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碳纤维板材加固梁式桥应用研究

更新时间:2009-03-28

0 引言

国内现存公路桥梁有相当一部分是20世纪80年代建设的,其承载性能已不能满足现行荷载的要求,需对其进行加固改造,以恢复其承载能力,提高结构的耐久性.

80年代瑞士联邦实验室的Meier等人对纤维增强复合材料(FRP)板代替钢板加固混凝土结构的技术进行了系统的研究,并在工程中进行了应用;1991年用碳纤维增强复合材料(CFRP)板加固了瑞士的Ibach桥;1994年美国洛杉矶大地震和1995年日本阪神大地震后,此项新技术发展迅猛,并在土木工程结构加固中得到广泛应用.将碳纤维板材粘贴于梁体侧面,纤维板对混凝土起到横向约束的作用[1].Amir M.Malek等提出了CFRP板材加固的梁体在裂缝出现后碳纤维板的剪力计算方法[2].粘贴CFRP对已开裂的RC梁的抗弯性能有很好的提高效果[3].不同的粘胶对构件加固后的抗弯性能还有一定的影响[4],且碳纤维板材的类型以及尺寸的差异会导致加固梁的破坏形式的不同[5].当对粘贴于混凝土构件的碳纤维板材施加预应力时,可有效改善了梁体的抗疲劳性能[6],同时使构件的抗弯能力大幅度提高[7].

2.4 PITC和VCT发现的感染者特征比较 对2016年发现的感染者当年死亡比例、既往检测比例、晚发现比例进行分析,比较PITC和VCT发现的感染者特征。与VCT相比,PITC途径发现的感染者晚发现比例较高,既往检测比例较低,差异有统计学意义(P<0.01),见表3。

周永涛和江世好等 [8-9]分别进行了保证通行前提下加固工程的研究,江世好认为加固时通行车辆的轴重及车速都应有所限制.张会远[10]通过工程实际及软件仿真分析发现,碳纤维板材加固法能有效改善桥梁结构的塑性变形能力.李明等[11]使用断裂力学理论对碳纤维加固的桥梁进行寿命估算,发现疲劳损伤的累积过程并不是一个线性过程.

从专利数量对比情况来看,美国桔皮书所列专利中,非活性成分专利数量远超过活性成分专利,即使新分子实体药物也是如此。对1994-2006年新批准上市的214个新分子实体药物进行分析发现,在这些药物中,共有716个专利列入桔皮书中,平均每个新分子实体药物拥有3.34个专利,其中活性成分专利1.13个,非活性成分专利2.21个。将非活性成分进一步分类为使用方法专利和药物产品专利,发现每个新分子实体药物平均拥有1.34个使用方法专利和0.87个药物产品专利,使用方法专利数量明显高于药物产品专利。④ 同注释③。

1 桥梁概况

某桥建于1998年,原设计荷载为汽车-超20级,挂车-120,简支结构.桥梁上部结构标准跨径20m和25 m,梁高分别为0.9 m、1.0 m,共78孔,桥梁全长1 951.6 m.全桥分2幅,2幅桥梁布置相同,全桥共计982片空心板.中板宽为1.24 m、边板宽为1.64 m,A类后张部分预应力混凝土构件,原设计混凝土强度等级为40号,预应力钢绞线标准强度为1 860 MPa,普通钢筋采用HRB335钢筋.

2 桥梁病害

对全桥982片后张预应力空心板检测得出:其中138片空心板板底存在横向裂缝(见图1),占空心板板总数的14.05%,裂缝分布在距跨中截面5 m范围内,且多位于底板横向箍筋位置处,间距0.2~3 m.裂缝宽度0.02~0.22 mm,其中宽度0.02~0.10 mm的裂缝占总数>90%,裂缝深度20 mm~34 mm(保护层厚度为35 mm),裂缝沿梁高延伸至腹板0.4~0.6 m,部分裂缝贯通底板形成U型裂缝.

  

图1 空心板横向裂缝照片Fig.1 Transverse cracks of hollow slab

1.1 一般资料 选取2010年9月至2010年12月在安徽医科大学第一附属医院普外科接受手术治疗、术后病理确诊为胃癌患者257例,其中男性198例,女性59例;年龄范围26~85岁,年龄(61.8±10.1)岁,中位年龄63岁。所有患者手术方式均为D2根治术。TNM分期(AJCC 2010第7版):Ⅰ期44例,Ⅱ期64例,Ⅲ期145例,Ⅳ期4例。

3 加固计算分析

考虑工期、施工成本、结构病害的影响、材料劣化情况、加固后新旧材料能否有效粘结协调受力等因素,经方案比选,除15片梁底裂缝密集且严重下挠的板梁采取更换主梁外,其余梁底出现横向裂缝主梁采用粘贴非预应力碳纤维板材进行加固,以提高结构的承载力.

对梁底粘贴1层100 mm宽、1.4 mm厚的小丝束碳纤维板材,碳纤维板材料性能指标试验结果见表1;胶黏剂采用与片材相配套的底胶及结构粘结胶,胶体性能指标满足《公路桥梁加固设计规范》(JTG-T J22-2008)的要求.

1)km:碳纤维复合板材强度折减因子

 

表1 碳纤维板材料性能指标检验结果Tab.1 Test results of performance index of carbon fiber sheet

  

检验项目 性能指标受拉弹性模量/MPa >1.64×105抗拉强度标准值/MPa >2 800伸长率/% ≥1.70纤维体积含量/% 70层间剪切强度/MPa ≥50仰贴条件下纤维复合材料与混凝土正拉粘结强度≥2.5,且为混凝土内聚破坏

为提高结构的抗弯承载力,在预应力混凝土空心板板底粘贴1层厚1.4 mm、宽100 mm碳纤维板材6条,碳纤维板材的截面面积Af=840 mm2.加固计算各参数的计算及取值如下:

适应度是算法拣选因子的主要依据,需要将约束问题转换为无约束问题,现有约束条件处理方法主要包括抛弃法、修复法及罚函数法[13]。前两种方法在一定程度上会降低群体多样性,且处理高度多约束问题时极易导致进化死锁而经典罚函数法无法有效剔除非可行解。为此,本文提出一种自适应外罚函数,设待优化模型为:

2) [εf]:纤维复合材料的允许拉应变

取 [εf]=kmεfu,且不应大于纤维复合材料极限拉应变的2/3和0.007两者中的较小值,εfu为纤维复合材料的极限拉应变,由表1知εfu=2 800/(1.64×105)=0.017,因为所以碳纤维板材允许拉应变 [εf]=0.007.

ξfbh < x=308 mm <ξbh0

将各参数代入式(4),可抵抗弯矩M=4 214.3 kN·m,加固后结构的承载力满足汽车-超20级,挂车-120的要求,桥梁承载力恢复至原设计水平.

采用梁底架设支架进行粘贴施工,施工中封闭桥上车辆通行,故不计汽车荷载作用,根据检测结果,空心板横向裂缝沿梁高延伸40cm,由于预应力梁底混凝土出现横向裂缝,假定梁底预压应力释放,故ε1=0.

4)ξfb:碳纤维板材达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高度.

 

混凝土极限拉应变εcu=0.003 3.

不过,警察问我:“钱包里有没有个人证件?”我说有,有在留卡。他打开东京警视厅失物招领网站,输入我的名字,结果居然看到我的钱包已经出现在“拾到物”的名录上。

5)混凝土受压区高度x和纤维复合材料拉应变εf

以标准跨径25 m空心板(中板)进行计算,其跨中截面尺寸及配筋如图2所示,正截面抗弯承载力计算时将空心板截面等效为工字形截面,如图3所示.

  

图2 空心板跨中截面(单位:cm)Fig.2 Section of slab (Unit:cm)

  

图3 正截面抗弯承载力计算图Fig.3 Calculation of bending bearing capacity

混凝土受压区高度x和碳纤维板材拉应变εf按式(2)、式(3)联立求解:

 

式中参数含义见《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004).

取km1和km2中的较小值,为碳纤维板材的层数,nf=1;tf为每层碳纤维板材的厚度,tf=1.4 mm;Ef为弹性模量,Ef=1.64×105MPa),km2=0.85,得km=0.47.

钢筋:HRB335 fsd=fsd′=280 MPa,AS=2 212 mm2,AS′=2 011 mm2(直径 16 mm),as=as′=44 mm;ξb=0.56.

预应力束:fPd=1 260 MPa,AP=3 336 mm2(4 × 6 φj15.2),ap=160 mm.

碳纤维板材:Af=840 mm2,Ef=1.64×105MPa,ε1=0.

混凝土:原设计40号混凝土,经检测可达到现行规范C40,fcd=18.4 MPa,εcu=0.003 3.

传统的CAD设计方法在图纸的展示途径上,主要是以二维图纸模式来呈现建筑模型信息,此种图纸的构建方式只能将建筑施工中的某些基本构架进行分析,告知施工人员建筑结构的成果[11]。但是施工人员无法获取建筑的内部构造和相关的建筑信息,容易造成施工过程中信息更新不完整、图纸设计内容和实际施工之间存在差异,影响建筑设计施工的正常运行。

尺寸:bf′=1 240 mm,b=540 mm,h=1 000 mm,hf′=150 mm,a=145.1 mm,h0=854.9 mm.

经检测得出如下结论:根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTGT J21-2011)第7.3.4条,桥梁结构在持久状况下的裂缝宽度限值,A类后张部分预应力混凝土不容许出现横向裂缝,而根据裂缝病害检测结果,裂缝的宽度等已不满足规程的要求,预应力空心板结构的实际承载力与设计承载力相比已明显下降,故应对该预应力板梁进行更换或维修加固.

解得:x=308 mm,εf=0.005 3, [εf]=0.007,x≥2as′=88 mm.

ξfbh=0.256×1 000=256 mm;ξbh0=0.56×854.9=478.7 mm

3)ε1:考虑二次受力影响时,加固前构件在初始弯矩作用下,截面受拉边缘混凝土的初始应变.

 

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4 加固方法及效果

施工时,凿除桥面铺装混凝土和需更换的15片板相邻铰缝混凝土,在拆除15片板中抽取3片板,按前述理论分析结果在梁底粘贴碳纤维板材,如图4所示.对3片空心板分别做粘贴碳纤维板材加固前、后的单梁对比静载试验,板梁跨中挠度加固后是加固前的0.82倍,抗弯刚度提高18.6%;板底应力加固后是加固前的0.84倍.

对出现裂缝的其余123片板梁在原梁位进行混凝土裂缝修补.由检测结果,裂缝深度未超过钢筋保护层厚度,其成因是由于预应力钢束松弛以及汽车超载而产生的混凝土保护层裂缝,影响结构的耐久性.由此对裂缝宽度≥0.10 mm的裂缝采用压力灌缝用修补胶进行灌注封闭,对裂缝宽度<0.10 mm的裂缝采用聚合物水泥注浆料进行刮涂封闭.若梁底有水蚀,则取梁体的最低点进行钻孔排水.裂缝修补用胶及聚合物水泥注浆料的安全性能指标满足《公路桥梁加固设计规范》(JTG-T J22-2008)的要求.

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待裂缝修补胶达到强度后,在原梁位仰贴条件下对空心板板底均布粘贴1层厚1.4mm、宽100 mm碳纤维板材6条,加固工程完成后对碳纤维板材粘贴质量进行检验;吊装新预制的15片主梁,浇筑新梁相邻的铰缝混凝土,桥面铺装以及桥面附属结构施工.

对全桥进行静载试验,根据桥梁的设计荷载,选用加载车4辆重380 kN,静荷载试验效率在0.95~1.05范围内.

1)挠度检测结果与分析

桥梁加固后在荷载作用下,控制截面实测最大弹性挠度为5.62 mm,小于理论值18.75 mm;各测点挠度校验系数为0.36~0.40,最大相对残余变形为1.78%.

2)应力检测结果与分析

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板梁控制截面最大应力为2.50 MPa,小于理论值5.21 MPa;各测点应力校验系数分别为0.48、0.47,最大相对残余应变为4.05%.

桥梁荷载试验的结果表明,使用碳纤维板材加固板梁后,该桥的变形及应变均满足设计荷载标准要求,加固后桥梁抗弯承载能力提高.自该桥加固完成通车2年以来,桥梁未出现新的病害,梁底裂缝未发生新的扩展,由此粘贴碳纤维板材加固方式对既有裂缝的发展以及新裂缝的产生都有很好的抑制效果.经济合理、施工简便的基础上,采用粘贴碳纤维板材加固桥梁能满足运营要求,桥梁处于安全使用状态.

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图4 碳纤维板加固预应力板梁Fig.4 Prestressed plate beam strengthened with carbon fiber sheet

5 结论

本研究以天津某预应力混凝土板梁桥为工程背景,对其进行混凝土裂缝等检测之后,基于桥梁的最终竣工图、设计图和检测报告,综合考虑各种因素,选择对该桥使用粘贴碳纤维板材的方式加固,通过理论分析和静载试验可得到如下结论:

1)对于出现裂缝的后张预应力混凝土梁,当裂缝高度达到梁高的0.5倍时,钢束松弛,梁底预压应力释放,中性轴以下的混凝土对整个截面的刚度没有影响,在分析其刚度时可按普通钢筋混凝土结构考虑.

2)在单梁试验中,当荷载从设计荷载加至破坏荷载时,最外侧的一条碳纤维板首先开裂、脱落.因此粘贴碳纤维板材的加固施工中,对碳纤维板材的材料性能以及粘贴质量进行现场检验非常重要.

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3)粘贴碳纤维板材加固前、后做单梁静载试验结果说明,板梁跨中挠度加固后是加固前的0.82倍,抗弯刚度提高18.6%;板底应力加固后是加固前的0.84倍.

4)全桥静荷载试验结果显示,各测点挠度校验系数为0.36~0.40,最大相对残余变形为1.78%,应力校验系数分别为0.48、0.47,最大相对残余应变为4.05%,校验系数均小于1,说明全桥整体现浇桥面铺装,提高了整体刚度并使汽车荷载分布更为均匀,桥梁承载力恢复至原设计水平.

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5)运营阶段对桥梁裂缝的观测显示,经加固改造的梁未产生新裂缝且原裂缝未发展,说明粘贴碳纤维板材法加固抑制了裂缝的产生,提高了结构的耐久性.

参考文献:

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[11]李明,朱浮声,赵云鹏,等.基于断裂力学的CFRP加固桥梁疲劳裂纹扩展研究[J].中国公路学报,2014,11(27):63-68.

 
宋娃丽,庞旭,杜书亮
《河北工业大学学报》2018年第02期文献

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