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

1、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75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450001)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MIDAS/FEA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

2、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:U445.72文献标志码:A文章编号:1671-7767(2011)01-0075-04表1󰀁混凝土、钢绞线及碳纤维布材料特性󰀁MPa材料老规范40󰀁号混凝土󰀁钢绞线󰀁󰀁7󰀁s5.0󰀁󰀁碳纤维布󰀁弹性模量3.40󰀁1041

3、.95󰀁1052.35󰀁105抗压强度抗拉强度抗压强度抗拉强度标准值标准值设计值设计值28-2.61600300023-2#983041;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(CFRP)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24,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

4、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16m,桥面净宽11.0m,由12块预制预应力混凝土空心板组成,板截面宽0.99m、高0.75m。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、CFRP三者之间粘结良好,不考虑相对滑移5,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

5、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CFRP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CFRP在空心板中的实际受力情况,假定CFRP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日

6、期:2010-09-09基金项目:河南省杰出人才计划项目(084200510003)作者简介:陈󰀁淮(1962-),男,教授,1983年毕业于湖南大学力学专业,获学士学位,1986年毕业于重庆大学力学专业,获硕士学位,1993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󰀁mail:chen0418)。76析时,考虑材料的非线性,选用牛顿-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-󰀁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

7、提高了30%。桥梁结构整体计算采用车道荷载,公路-󰀁级的车道荷载由均布荷载qk=1.3󰀁10.5kN/m=13.65kN/m和集中荷载pk=1.3󰀁222.4kN/m=289.12kN/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󰀁=0.2796。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+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

8、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󰀁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MIDAS/FEA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

9、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工况未加固󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁粘贴1层碳纤维布粘贴2层碳纤维布粘贴3层碳纤维布车道荷载系数󰀁0.3400.3400.3500.350空心板下缘混凝土应力/MPa1.2811

10、.2381.2971.255世界桥梁󰀁󰀁2011年第1期系数󰀁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󰀁为0.3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0.865,0.825,0.786,0.747MPa。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

11、来承担,因此加固后空心板开裂荷载较未加固空心板大。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、后钢绞线应力工况未加固󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁粘贴1层碳纤维布粘贴2层碳纤维布粘贴3层碳纤维布车道荷载系数󰀁0.830.890.961.02钢铰线应力/M

12、Pa1105.3081117.1171112.3471173.813󰀁󰀁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

13、的发挥(即在钢绞线屈服之前空力主绞线来承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77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。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

14、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。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24.42%。表4󰀁加固前、后空心板极限状态对应的车道荷载系数󰀁工况未加固󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁粘贴1层碳纤维布粘贴2层碳纤维布粘贴3层碳纤维布车道荷载系数󰀁0.860.961.001.0

15、7提高幅度/%-11.6316.2824.42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.FRP的特点

16、及其在土木工程中的应用J.哈尔滨建筑大学学报,2000,33(6):26-30.2刘小燕,王良波,刘󰀁昀.用CFRP加固斜交空心板桥的现场试验研究J.世界桥梁,2004,(2):59-61.3贺拴海,赵小星,宋一凡.具有初荷载的钢筋混凝土梁桥粘贴碳纤维布加固试验研究J.土木工程学报,2005,38(3):70-76.4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,2006,19(4):82-87.5张劲泉,王文涛.桥梁检测与加固手册M.北京:人民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

17、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很小;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。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,78世界桥梁󰀁󰀁20

18、11年第1期FullRangeAnalysisofUltimateBearingCapacityofPCHollowSlabBridgeStrengthenedbyCFRPTextureCHENHuai,ZOUXu󰀁yan,ZHUJun󰀁tao,QIANHui(SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)Abstract:Theultimatebearingcapacityoftheassembledprestressedconcrete(PC)hollowslabbrid

19、gestrengthenedbycarbonfiberreinforcedpolymer(CFRP)textureisanalyzed.TheMIDAS/FEAsoftwareisusedtocreatethecalculationmodelsandtheultimatebearingcapacityoftheslabssubjectedtofourloadcasesiscalculated,takingintoaccountofthenonlinearityofmaterials.Theresultsofthecalculationshowthatthestrengtheningoftheh

20、ollowslabbridgebytheCFRPtexturecanimprovethemechanicalpropertiesoftheslabsandcanincreasetheyieldingloadaswellastheultimateload.Theyieldingloadandultimateloadoftheslabsincreasenonlin󰀁earlywiththeincreaseoftheusageamountoftheCFRPtexture.Theverticaldeflectionoftheslabsaftertheyarestrengthenedissignificantlyreducedandthedeformationofthesla