混凝土和碳纤维加固桥梁的足尺实桥试验研究

1、 文章编号 :0451-0712(2003 06-0034-05中图分类号 :U 44611文献标识码 :B混凝土和碳纤维加固桥梁的足尺实桥试验研究佟爱民 1, 张金奎 1, 王荣霞 2(11廊坊市公路管理处廊坊市 065000; 21河北工业大学土木工程系天津市 300132摘要 :碳纤维加固结构技术 , 由于其施工便捷 , 不会对原结构造成新的伤害及承载力和延性得以增强 , 而被 人们所接受 。 通过对某桥梁进行了传统的混凝土增大截面加固和碳纤维加固的足尺实桥对比实验 , 反映了各自的 优势和不足 , 改善了传统的加固方法 , 使新材料 、 新工艺得以推广 。关键词 :碳纤维 ; 桥梁加固

2、 ; 荷载试验唐通线义井桥建于 1971年 , 上部为 33孔计算 跨径为 1317m 的 T 型截面简支梁结构 , 下部为钻 孔灌注桩基础 , 双柱式墩台 。 设计荷载为汽 -15, 挂 -80级 。 , 已属三类桥梁 , 并 -20, 挂 -100级 。 加固采用对 上部结构主梁的 2种加固方案 , 并对加固前后的单 梁和竣工后的成桥进行了动 、 静载试验 。 1加固方案及计算依据 111混凝土加固方案混凝土加固方案是在主梁下缘设置下马蹄并增 加计算配筋 (图 1 。 由于荷载等级提高至汽 -20,挂 -100级标准 , 63%; , 边主梁和中 , 而下缘钢筋的应力分别超出规范允许值的

3、917%和 214%。上述计算结果尚未包括因加固主梁 和桥面系所增加的荷载效应 。 当按上述方案加固后 , 结构承载能力有了很大提高 , 边主梁的弯矩抗力效 应大于荷载效应 1715%, 中主梁的弯矩抗力效应大 于荷载效应 2615%; 而在使用荷载作用下 , 边主梁 和中主梁下缘钢筋应力分别小于规范允许值的 23%和 2812%。 由于主梁截面的抗剪能力和刚度 , 原结构均能满足提高等级后的承载要求 , 故勿须对 主梁进行抗剪加固 。图 1收稿日期 :2003-03-14 公路 2003年 6月第 6期 H IGHW A Y Jun 12003 N o . 6上述计算的依据是主梁下缘设置的下

4、马蹄必须 与主梁肋牢固地结合 , 在荷载作用下 , 新 、 老混凝土 共同工作 。 为此 , 除设置锚固件外 , 还需考虑新 、 老混 凝土在收缩 、 徐变及弹性模量变化时的时效影响 。 在 此前 , 进行了室内的小梁模型试验和室外足尺实桥 试验 , 均取得了良好效果 。112碳纤维片 (CFR P 加固方案碳纤维片 (CFR P 是用拉抗强度极高的碳纤维 经环氧树脂预浸而成的结构增强复合片材 。 将它用 环氧树脂作为粘结剂 , 沿受力方向或垂直于裂缝方 向粘贴在受损构件上 , 粘结剂作为它们之间的剪力 连接媒介 , 形成新的复合体 。 使增强贴片与原有钢筋 共同受力 , 增大了结构抗拉力或抗

5、剪能力 , 能有效地提高强度 、 刚度 、 抗裂性和延性 , 控制裂缝和挠度的 继续发展 。 这种新型技术具有以下优点 :(1 几乎不 增加结构自重和截面尺寸 ; (2 施工效率高 ; (3 对控 制和分散混凝土裂缝 , 提高现有结构的承载能力有 明显的作用 ; (4 对不同的加固部位和加固目的具有 极强的适应性 ; (5 优异的耐久性 。 此桥部分主梁加 固即采用碳纤维薄片加固方案 。主梁抗弯补强在主梁跨中梁底正弯矩区段采用 2层宽 18c m , 长分别为 800c m 和 400c m 的碳纤维片加固 ; 主梁抗剪补强是在靠近支点横隔板处开始 加固 , 由近及远逐渐变疏 , 采用 U 型

6、外包箍纤维片 , 纤维片宽 20c m , 每根主梁两端各 6道 , 全梁共 12道 。 (图 2 。图 2碳纤维片加固后受弯构件截面强度依据如下基 本假定进行计算 :(1 平截面假定 , 构件弯曲后 , 其截面仍保持为 平面 ;(2 碳纤维片仅在活载作用下分担一部分承载 力 , 故可按弹性模量比值 , 按容许应力法计算其应力 状态 , 但不允许超过碳纤维片材的容许拉应变 cf ;(3 在进行强度计算时 , 截面受压区混凝土的应 力图可简化为矩形 , 其压力强度取混凝土的轴心抗 压强度 , 截面受拉混凝土的抗拉强度不予考虑 ;(4 碳纤维片材的容许拉应变 , 取 cf =K m cju , 且

7、不应大于碳纤维片材极限拉应变的 2 3或 0101两者中的较小值 。依照上述基本假定 , 对该桥主梁进行了加固前 后的强度计算 , 得出加固前后跨中正截面抗弯承载力如表 1。从表 1中可以看出 , 加固后基本满足抗力 要求 。表 1加固前后跨中正截面抗弯承载力主梁状况 M j(kN m 组合组合荷载等级 抗力效应M a(kN m 加固前 8551193715汽 -15, 挂 -6093313加固后102613107819汽 -20, 挂 -1001032142单梁加固前后的静载试验 211试验目的和内容通过荷载试验 , 测定单 T 梁结构在采用混凝土 和碳纤维加固前后的静应变和静挠度的变化 ,

8、 检验 其 2种方法加固的效果及承载力提高的能力 。分别在桥东端第一跨和西端第一跨各取一片主53 2003年第 6期 佟爱民等 :混凝土和碳纤维加固桥梁的足尺实桥试验研究梁做加固前的静载试验并记录所需数据后 , 对该 2片梁分别进行混凝土加固和碳纤维加固 , 待加固材 料达到设计强度后 , 用同样的方法和加载步骤进行 加固后的静载试验 。 试验采用非破坏加载 , 分 3组 , 三级加载 , 当最后一组加载时 , 使其对测试截面产生 的内力与所须通过的汽车荷载产生相当的荷载 效应 。加载点分别在跨中和靠近支点 ; 应变测点分别 设置在跨中和 1 4截面的上缘和下缘 ; 挠度测点分 别设置在跨中和

9、支点 。试验前须根据加截位置及级别计算出测点的应 变和挠度理论计算值 。212试验结果表 2给出了单 T 梁在采用混凝土加固前后各 工况下的跨中截面应变和挠度的理论计算值 、 实测 值和校验系数 。 工况 1工况 4的加截值分别为 3112kN 、 6212kN 、 9314kN 、 10915kN 。 校验系数是 指试验实测值与理论计算值的比值 。表 2加固前后单梁跨中截面应变及挠度比较值加固后单梁跨中截面应变及挠度 加固前单梁跨中截面应变及挠度 工况 1工况 2工况 3工况 4工况 1工况 2工况 3理 论 计 算 值梁底 561721131811701892001358918818013

10、5270181上缘 -22128-44170-67113-78170-15193-31100-48101挠度 0101mm 153307463540248498747试 验 实 测 值 梁底 378612313978262上缘 -22-46-6470 -43挠度 0101mm 84186589校验系数梁底 016501720018711010197上缘 00189018211030190挠度 0101016101700173018601920179表 3给出了单梁在采用碳纤维片加固前后各工况下的跨中截面应变和挠度的理论计算值 、 试验实测值和校验系数 。213分析与讨论(1 单 T 梁采用 2

11、种不同的加固方法 , 在相同加载级别 (工况 下 , 无论是理论计算值还是实测值 ,加固后的截面应变和挠度均比加固前有所减小 , 表2中截面上缘压应变增大是因截面增高中性轴下移所致 。(2 从表 3可以看出 :采用粘贴碳纤维片加固的单 T 梁加固前的应变理论计算值和试验实测值与加固后的应变理论值和试验实测值比较的提高系数分别为 1102和 1131, 挠度的提高系数分别为 1101和 1106, 而采用混凝土加固的单 T 梁加固前后的应变理论计算值和试验实测值比较的提高系数分别为1142和 1165, 挠度的提高系数分别 1161和 2128。可见 , 就单 T 梁加固而言 , 采用混凝土增大

12、截面法加固效果明显优于采用碳纤维片加固效果 。3全桥荷载试验在桥梁改造加固完成后 , 为检测其承载能力及比较 2种加固方案的异同 , 对该桥进行了静 、 动荷载 试验 。311试验目的和内容通过静载试验 , 测定该桥上部桥跨结构在设计 荷载作用下的静应变和静挠度 , 进而检测其工程结 构的安全性 ; 通过动载试验 , 测定主桥的动力响应 , 以检测其动力效应 。 主要检测内容为 :(1 主梁控制 截面的应变 ; (2 主梁控制截面的挠度 ; (3 主梁在动 荷载下的振动效应 。试验分别在 2种不同加固方案的桥跨上进行 , 试验荷载为 2辆 300kN 的载重车 , 按 2种工况进行 加载 :工

13、况 1, 1辆重车跨中偏载 ; 工况 2, 2辆重车跨 中偏载 。312试验结果与分析表 4所示为采用混凝土增大截面加固法 , 桥跨 在 2种工况下的跨中截面各主梁 (4号 、 5号梁删节 测点的应变实测值和理论计算值 。表 5所示为采用粘贴碳纤维片加固方法 , 桥跨 在 2种工况下的跨中截面各主梁 (4号 、 5号梁删节 测点的应变实测值和理论计算值 。表 6为采用混凝土增大截面加固桥跨的 2种 63 公路 2003年第 6期 表 3加固前后单梁跨中截面应变及挠度比较值加固后单梁跨中截面应变及挠度 加固前单梁跨中截面应变及挠度 工况 1工况 2工况 3工况 4工况 1工况 2工况 3理 论

14、计 算 值梁底 7915217814726719935214190146180135270181下缘 7911317814726719935214186161172167259128上缘 -16101-31191-47193-55167-16104-31197-48101挠度 0101mm 247493740863250498747试 验 实 测 值 梁底 6712917618796177230下缘 7912415195201114172261上缘 -14-2415-4515-6315-19-34- 70挠度 0101mm 195411647739208435679效验系数梁底 0186017

15、201660153110601980185下缘 0199017001730157113111001101上缘 0187017701941114111811061146挠度 0101mm 0179018301870185018301870191表 4截面 工况 测点位置跨中截面1-017331550179-1611-110168梁底 1351511001813号梁上缘 -817-70180梁底 7311580179工况 21号梁上缘 -2518-190174梁底 2161917101792号梁上缘 -2415-180173梁底 2061516601803号梁上缘 -2211-170177梁底 1

16、85191500181工况下 , 跨中截面各主梁挠度实测值和理论计算值 ;同样情况下 , 采用粘贴碳纤维片加固桥跨时的挠度值列于表 7。试验结果的数据表明 :2种对桥跨结构的加固方法 , 在设计荷载作用下 , 无论是截面的应变实测值 , 还是挠度实测值均小于理论计算值 , 且随荷载和位置的不同而呈线性变化 , 这就证明 , 结构在设计荷载作用下 , 处于弹性工作阶段 , 桥跨结构的承载能力和刚度满足设计要求 ; 数据还表明 , 在相同荷载作用下 , 采用碳纤维片加固的桥跨 , 无论是上缘应变和梁底应变的理论计算值 , 还是实测值 , 均大于采用混凝土增大截面加固桥跨的相应值 , 且超出 115

17、119倍以上 (由于混凝土增大截面后中性轴下移 , 在相同梁 高 110m 位置处 , 应变值相应减小 , 甚至出现拉应 变 。 挠度的理论计算值和实测值也有同样的情况 。 上述结果表明采用混凝土增大截面的加固方法无论 在承载能力和结构总体刚度上明显优于粘贴碳纤维 片的加固方法 。4结论尽管采用传统的混凝土增大截面方法加固桥梁 在承载能力的提高和桥跨整体刚度增大方面有着较 大的优势 , 但从桥梁加固设计和施工等综合角度上 考虑 , 碳纤维加固也有着极为突出的优点 。 碳纤维片 73 2003年第 6期 佟爱民等 :混凝土和碳纤维加固桥梁的足尺实桥试验研究表 5采用粘贴碳纤维片加固法时的应变值

18、截面 工况 测点位置 理论计算值 实测值 校验系数跨中截面工况 1工况 2 1号梁2号梁3号梁1号梁2号梁3号梁上缘 -913-70175梁底 308182430179上缘 -617-6100190梁底 220171790181上缘 -319-30177梁底 129111010178上缘 -1110-90182梁底 3641329150181上缘 -1012-80178梁底 339142740181上缘 -911-70177梁底 301142450181表 6采用混凝土增大截面法时的挠度值 mm截面 工况 测点位置 理论计算值 实测值跨 中 截 面 工况 11号梁底 318420 2号梁底 21671187 3 11441017814128315601832号梁底 4108315701883号梁底 316731230188表 7采用粘贴碳纤维片加固片时的挠度值 mm 截面 工况 测点位置 理论计算值