金春福

（遼寧省交通高等專科學(xué)校，遼寧 沈陽 110122）

碳纖維網(wǎng)格相較于傳統(tǒng)的碳纖維布、碳纖維片材易于裁剪便于施工，且其表面一般采用無定形硅粉進(jìn)行處理并且涂有防氧化涂層，將碳纖維復(fù)材網(wǎng)格和聚合物砂漿配合使用，與原結(jié)構(gòu)有良好的相容性，耐久性能突出，加固性能方面具有較多優(yōu)勢。本文以實際碳纖維網(wǎng)格加固工程為例，針對碳纖維網(wǎng)格復(fù)合加固系統(tǒng)的力學(xué)特性，采用有限元分析以及實橋承載能力檢測的方法，對采用碳纖維網(wǎng)格加固的舊橋受力性能及特點進(jìn)行了討論。

1 碳纖維網(wǎng)格加固工程概況

1.1 橋梁概況

北沙河橋建于2000年，跨徑布置12×15.7m，原橋設(shè)計荷載等級為汽-超20，掛-120。橫斷面布置為0.35m（欄桿）+0.65m（人行道）+7m（機、非混行車 道）+0.65m（人行 道）+0.35m（欄桿）。該上部結(jié)構(gòu)采用簡支空心板，板寬1.05m，邊板寬1.315m，高均為0.8m。下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，基礎(chǔ)和橋墩之間設(shè)置承臺，承臺高1.0m，樁長26.0m，樁徑1.2m，北沙河橋橫斷面如圖1所示。

圖1 北沙河橋斷面圖

近年相關(guān)檢測單位對該橋進(jìn)行檢測，經(jīng)現(xiàn)場檢測橋梁主要存在以下病害。

上部結(jié)構(gòu)：①全橋板底普遍存在混凝土腐蝕、鹽析現(xiàn)象；②個別板底露筋銹蝕嚴(yán)重；③鉸縫混凝土普遍腐蝕脫落；④多數(shù)空心板存在多條0.05mm-0.18mm橫向、縱向裂縫并伴滲水。

下部結(jié)構(gòu)：①兩側(cè)橋臺臺身和臺帽混凝土腐蝕嚴(yán)重，局部鋼筋銹蝕、混凝土開裂破損；②全橋蓋梁混凝土腐蝕嚴(yán)重，個別露筋銹蝕；③個別橋墩露筋銹蝕；④個別橋墩樁基礎(chǔ)外露嚴(yán)重。經(jīng)檢測該橋整體狀況被評為4類橋，表明橋梁主要構(gòu)件存在嚴(yán)重缺陷，嚴(yán)重影響橋梁使用功能，或影響承載力，不能保證橋梁正常使用。因此擬對橋梁整體進(jìn)行大修、加固。

1.2 碳纖維網(wǎng)格加固方案

經(jīng)比選后該橋采用碳纖維網(wǎng)格加固，其碳纖維網(wǎng)格總體維修加固過程如下。首先，對原有舊橋混凝土裂縫進(jìn)行封閉、灌漿處理。即，對梁體底部、腹板處所有寬度大于0.15mm的裂縫用環(huán)氧樹脂壓力填充；對寬度小于0.15mm的裂縫用環(huán)氧樹脂膠泥在表面涂刷兩道進(jìn)行封閉。其次，對所有裸露鋼筋進(jìn)行除銹處理，進(jìn)一步對混凝土破損處進(jìn)行修補。待外觀病害處理結(jié)束后進(jìn)行碳纖維網(wǎng)格加固施工，碳纖維網(wǎng)格參數(shù)見圖2。碳纖維網(wǎng)格加固具體施工順序為：①底板表面處理；②配套高強砂漿拌制；③碳纖維網(wǎng)格的裁剪和鋪設(shè)；④粘貼一層橫/縱向200/200mm雙向碳纖維網(wǎng)格。隨即進(jìn)行第一層砂漿的涂抹施工，砂漿采用濕法涂抹，砂漿層總厚度設(shè)計為20mm；⑤表面刷拭；⑥第二層砂漿的噴涂施工。⑦砂漿養(yǎng)護(hù)和表面處理。待砂漿涂抹封閉完成后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)7天時間后進(jìn)行外裝修和涂裝處理。

圖2 雙向碳纖維網(wǎng)格

2 碳纖維網(wǎng)格加固橋梁受力性能有限元分析

2.1 碳纖維網(wǎng)格加固橋梁有限元模型建立

為詳細(xì)分析碳纖維網(wǎng)格加固前后橋梁的力學(xué)狀態(tài)變化采用有限元分析軟件ANSYS對北沙河橋加固前后受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。建模過程中上部結(jié)構(gòu)簡支空心板及加固用砂漿均采用三維實體單元Solid65，鋼筋采用link10三維桿單元模擬［7］。碳纖維網(wǎng)格采用link10單元，采用按等效剛度方法進(jìn)行模擬，建模過程中關(guān)閉受壓項將其調(diào)整為僅受拉模式，同時碳纖維網(wǎng)格建模時與加固砂漿混凝土單元約束方程進(jìn)行處理。建立的有限元分析模型見圖3。

圖3 北沙河橋碳纖維加固有限元模型

有限元模型中混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系關(guān)系選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010-2010）》推薦的本構(gòu)關(guān)系，鋼材料選用理想彈塑性本構(gòu)曲線，采用雙線性等向強化模型BISO進(jìn)行模擬。鑒于碳纖維材料直至破壞，其應(yīng)力與應(yīng)變始終保持良好的線形關(guān)系，因此在本次分析過程中，碳纖維布網(wǎng)格亦按線彈性考慮。材料參數(shù)均按實測數(shù)據(jù)取值，但是由于該橋建設(shè)年代久遠(yuǎn)，混凝土強度采用現(xiàn)場推定強度30Mpa，鋼筋屈服強度取335Mpa，選用的碳纖維網(wǎng)格材料性能指標(biāo)如下表1所示。

表1 碳纖維網(wǎng)格力學(xué)性能表

2.2 有限元結(jié)果分析

表2為加固前后在設(shè)計交通荷載作用下梁板底部縱向應(yīng)力表。為便于說明，梁板編號從左至右依次定為1—8號梁板。由表中應(yīng)力值可知，梁板經(jīng)過碳纖維網(wǎng)格加固后由于碳纖維網(wǎng)格加固體分擔(dān)了部分荷載，因此在外荷載作用下經(jīng)碳纖維網(wǎng)格加固后梁底縱向應(yīng)力有所降低，在彈性范圍內(nèi)平均降低了10%左右。

表2 碳纖維加固前后梁底應(yīng)力

表3為設(shè)計交通荷載作用下跨中橫橋向撓度分布圖。由圖可知，經(jīng)碳纖維網(wǎng)格后橋梁在同等荷載作用下?lián)隙茸畲笾涤?5.321mm減小至-4.921mm，表明碳纖維網(wǎng)格加固后結(jié)構(gòu)剛度亦有所增加。由此可知，碳纖維網(wǎng)格不僅可用于舊橋強度加固，也可用于剛度加固。

表3 碳纖維加固前后撓表

圖4為北沙河橋在設(shè)計交通荷載情況下4號梁板縱向應(yīng)力分布圖，可見當(dāng)碳纖維網(wǎng)格縱向受力特點與鋼筋受力方式一致，簡支條件下中部拉應(yīng)力最大，梁端部拉應(yīng)力為零。圖5為跨中橫橋向1～8號梁板碳纖維網(wǎng)格拉應(yīng)力分布圖。由圖可知，碳纖維網(wǎng)格橫向受力特點與縱向受力區(qū)別較大。碳纖維網(wǎng)格橫向顯示出局部受拉的特點，其受力點主要在于鉸縫位置處，表明橫向碳纖維網(wǎng)格承擔(dān)了一部分橫橋向拉應(yīng)力。

圖4 碳纖維網(wǎng)格縱向拉應(yīng)力分布

圖5 碳纖維網(wǎng)格橫向拉應(yīng)力分布

3 碳纖維網(wǎng)格加固后成橋承載能力試驗

3.1 加固后成橋承載能力試驗設(shè)計

成橋荷載試驗是檢驗橋梁碳纖維網(wǎng)格加固后的施工質(zhì)量和加固效果的最有效、最直接的手段。為此，本文對北沙河橋加固前后分別對橋梁相同跨進(jìn)行靜、動力荷載試驗，對比了加固前后實際結(jié)構(gòu)應(yīng)變及撓度變化。

靜力試驗荷載采用等效荷載加載，靜載試驗荷載效率應(yīng)按式（1）計算確定：

式中，η為靜力試驗荷載效率；Ss為靜載試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面應(yīng)變或移的最大計算值；S為控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面應(yīng)變或位移的最不利效應(yīng)計算值； （1+μ）為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

試驗中按橋梁結(jié)構(gòu)最不利受理原則和代表性原則，結(jié)合北沙河橋結(jié)構(gòu)特點及測試目的，荷載試驗工況確定為跨中截面最大正彎矩加載，試驗工況見表4。動載試驗部分采集橋梁加固前后主頻及阻尼比，靜載試驗內(nèi)容主要包括簡支梁應(yīng)變、撓度。等效荷載加載車輛加載位及北沙河橋測點布置見圖6。

表4 北沙河橋試驗工況表

圖6 加載位置及測試點布置（單位：cm）

3.2 加固后成橋承載能力討論

圖7為試驗工況條件下碳纖維網(wǎng)格加固前后應(yīng)變分布圖，由圖可知，經(jīng)碳纖維網(wǎng)格加固后橋梁底應(yīng)變顯著減小，表明該橋加固維修后強度有所改善。圖8為加固前后橫向撓度分布圖，可見經(jīng)過加固后撓度值普遍小于加固前且橫向聯(lián)系情況較之加固前更加合理。采用環(huán)境激勵法測得的結(jié)構(gòu)基頻，加固前為7.422Hz，加固后為8.000Hz，較之加固前提升7.8%，表明橋梁經(jīng)過碳纖維網(wǎng)格加固后結(jié)構(gòu)整體剛度也有提升。

圖7 碳纖維網(wǎng)格加固前后應(yīng)變分布

圖8 碳纖維網(wǎng)格加固前后撓度分布

4 結(jié)論

舊橋采用碳纖維網(wǎng)格加固不僅可修復(fù)原有結(jié)構(gòu)表觀缺陷，同時橋梁運營過程中碳纖維網(wǎng)格可有效由分擔(dān)部分荷載，因此碳纖維網(wǎng)格加固可部分提高原有結(jié)構(gòu)承載力。