碳素纤维布加固铁路砼梁计算公式与启示

1、碳素纤维布加固铁路砼梁计算公式与启示1、前言在我国铁路系统，近年来因为大量旧的钢筋混凝土铁路桥梁使用年月长或受到列车动力增大等各种因素的影响和作用，其在试用期内已产生一系列病害，如混凝土材料的劣化、钢筋锈蚀等病害，对桥梁的平安性、适用性及耐久性产生了较大影响，不同程度造成桥梁承载力降低甚至丧失，严峻危及桥梁的平安运营。但因为我国现存的此类旧桥、危桥数量较多，如何处理这些桥梁是面临的重大难题。倘若所有拆除重建，不仅耗资巨大，影响铁路正常运营，在目前不现实。按照我国大路部门的实践表明：桥梁的加固费用约为新建桥费用的10%20%。因此在对病害桥梁举行科学评价和评估的基础上，实行有效的修理、加固等措施

2、，提高桥梁的承载力，延伸其使用年限，满意现代交通对桥梁的客观要求，是一项具有显著经济效益和重大社会效益的工作。碳素纤维布作为一种新型复合材料，近年来在结构加固及改造工程中应用越来越广泛。与传统的结构加固技术相比，具有轻质高强、耐腐蚀性和耐久性强、施工便捷、结构影响小等优点，日益受到工程界重视。但目前碳素纤维布对铁路桥梁加固的理论研究还缺乏一定数量的实验资料支持。本文通过理论推导，提出了符合铁路规范的受弯容许承载力计算公式，为实际铁路桥梁的加固设计供应了一定参考。2、碳纤维布加固技术的优点碳素纤维布加固修复混凝土桥梁结构技术是将树脂类纤维材料黏贴于结构表面，通过其与结构共同工作，利用碳纤维良好的

3、抗拉强度增加桥梁承载力，达到结构补强加固、改善结构受力的目的。使用碳纤维布加固桥梁具有以下几个优点：抗拉强度高、刚度大；抗疲惫性和减振性好；可适应不同构件样子，成型很便利；自重轻，不增强恒载及断面尺寸；对原结构不产生损伤；能有效封闭混凝土裂缝；施工容易轻便；具有良好的耐化学腐蚀性；不影响结构的外观；加固结束后养护便利。因为碳纤维布以上所述的特点，随着其加固技术和施工工艺的不断完美，在桥梁结构加固工程中成为一种很有优势的结构加固材料。 3、计算原理及基本假定 3.1计算原理在荷载渐渐增大而使试件破坏的过程中，钢筋混凝土受弯构件截面应力分布共经受四个阶段。阶段：混凝土开裂前大致弹性工作阶段；阶段a

4、：混凝土开裂的临界状态；阶段：受拉区混凝土开裂后的工作阶段；阶段：破坏阶段。依据铁路桥涵设计规范，钢筋混凝土铁路桥涵设计规范沿用容许应力法计算其承载力，即根据上述工作阶段举行计算。此阶段受拉区混凝土已开裂，基本上不参与工作而由钢筋和粘贴加固后的碳纤维布承受拉应力，钢筋应力和碳纤维布应力均未到屈服强度，仍在弹性工作。3.2基本假定碳纤维布加固桥梁的受弯容许承载力计算采用以下基本假定：碳纤维布加固梁受弯后截面应变满意平面假定。不考虑受拉区混凝土的作用。受压区混凝土应力图形看作三角形。钢筋应力等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，且小于其容许应力。碳纤维布的应力应变满意线弹性关系，碳纤维布的应力等于碳纤维

5、布应变与其弹性模量的乘积即c=Ecc。受压区混凝土应力等于其应变与弹性模量的乘积，且小于其容许应力。因为外贴的碳纤维布很薄，近似认为碳纤维布中心离梁顶的距离与梁高相等。在达到容许受弯承载力前，碳纤维布与混凝土之间粘结牢靠，不发生粘结剥离破坏。按照以上假定可得如下图所示的计算应力图形。 3.3换算截面 为便利计算，我们把粘贴的碳纤维布换算成与它功能相等的假想的受拉钢筋，即换算受拉钢筋面积Ag1=EcAcEg=nAc。式中Ac为加固碳纤维布横截面积；n为碳素纤维布弹性模量Ec与钢筋弹性模量Eg比值。 4、平凡钢筋混凝土梁受弯容许承载力计算方法 4.1计算公式推导为利用钢筋容许应力值，平凡钢筋混凝土

6、桥梁的受弯容许荷载是使纵向受拉钢筋应力达到容许应力的荷载。根据梁的正截面受弯弹性计算方法，应用上述换算截面的概念，把梁底部的碳素纤维布换算为受拉纵筋，应用受拉区合力与受压区合力组成的力偶，推导受弯容许抵挡弯矩公式如下：Mg=g（Ag+EcAcEg）Z或Mg=g（Ag+nAc）Z，Z=h0-x+y,y=Ia/Sa，试中：Mg平凡钢筋混凝土梁经碳纤维布加固后梁的容许抵挡弯矩；Ag原受拉钢筋面积；Z内力偶臂长，即受拉区合力与受压区合力组成的力偶臂；g为钢筋容许应力，此处为原受拉钢筋与最外层加固碳纤维布换算钢筋截面重心处的应力；4.2计算公式适用范围和留意事项上述公式是根据矩形截面梁推导，但同样适用于

7、T形截面梁等常用截面形式。应避开碳纤维布加固量过大，受压混凝土应力过早达到容许值，使梁发生超筋破坏，既不平安又不经济。上述公式是根据原受拉钢筋容许应力g计算得出的，实际应用中还要验算受压混凝土的应力不能超过其容许应力。梁底面粘贴碳纤维布换算为钢筋时，相当于在梁底部增强一层钢筋，因此在计算混凝土截面有效高度h0和钢筋容许应力g等参数时，计算位置取原受拉钢筋与最外层换算钢筋截面重心处。5、计算公式理论计算值与实验值对照按照张兴虎实验数据及实验结果如下：实验构件为平凡钢筋混凝土T形梁3根，混凝土强度等级为C30，每根T形梁截面内配制纵向受拉主筋为5根级14螺纹钢筋，腹板和翼缘的箍筋分离用6及4的级钢

8、筋。碳素纤维布的参数：单位面积碳纤维布质量200g/m2，计算厚度0.111mm，抗拉强度标准值3550MPa，弹性模量Ec2.35105Mpa。T形梁的构件尺寸、钢筋的布置方式和碳素纤维布粘贴方法可参照文献3有关图示。梁编号及意义如下：T0为不粘贴碳纤维布，T1为粘贴一层碳纤维布；T2为粘贴二层碳纤维布。加载方法：每根梁通过一荷载分配梁对构件施加2个对称的集中力来举行加载实验，加载最大荷载是使受拉钢筋应力达到其容许应力的荷载。实验结果和理论计算值如下表： 6、结论与启示 从表中可以看出：理论加载值大约为实验加载值的73.6%88.5%，二者吻合性相对较好，说明计算公式有一定牢靠度。误差主要是

9、因为没有考虑受压区翼缘钢筋和受拉区混凝土等作用。根据实验结果，T梁包一层碳纤维布后承载力提高了15%，包二层碳纤维布后承载力提高了24.7%，但根据计算公式，理论计算抵挡弯矩值或加载值提高比例分离为1.8%和3.6%左右，显然偏于保守。主要缘由是：没有考虑包裹在梁腹板处碳纤维布参加工作，显然减弱了碳纤维布实际加固效果；理论计算中，碳纤维布的计算厚度是取理论计算值，计算中忽视了涂刷粘结树脂层的厚度，实际施工中这部分厚度往往超过碳纤维布的理论计算厚度数倍，在工程中发挥了很大作用；从公式可以看出，加固后梁抗弯承载力随碳纤维布加固横截面Ac的增大而提高。但在实际工程阅历中，倘若其加固量过大（厚）简单发生早期剥离破坏，甚至发生超筋破坏，因此并非加固量越多越好，应当按照计算和实际工程阅历决定其加固量。加固后梁抗弯承载力与n=EcEg值有关，即在其它条件相同前提下，碳素纤维布弹性模量Ec越大，原钢筋弹性模量Eg越小，n值越大，加固后抗弯承载力提高越多，因此高弹性模量的碳素纤维布比高强