 测 。传 感 器 网络 的使 用有 一 些 限制 ， 包括 ： 数 据 的局 部 性 、 有 限 可使 用 的传 感 器 类 型 、 监控 数据 的正 确选择 及成本 。 目前 ， 传感 器 网络 只能有 限地对 钢 筋 混凝 土桥 进 行 评估 ， 但 随 着 技 术 的发展 ， 其应用 范 围将 会扩 大 。 参 考 文 献 ： 1 Ne l l A Ho u l t ，P a u l R A F i d l e r ，P e t e r G Hi l l ，e t a 1 Lo ng Te r m W i r e l es s St r uc t u a l He a l t h M on i t or i n g o f t he F e r r i b y R o a d B r i d g e J J o u r n a l o f B r i d g e E n g i n e e r i n g ， 2 0 i 0， i 5 ( 2 )：1 5 3 1 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m