碳纤维加固桥梁结构技术计算及工程应用Word格式文档下载.doc
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如将这些桥梁全部拆除重建,不仅耗资巨大,并因耗时长而影响经济的发展。
因此如何在规范公路运输的前提下,运用检测手段采取有效的加固措施,提高桥梁的承载能力与延长使用年限,已成为桥梁建设中面临的一个问题。
对桥梁主要承重结构进行加固补强的根本目的是为了恢复和提高其承载能力,改善其使用性能,防止桥梁结构的安全隐患,提高其通行能力。
传统的提高钢筋混凝土桥梁承载能力的方法包括:
桥面铺装补强层加固法、增大截面和配筋加固法、锚喷混凝土加固法、体外张拉预应力加固法、粘贴钢板(钢筋)加固法、改变结构受力体系加固法、增设纵梁加固法、增加横向联系加固法以及近几年刚刚兴起的粘贴碳纤维布加固法。
这些方法虽然有效,但均受到一定条件的限制,且施工复杂,工期较长,有的还需定期养护。
最近几年,碳纤维加固技术得到了迅速的发展,这种方法不但有效,而且施工简便,具有很大的研究和应用价值,因而得到了工程界的日益重视。
2碳纤维加固的原理与特点
2.1碳纤维加固的特点
碳纤维复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer)简称CFRP,CFRP用于桥梁结构加固是近年来新兴的一种加固方法。
碳纤维材料具有优异的物理力学性能:
质轻(约为钢筋的1/4)、强度高(约为普通钢材的7~10倍)、弹性模量约为23×
105~58×
105MPa,非常适合钢筋混凝土结构加固,受力延伸率小于钢筋,且具有良好的耐老化性能。
因此当碳纤维材料用专制环氧树脂沿受力方向或垂直于裂缝方向粘贴在受损构件上后,粘贴剂作为它们之间的剪力连接媒介,使之与原结构形成新的受力复合体,使增强贴片与原有的钢筋共同受力,因碳纤维分担了抗力,就降低了钢筋的应力,而使结构得到加固补强,增大了结构抗拉或抗剪能力,有效地提高结构的强度、刚度、抗裂性和延性,控制裂缝和挠度的继续发展。
碳纤维增强塑料的另外一个特点是平行纤维方向和垂直于纤维方向的性能相差很大。
这个特性使得工程人员可以在产品真正需要的方向上增强刚度和强度,增加了设计的灵活性。
由于碳纤维高强、高效,可提高混凝土构件的承载力和延性,改善其受力性能,且耐腐蚀性和耐久性好,加固后无需再做表面处理;
加之施工方法方便、快捷、工期短,几乎不增加结构自重和截面尺寸,也几乎不会改变桥下的净空高度。
2.2基本计算理论
一.设计的基本假定
碳纤维加固梁截面满足平截面假定:
1)截面变形为小变形;
2)不考虑混凝土的抗拉强度,截面达到承载能力极限状态时,受拉区混凝土已开裂,其承受的拉力很小基本
可以忽略不计.
3)不考虑剪切变形(破坏截面的剪切变形与拉压变形相比很小).
4)碳纤维片材和混凝土梁不发生滑移,即变形协调.这是碳纤维片材加固混凝土梁的前提与基础,只有碳纤维片材与混凝土梁之间存在足够的粘结力,两者才能共同工作.
5)碳纤维材料为线弹性材料,实验证明其本构关系可以表示为:
σcl=Ecεcl
6)碳纤维片材的容许拉应变不大于碳纤维片材极限拉应变的2/3和0.01两者的较小值.由于受拉钢筋的极限应变值取为0.01,碳纤维片材的位置与钢筋的合力作用点很近,其拉应变可近似取为钢筋的拉应变即最大为0.01.
二.基本公式
1.正应力验算
设有一矩形梁,其截面面积为b×
h,跨径为L,跨中计算活载弯矩为Mp,在梁底贴有碳纤维片的面积为Acf,,根据结构设计原理,按容许应力法计算时有三个平衡方程式:
(2-1)
(2-2)
(2-3)
又根据弹性阶段弹性模量的比例关系换算,可以增加一个方程式,将碳纤维的面积等效地换算成普通钢筋,也即:
从而再重新决定钢筋合重心的位置和有效高度,对碳纤维的应力状态进行复核。
关于碳纤维材料的容许应力,建议可暂按日本规范取用安全系数K=1/3(长期),=1/2(短期),即[σcf]=3400Mpa/3=3400Mpa(长期),[σcf]=3400Mpa/2=1700Mpa(短期)。
在东燃株式会社的技术资料中则提出了K=1/3(长期),=2/3(短期)的建议。
本项验算应属在活载作用下的应力检算,作者认为应属于短期加载的情况,也即建议可采用[σcf]=1700Mpa。
2.正截面强度计算
根据结构设计原理正截面极限承载能力计算的基本公式为
(2-4)
(2-5)
(2-6)
假定
(注:
日本土木学会2000年指针=1.25)
则得:
取碳纤维材料的设计强度=2350Mpa后即可按上式求得中性轴的位置X。
从的条件可求得截面极限承载能力M0,并必须满足的安全条件。
结合以上假定及基本公式可进行正截面强度计算。
3 碳纤维的材料选择及施工注意事项
3.1材料的选择
对于碳纤维布,应选择杂质少,没有弯曲皱褶,编织均匀,文理清晰的材料,在选择树脂时则应根据三种不同的使用情况分别选择:
对界面胶应选择粘稠度在800~1600MPa.s,粘结强度大于5Mpa的树脂;
整平胶应选择压缩强度大于50Mpa、拉伸剪切强度大于10MPa的树脂;
粘结胶应选择粘稠度在3000~5000MPa·
s、拉伸强度大于25MPa,压缩强度大于60MPa,拉伸剪切强度大于10MPa的树脂.
表3-1是市场上常用的碳纤维材料性能技术指标。
碳纤维材料等级和特性表3-1
纤维
高抗拉碳纤维
高弹模碳纤维
等级
FTS-C1-20
FTS-C1-30
FTS-C5-30
FTS-C6-30
FTS-C7-30
纤维重量(g/cm2)
200
300
纤维密度(g/cm2)
1.8
1.82
2.1
2.17
设计厚度mm
0.111
0.167
0.165
0.143
设计抗拉强度(kgf/cm2)
35500
30000
25000
20000
设计抗拉弹模(kgf/cm2)
2.35×
106
3.8×
5.0×
5.5×
3.2施工工艺及注意事项
施工时选择好粘贴位置后,首先应对混凝土构件表面进行处理,裂缝处应灌入环氧树脂(界面胶),等到树脂硬化后,将欲粘贴截面打磨修饰平坦(如果有转角,转角处需磨成圆角,其曲率半径不小于20mm),涂环氧树脂砂浆,待硬化后再进行打磨平坦,清理粉尘.粘贴碳纤维片前用滚筒刷均匀地涂抹粘贴用环氧树脂,称为下涂.贴片时,在纤维片和树脂之间尽量不要有空气.待纤维片施工30h之后,用滚筒刷均匀涂抹粘贴用环氧树脂,称为上涂.如沿片材长度方向有搭接,其搭接长度不小于100mm(沿宽度方向不需搭接)且其下涂时应在该部位多涂抹一些还氧树脂.粘贴完以后应进行检查,是否有粘贴不良,对于碳纤维发生皱褶弯曲处,因其强度无法发挥,需再进行补强.施工结束后应进行养护,其养护温度不低于环氧树脂的允许使用温度,养护期一般在一到二周.对于有风吹、雨淋或可能人为扰动的地方应进行遮挡封闭养护.碳纤维布干了以后,为了防止紫外线照射,碳纤维发生老化,应在其上面再涂抹一层基于环氧基底的涂料或喷沙抹灰后涂刷常规涂料.
4工程实例
通顺河大桥位于汉宜高速公路仙桃至江陵段,桥梁全长110.64m。
桥跨为3x35m(T形梁)。
桥梁下部为轻型桥台。
桥面宽1.5m(人行道)+0.50m(防撞护栏)+9.25m+1.50m(中央分隔带)+9.25m+0.50m(防撞护栏)+1.5(人行道)。
设计荷载为汽车-超20级,挂车-120。
设计抗震烈度为8度。
该桥经过长时间运营后,出现了一定的病害。
其中主梁上病害尤为严重,主要表现为梁底裂缝较多,特别是横向裂缝,部分梁体有纵向裂缝,大部分裂缝正处于发育阶段,有的横向裂缝已经开始向梁顶发展。
根据2002年7月荷载实验结果,并经过反复论证,决定采用贴碳纤维加固,在T梁梁底粘贴纵向碳纤维片,在梁腹粘贴45°
斜向碳纤维片。
4.1试验方案
1.测试截面和测点布置
由于该桥为简支梁桥,故跨中截面的内力、挠度可以很好的反映全桥的受力情况和安全可靠性,为此确定对跨中截面做静载实测试验。
在四分之一跨中截面梁底布置5个应变片,共计5个应变片(未计入补偿片),具体位置及编号如图所示。
图2应变片示意图
在跨中截面梁底布置15个应变片,共计15个应变片(未计入补偿片),具体位置及编号如图所示。
图3应变片示意图
在跨中截面布置5个千分表作为桥跨结构的挠度测点,具体位置及编号如图3示。
图4千分表示意图
2.试验荷载
根据《公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)》中的规定,桥梁荷载试验一般采用基本荷载。
其中静力试验荷载的效率系数η取值范围为1.05≥η≥0.8。
这里
η=Ssat/(S×
δ)
式中:
Ssat——试验荷载作用下,检验部位变位或力的计算值;
S——设计标准活荷载作用下,检验部位变位或力的计算值;
δ——设计取用的动力系数。
为了保证试验的有效性,应使各测试截面试验荷载的效率系数η至少达到0.80以上。
本次试验采用东风-31吨(车重+货重)四辆,该桥设计荷载为汽车-超20级,其荷载效应系数η计算如下。
对于桥孔跨中最大正弯矩为
标准荷载效应:
M标=6964kN.m
试验荷载效应:
M试=7243kN.m
则η=M试/M标=1.04
对于桥孔1/4截面最大正弯矩为
M标=3606kN.m
M试=3859.5kN.m
则η=M试/M标=1.07
由上可见,荷载效应系数η达到0.8≤η<
1.1,符合《试验方法》规定,表明本桥试验加载有效。
4.试验工况
按照测试内容,应使主要测试截面在最不利情况下加载测试。
故根据测试截面的内力影响线及位移影响线,本次试验共分为以下2种试验工况:
工况1:
纵桥向按跨中截面的正弯矩和挠度的最不利位置布载,横桥向为两车中载。
工况2:
纵桥向按跨中截面的正弯矩和挠度的最不利位置布载,横桥向为两车偏载。
4.2改造前后数据比较
为对该桥改造后承载能力和工作性能与改造前有一形象的比较,现对该桥改造前后各相同位置测点挠度实验实测值分别进行比较。
如下表所示:
表9两种工况加固前后实验实测值比较表
工况
类别
位置
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