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碳纤维布加固双凤桥试验研究

文章编号: 1001 - 7291 (2002) 05 - 0063 - 02 文献标识码: B 碳纤维布加固双凤桥试验研究 胡钊芳1 , 赵宝山2 , 江祥林3 , 谌润水3 (11 江西省公路局科研设计所, 江西 南昌 330002 ; 21 江西省公路开发总公司, 江西 南昌 330003 ; 31 江 西省交通科学技术研究所, 江西 南昌 330038) 摘要: 采用碳纤维布加固对一座4 跨工字梁桥进行了加固提载分析研究, 并在加固前、后对该桥 受力状况及性能进行了对比荷载静载试验。 关键词: 碳纤维布加固; 双凤桥; 加固; 研究 1  桥梁技术状况 双凤桥全长为34110 m , 上部结构为4 孔普通钢 筋混凝土工字梁与微弯板组合结构。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) 。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- 7125 + 2 ×0125 m 安全带; 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, 致使桥梁产生病害并逐步加 剧。 由于双凤桥设计(验算) 荷载为汽车—13 级, 拖车—60 , 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。 2  桥梁病害( 缺陷) 特征 (1) 部分工字梁跨中及四分之一跨处存在细微裂 缝, 结晶现象较为严重。 (2) 第二跨第三片主梁景德镇岸支点部位有一斜 向裂缝, 缝宽为1 mm~3 mm。 (3) 部分微弯板存在纵向和横向裂缝, 缝宽为 011 mm~013 mm。 (4) 各墩支点上两孔工字梁连接处桥面铺装裂缝 较大, 下雨时渗水相当严重。


3  加固提载方案的研究确定 311  加固方案设计 (1) 在桥跨两端支点部位各增设一根双悬臂横隔 梁, 在其悬臂部位上安装人行道梁, 以增加全桥受力 的整体性能和同时拓宽桥面; (2) 重新浇筑钢筋混凝土桥面铺装, 并采用桥面 连续, 增强桥梁的横向整体受力性能; (3) 对工字梁底粘贴二层碳纤维布加固, 增大主梁抗 弯和抗剪强度; (4) 重新预制安装钢筋混凝土人行道构件, 增大 桥面净空。 312  加固提载计算要点 经分析和计算, 桥梁下部构造和工字梁斜截面强 度满足汽—20 使用要求, 仅采用碳纤维布加固对工字梁 进行抗弯加固提载。 MU =η1η2 RfAf ( h - xP2) +η31PrsRgAg ( h0 - xP2) 式中 MU ———提载后的设计计算弯矩总量; rs ———钢筋安全系数; Rg ———钢筋抗拉设计强度; Ag ———钢筋面积; h ———截面高度; x ———混凝土受压区高度; η1 ———碳纤维材料强度折减系数; η2 ———碳纤维材料和原有钢筋共同工作系数; Rf ———碳纤维布加固抗拉设计强度; Af ———碳纤维材料面积; η3 ———旧桥折减系数。 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, 考虑跨中截面从汽车—13 级(拖车— 60) ; 提载到汽车—20 级(挂车—100) 增加的弯矩值 来计算控制全部截面补强碳纤维布加固截面面积, 并考虑 到碳纤维材料强度折减系数和碳纤维材料及原有钢筋 共同工作系数。同时考虑旧桥折减系数。 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ΔM = 485108 kN·m , 跨中截面惯矩I = 01120 1 m4 , 中性轴到下缘距离h1 = 0160 m , 截面高 h = 0183 m。综合有关情况, 本次对工字梁提载加固 决定采用碳纤维布加固(见表1) , 计算碳纤维布加固截面面 第5 期(总第138 期) 华东公路No. 5 (Total  No. 138) 2002 年10 月20 日EAST CHINA HIGHWAY October  2002 3  收稿日期: 2002208209 积: Af = 24213 mm2 。  表1 碳纤维布加固(CFRP) 性能指标 碳纤维布加固型号 单位面积质量 (gPm2) 设计厚度 (mm) 抗拉设计强度 (MPa) 弹性模量 (MPa) UCP300 300 01167 3 500 2135 ×105


为了方便碳纤维布加固的裁剪操作及考虑储备, 考虑 每层碳纤维布加固宽为250 mm , 粘贴两层, 5 片工字梁实 际粘贴碳纤维布加固截面面积为Acf = 250 ×01167 ×2 ×5 = 41715 mm2 。 4  桥梁静载试验 411  静载试验概述 为能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。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0165。 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 cm) ; 第二工况为 两辆加载车对称中心布载。 412  试验数据 加固前后两次静载试验数据整理见表2、表3。  表2 第一加载工况试验数据表(偏载) 梁 号 项


目 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 (mm) 加固后 (mm) 减小幅度 ( %) 1 5019 4713 7107 2108 1193 7121 2 4619 4319 6140 1198 1185 6157 3 5716 5311 7181 2140 2120 8133 4 4518 4214 7142 1186 1171 8106 5 511 417 7184 0121 0119 9152 413  试验数据分析 (1) 在工字梁梁底粘贴碳纤维布加固后, 工字梁抗弯 强度和刚度增大。 (2) 粘贴碳纤维布加固后, 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。 (3) 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0108 %。 并通过进一步的分析说明: 双凤桥加固后符合汽 车—20 ; 挂车—100 的荷载使用要求。 5  初步结论 通过对双凤桥整个加固过程的跟踪观察和加固 前、后静载试验数据的对比分析, 说明采用碳纤维布加固双凤桥是成功可行的。  表3 第二工况试验数据表(对称加载) 梁 号 项


目 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 (mm) 加固后 (mm) 减小幅度 ( %) 1 2611 2413 6190 1103 0196 6180 2 4518 4218 6152 1183 1171 6156 3 6112 5613 8101 2133 2115 7173 4 4514 4211 7127 1182 1168 7169 5 2711 2419 8112 1108 0199 8133 511  不增加恒载及断面尺寸 碳纤维布的自重仅为200 gPm2 ~300 gPm2 , 设计 厚度为01111 mm~01167 mm , 加上环氧树脂系列的 粘结材料的自重也很轻, 对整个结构重量及桥下净空 的影响微乎甚微, 可忽略不计。 512  可适应不同构件形状 成型较方便 由于桥梁结构常因构造和受力要求, 其外形多呈 不规则状。采用传统的方法加固, 施工难度较大, 采 用碳纤维布加固补强法, 因碳纤维布加固的随型性极强的特 点, 可以随结构外形变化任意施工。 513  采用碳纤维布加固补强 对原结构不产生新的 损伤 碳纤维布加固补强系采用环氧树脂系列的粘结材 料进行粘贴, 不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土等, 因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏, 更可避免 钻孔时与结构内原有钢筋和预应力索发生冲突而引起 新的问题。 514  不影响结构的外观 碳纤维布加固的厚度很薄, 粘贴固化后其表面还可以 涂刷一层与原有结构外观颜色一致的涂料, 而不影响 结构的外观。 6  结语 由于是第一次尝试使用碳纤维布加固进行普通钢筋混 凝土工字梁桥加固提载试验研究, 其加固提载后的长 期性能还有待于进一步的研究与分析。 参考文献 [1 ] 吴刚, 安琳, 吕志涛1 碳纤维布加固用于加固钢筋混凝土梁抗弯的试 验研究与分析1 中国首届纤维增强塑料( FRP) 混凝土结构学术 交流会论文集12000 , 151 —1561 [2 ] 交通部公路科学研究所等1 大跨径混凝土桥梁的试验方法11982 , 7 —171 — 64 — 华 东 公 路 2002年第5期


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