郭志軍

（甘肅省嘉峪關(guān)公路管理局，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷提升，公路交通量呈現(xiàn)逐年遞增現(xiàn)象，與此同時(shí)，相關(guān)規(guī)范對(duì)汽車荷載等級(jí)也進(jìn)行了提升，加上外部環(huán)境因素的影響，很大一部分即有橋梁在運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)了這樣或那樣的病害，例如：梁、板發(fā)生斷裂、上部承重構(gòu)件發(fā)生異常位移、混凝土剝落、露筋、主梁產(chǎn)生裂縫等等，這些病害對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性產(chǎn)生了很大的影響。而對(duì)即有橋梁的拆除重建不但嚴(yán)重影響正常的交通，而且還不經(jīng)濟(jì)，所以目前對(duì)病害程度不是很大的橋梁都是通過維修加固來恢復(fù)或提高其承載能力，這也帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋在現(xiàn)役橋梁中占有相當(dāng)大的比例，相對(duì)其他橋型，預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋出現(xiàn)的病害也較為普遍，目前常見的對(duì)于此類橋梁的加固方法主要有：粘貼鋼板加固法、增大截面加固法、粘貼碳纖維布加固法[1]等。普通的粘貼鋼板加固對(duì)于提高梁底的抗拉性能很有限；增大截面法所需要的空間相對(duì)較大，影響橋梁凈空；而CFRP材料抗拉性能較大，同時(shí)質(zhì)量比鋼材要輕、厚度小，易施工，是對(duì)有橋下凈空限制的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)的首選加固材料，在相關(guān)工程中具有很大的研究推廣價(jià)值。

1 工程概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋原設(shè)計(jì)荷載為汽-20，驗(yàn)算荷載為掛-100，該橋上部結(jié)構(gòu)為4跨20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋，每跨由7片板梁組成，全橋共28片板梁，板梁梁高0.9 m[2]。橋梁總體布置情況如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置圖（單位:cm）

通過對(duì)該橋現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)該橋梁的主要病害集中在以下幾個(gè)方面:（1）橋面鋪裝層出現(xiàn)橫向裂縫，破損露筋，鋼筋有銹蝕現(xiàn)象；（2）梁體多處出現(xiàn)橫向裂縫及梁底滲水腐蝕；（3）上部結(jié)構(gòu)混凝土出現(xiàn)不同程度剝落掉角等。

2 加固方案

通過對(duì)該橋病害情況進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的研究，最終采用的加固方案為：梁底用粘貼CFRP法加固，粘貼方式如圖2所示；清除混凝土腐蝕部分，對(duì)構(gòu)件混凝土表面裂縫進(jìn)行修補(bǔ)；重新設(shè)置鉸縫，拆除原橋面鋪裝層，重新進(jìn)行鋪裝。

圖2 梁底粘貼CFRP加固平面圖（單位:cm）

3 加固效果分析

3.1 有限元模型

該預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋在采用CFRP加固法加固后，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立的有限元模型，加固后空心板梁有限元模型如圖3所示。主梁采用SHELL64單元模擬，碳纖維布采用SHELL41單元模擬，各材料間不考慮滑移，均采用節(jié)點(diǎn)耦合進(jìn)行連接。

圖3 加固后有限元模型

3.2 荷載試驗(yàn)

3.2.1 靜載試驗(yàn)

該橋行車道寬度w=7.0 m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，試驗(yàn)加載車輛重力擬定為330 kN，需要的車輛數(shù)目為2輛[3]。實(shí)驗(yàn)中，加固前后撓度和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置不變，其中撓度測(cè)試截面為第二跨L/4截面、2L/4截面、3L/4截面，每個(gè)截面分別在每片梁底板中間位置布置1個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)；應(yīng)變測(cè)試截面為第二跨L/4截面、2L/4截面，加固后梁底測(cè)點(diǎn)用于測(cè)定CFRP應(yīng)變。

加載時(shí)，全橋靜載實(shí)驗(yàn)共分4個(gè)工況[4、5]，分別是：（1） 工況 1：L/4 截面雙車對(duì)稱加載；（2） 工況2：L/2截面雙車對(duì)稱加載；（3）工況3：L/4截面單車偏心加載；（4）工況4：L/2截面單車偏心加載。

3.2.2 動(dòng)載實(shí)驗(yàn)

本次動(dòng)載試驗(yàn)選取橋跨為第二跨，加固前后測(cè)點(diǎn)截面位置不變，分別為第二跨L/4截面、跨中截面、3L/4截面，在這三個(gè)截面位置布置6個(gè)拾振器。豎向動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)設(shè)在L/2截面4號(hào)梁底部位置，測(cè)點(diǎn)布置形式如圖4所示。

圖4 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖

加載時(shí)，全橋動(dòng)載實(shí)驗(yàn)共分4個(gè)工況，分別是：

（1）工況 1：脈動(dòng)測(cè)試振動(dòng)加速度、速度；（2）工況2：?jiǎn)诬?0 km/h無障礙行車測(cè)振動(dòng)加速度、速度、動(dòng)應(yīng)變；（3）工況3：?jiǎn)诬?0 km/h無障礙行車測(cè)振動(dòng)加速度、速度、動(dòng)應(yīng)變；（4）工況4：?jiǎn)诬?0 km/h無障礙行車測(cè)振動(dòng)加速度、速度、動(dòng)應(yīng)變。

3.3 加固效果分析與評(píng)價(jià)

（1）通過加固前后對(duì)橋梁進(jìn)行有限元仿真模擬，得到的加固前后荷載實(shí)驗(yàn)有限元仿真跨中最大撓度值比較如圖5所示。

圖5 加固前后有限元仿真跨中最大撓度對(duì)比圖(單位：mm)

從圖5可以看出，該橋在加固前后各靜載工況下出現(xiàn)最大撓度值的工況為第二工況，加固后撓度為9.50 mm，加固前撓度為10.66 mm，加固后撓度降低了10.8%，第一、三、四工況加固后截面最大撓度分別減小9.2%、9.4%、11.7%。

（2）加固前后各工況下荷載試驗(yàn)跨中截面實(shí)測(cè)撓度曲線如圖6所示。

圖6 加固前后各工況下跨中截面測(cè)點(diǎn)撓度曲線圖

從圖6可以看出，荷載試驗(yàn)實(shí)測(cè)跨中最大撓度加固前后減小了19.6%；各工況下跨中截面撓度平均減小率為17.5%，說明加固后跨中截面撓度橫向分布較加固前更加均勻，更加接近于理論計(jì)算值，加固后的主梁橫向剛度變大，橋梁受力狀況得到了很大的改善。

（3）利用ANSYS有限元模擬分析得到加固前后最不利工況下（工況2）預(yù)應(yīng)力筋、混凝土、CFRP的最大應(yīng)力見表1[6]。

表1 工況2加固前后應(yīng)力理論最大值 MPa

從表1可以看出，加固前后跨中截面混凝土最大壓應(yīng)力基本保持不變；梁底混凝土最大拉應(yīng)力減小了33.3%，說明CFRP抗彎加固能夠增大梁底變形能力，荷載作用下，二者共同發(fā)生形變，有利于混凝土抗拉性能的提高；預(yù)應(yīng)力鋼筋最大拉應(yīng)力減小了19.9%，這是由于加固后中CFRP發(fā)揮出抗彎作用所致，加固后CFRP最大拉應(yīng)力值為33.4 MPa。

（4）加固前后理論頻率值和經(jīng)荷載試驗(yàn)所測(cè)得實(shí)際頻率值見表2。

表2 加固前后各階頻率實(shí)測(cè)值和理論值 Hz

從表2可以看出，加固后的各階理論頻率提高程度相對(duì)比較有限，而加固后實(shí)測(cè)頻率提高幅度分別為18.17%和12.5%，其值相對(duì)較大，這是因?yàn)閷?shí)際橋梁加固時(shí)更換了橋面鋪裝和鉸縫，同時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行了修補(bǔ)，這樣會(huì)有利于提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度，改善結(jié)構(gòu)的受力性能，而理論建模分析時(shí)沒有考慮橋梁的這些病害情況。所以，經(jīng)CFRP加固后結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性有明顯改善。

（5）加固前后經(jīng)荷載試驗(yàn)所計(jì)算得到的沖擊系數(shù)值如圖7所示。

圖7 加固前后沖擊系數(shù)對(duì)比圖

式中：β（η，μ）為靜、動(dòng)力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)；η為靜載試驗(yàn)主要測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)均值；μ實(shí)測(cè)、μ規(guī)范分別為沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值和規(guī)范取值。

對(duì)靜載試驗(yàn)試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算可得，η=0.61＜1，

從圖7可以看出，隨著行車速度的增加，加固前后沖擊系數(shù)都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，經(jīng)理論分析可知沖擊系數(shù)理論值為0.272，加固前沖擊系數(shù)都大于理論值，說明加固前橋面行車時(shí)對(duì)橋體產(chǎn)生的沖擊比較大，且行車速度越大這種作用就約明顯；經(jīng)CFRP加固后不同車速下的沖擊系數(shù)明顯減小，并且都要小于理論值，說明加固后的橋梁行車性能得到了明顯改善。

3.4 承載能力綜合評(píng)定

引入靜、動(dòng)力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)β（η，μ）參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能綜合評(píng)價(jià)[7]：，所以，CFRP加固后該橋承載能力滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過CFRP加固法在某預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋中的加固應(yīng)用，經(jīng)實(shí)橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)比分析可知，用CFRP加固后的橋梁，其撓度和應(yīng)力在一定程度上均得到了較好的改善，承載能力有了大幅度的提高，加固效果明顯[8]。這說明CFRP加固法在預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋的加固中有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以在同類橋梁加固中推廣應(yīng)用。