碳纤维布用于钢筋混凝土工字梁桥抗弯加固.doc

碳纤维布用于钢筋混凝土工字梁桥抗弯加固
1 工程概况
双凤桥位于白（沙关）景（德镇）公路102公里桩处，该桥原为一半永久性桥梁（修建年代不详）：上部结构为木板桥面；下部结构为浆砌块石扩大基础配实体墩台（据调查基础放置在岩层上）。1970年将该桥改造成全长34.10m的永久性桥梁：将桥墩加设局部斜撑（挑臂）拓宽；上部结构改为4孔普通钢筋混凝土工字梁与微弯板组合结构。设计荷载为汽车—13级，验算荷载为拖车—60，桥面设计净空为净—7.25m+2×0.25m安全带（见图1）。
图1 双凤桥加固总体布置图（尺寸单位：标高为m，余为cm）
1992年至1995年公路部门对白景公路进行改建，路线、路基、路面采用二级公路标准（路基宽12m，路面宽9m），桥涵按照汽车—20级、挂车—100的设计（验算）荷载进行改造或重建，仅该桥未经任何加固处理而直接利用。
随着沿线国民经济的不断发展，白景公路的交通量和重型车辆随之急剧增加，特别是经常有未通知公路管养部门而自婺源方向运煤、碎石的超重车辆通过该桥，致使桥梁产生病害并逐步加剧。2001年3月19日该桥第二跨第二、三片工字梁（由上游向下游）间的微弯板不堪重负突然断裂，掉入河中，后经公路部门在断裂处现浇了一块普通钢筋混凝土空心板，并在全桥桥面上铺筑了一层1.5㎝厚的沥青表处，恢复通车。
由于双凤桥原设计（验算）荷载为汽车—13级，拖车—60，而两岸公路现已改为二级公路，桥涵设计（验算）荷载为汽车—20级，挂车—100，且超重车辆经常通过该桥，致使上部结构的主要构件（工字梁和微弯板）的承载力不足充分显露出来，桥梁内部的病害亦在不断加重，已不能满足现有交通的要求，该桥亟待加固提载。
2 桥梁加固方案的确定
2.1 加固方案设计
针对现场检查中发现的各种病害及该地区交通量的发展情况，经研究分析，提出该桥主要加固提载措施（见图2、图3）。
⑴在桥跨两端支点部位各增设一横隔板，以增加全桥受力的整体性能和拓宽桥面；
⑵重新浇筑钢筋混凝土连续桥面，增大桥梁的整体受力性能和减小活载产生的跨中弯矩；
⑶对工字梁底粘贴二层碳纤维布，增大主梁抗弯强度；
⑷重新预制安装钢筋混凝土人行道构件，增大桥面净空。
2.2 主梁(工字梁)提载计算要点
由于双凤桥未查询到原设计图纸及竣工图纸等资料，对工字梁内部配筋不清楚，因而加固设计中从安全角度出发，仅考虑从汽车—13级（拖车—60）提载到汽车—20级（挂车—100）跨中截面增加的弯矩值来验算补强钢筋量。
图2 工字梁加固补强构造图（尺寸单位：cm） 图3 主梁拓宽一般构造图（尺寸单位：cm）
经计算由汽车—13级（拖车—60）提载到汽车—20级（挂车—100）工字梁跨中截面最不利布载时增加弯矩值△M=485.08KN·m，跨中截面惯矩I=0.1201m4，中性轴到下缘距离h1=0.60m，截面高h=0.60m，截面高h=0.83m，根据正截面强度公式：
△
计算补强钢筋截面面积：Ag=3533.54㎜2
上式中：
△M——提载前后的弯矩增加量；
rs——钢筋安全系数；
Rg——钢筋抗拉设计强度；
Ag——补强钢筋面积；
h——截面高度；
x——混凝土受压区高度。
经校核，工字梁斜截面强度满足使用要求。综合有关情况，本次对工字梁提载加固决定采用碳纤维布（规格见表1），因而计算碳纤维布截面面积：
Acƒ=Ag（Rg/Rcƒ）=242.3㎜2
上式中：
Acƒ——碳纤维布截面面积；
Rcƒ——碳纤维布抗拉设计强度。
表1 碳纤维布（CFRP）性能指标
单位面积质量（g/㎡）
设计厚度（㎜）
抗拉设计强度（MPa）
弹性模量（MPa）
300
0.167
3500
2.35×105
为了方便碳纤维布的裁剪操作及考虑储备，考虑每层碳纤维布宽为250㎜，粘贴两层，五片工字实际粘贴碳纤维布截面面积为Acƒ =250×0.167×2×5=417.5㎜2
3 碳纤维布加固工字梁的施工顺序及工艺
本次粘贴碳纤维布加固工字梁桥的施工工艺及步骤如下：⑴搭设施工用支架，用砂轮机对梁底劣化层进行清除和打磨，并修补裂缝；⑵涂刷底胶，待底胶硬化后对不平处磨平；⑶按比例配粘结胶（600A、B组分）拌匀，在梁底均匀涂刷粘结胶（厚度1㎜～2㎜）；⑷将剪裁好的碳纤维布逐渐粘贴在梁底，用滚筒挤压并抹平碳纤维布，使粘结胶从碳纤维布缝中渗出，并用刮子刮平，使得碳纤维布内的气孔消除；⑸按上述⑶⑷步骤粘贴第二层碳纤维布；⑹在碳纤维布表面均匀涂刷一道粘结胶；⑺待粘结胶完全干燥后，在其表面涂刷一道白色油漆，使其外表美观。
4 桥梁静载试验
4.1 静载试验概述
为了对碳纤维布在旧桥加固中的使用性能进行量化分析，分别对双凤桥加固前、后进行了等效静载试验，且两次静载试验采用的加载车辆、荷载等级及加载位置均相同。由于该桥未查询到原设计图纸及竣工图，对各片主梁的配筋无法考证，根据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》和《公路旧桥承载能力鉴定方法》中的有关规定确定，加固前后两次荷载试验的性质为轻型荷载试验。本次试验最大加荷效率为0.65。
根据工字梁桥的受力特点，加固前后两次静载试验分别测试了工字梁跨中应力（应变）、跨中挠度。并按两种工况进行试验：第一工况为两辆加载车偏载（最外侧车轮中心离人行道边缘50㎝）；第二工况为两辆加载车对称中心布载。
4.2 静载试验数据整理
加固前后两次静载试验数据整理见表2～3和图4～7。
表2 第一加载工况试数据表
项目
梁号
梁底钢筋应力
跨中挠度
加固前（MPa）
加固后（MPa）
减小幅度（%）
加固前（㎜）
加固后（㎜）
减小幅度（%）
1
2
3
4
5
50.9
46.9
57.6
45.8
5.1
47.3
43.9
53.1
42.4
4.7
7.07
6.40
7.81
7.42
7.84
2.08
1.98
2.40
1.86
0.21
1.93
1.85
2.20
1.71
0.19
7.21
6.57
8.33
8.06
9.52
表3 第二工况试验数据表
项目
梁号
梁底钢筋应力
跨中挠度
加固前（MPa）
加固后（MPa）
减小幅度（%）
加固前（㎜）
加固后（㎜）
减小幅度（%）
1
2
3
4
5
26.1
45.8
61.2
45.4
27.1
24.3
42.8
56.3
42.1
24.9
6.90
6.52
8.01
7.27
8.12
1.03
1.83
2.33
1.82
1.08
0.96
1.71
2.15
1.68
0.99
6.80
6.56
7.73
7.69
8.33

图4 跨中梁底钢筋应力变化曲线图（第一工况） 图5 跨中挠度变化曲线图（第一工况）
图6 跨中梁底钢筋应力变化曲线图（第二工况） 图7 跨中挠度变化曲线图（第二工况）
4.3 静载试验数据分析
从表2～表3及图4～图7可看出：
⑴在工字梁梁底粘贴碳纤维布后，在相同的受力状况下跨中梁底钢筋应力明显减小，减幅最大达13.72%，相应跨中部位挠度（变形）亦减小，最大减小幅度达39.29%。说明粘贴碳纤维布后，工字梁抗弯强度增大。并通过分析说明：双凤桥加固后符合汽车—20；挂车—100的荷载使用要求。
⑵粘贴碳纤维布后，在试验荷载作用下，原跨中梁底裂缝得到抑制，未发现原有裂缝进一步扩大。
⑶所测应力（应变）、挠度数据基本与理论值相符，并呈弹性变化，塑性变形率最大为0.08%。
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