预应力碳纤维薄板加固箱梁结构力学性能分析

摘 要：为了分析预应力碳纤维薄板加固箱梁结构的力学性能，本文首先利用有限元软件建立箱梁加固前后的模型，其次分析箱梁在荷载作用下加固前后的力学性能，最后通过对比分析可知预应力碳纤维薄板有效的增加了箱梁的承载能力。

关键词：预应力碳纤维薄板；箱梁；力学性能

中图分类号：U448文献标识码： A

1 引言

我国是一个自然灾害非常频繁的国家，灾害过后很多的建筑物都需要维修加固后再利用；五六十年代修建的建筑物、大量的构筑物及桥梁、涵洞、隧道结构中的很多混凝土结构已过设计基准期，现已需维修加固；很多的建筑物还存在设计、施工缺陷和长期使用过程中的损伤、老化导致承载力不足；以及载荷、结构功能的改变等，这些都需要维修与加固。建筑物的维修与加固的方法有很多种，就结构加固、改造的技术现状而言，通常可分为钢筋混凝土增厚法、体外预应力法、片材加固法、消震法等。

预应力碳纤维薄板加固法是一项新兴的结构加固技术，它是一项利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于混凝土表面，从而达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的[4][5]。本文就预应力碳纤维薄板加固箱梁后力学性能进行分析。

2 工程概况

本文选取广州某桥的预制箱梁，箱梁顶板宽2.35m，底板宽1.0m，梁高1.4m。预应力钢筋采用高强度低松弛的钢绞线，直径为15.2mm，弹性模量Ec=2.0×105N/mm2，泊松比为0.3，线膨胀系数选为2×10-5。混凝土C50混凝土，弹性模量Ec=3.45×104N/mm2，抗压强度标准值fck=32.4 MPa,抗拉强度标准值ftk=2.64 MPa。泊松比为0.3。素混凝土重量ρ=24kN/m3，带钢筋混凝土密度ρ’=25KN/m3=2500kg/m3。考虑到桥面铺装，设定钢梁的密度为3200kg/m3。

图1 预应力钢筋端部配筋图图2 预应力钢筋跨中配筋图

碳纤维薄板薄板型号TA30，计算厚度0.3mm，弹性模量Ecfl=2.3×105MPa，拉伸强度ftu=4750MPa。

表2.1.1纤维薄板的力学性能

3有限元分析模型

本文采用大型有限元软件ANSYS模拟预应力碳纤维薄板箱梁。其中混凝土结构采用线弹性，预应力筋采用多线性随动强化模型。在对纤维薄板进行有限元建模时，在不考虑粘结层情况下，在钢筋混凝土与粘结层接触的平面作切分，作为碳纤维薄板的实体建模。

箱梁预应力钢束有8束，分别采用六束和两束类型钢绞线，张拉力分别为781.2kN和585.9kN。在梁横截面水平中心线下部按拱形曲线分两侧布置，每跨单根预应力束长26m长（比梁单跨长1m）。弹性模量Epb=2.0×105 MPa。

加固前后箱梁有限元模型如图3、图4所示，预应力钢筋分布如图4所示，碳纤维板有限元模型如图5所示。

图3 未加固前箱梁有限元模型图4 碳纤维薄板加固后有限元模型

图5 预应力钢筋分布图图6 碳纤维薄板示意图

4预应力碳纤维薄板加固箱梁结构力学性能分析

4.1加固前箱梁数值分析

加固前试验梁的计算结果及分析：试验梁将按简支梁计算。在施加端部约束、重力作用、预应力钢筋以及公路I级荷载后，经ANSYS计算得如下结果：最大挠度位于跨中，其值为12.498mm;混凝土所承受的最大拉应力为4.94MPa。

图7 未加固前的挠度云图 图8 未加固前箱梁底部应力云图

4.2 加固后箱梁数值分析

在荷载组合（恒载和活载）作用下为满足B类构件加固要求，对碳纤维薄板施加不同的预应力度，并对加固后的RC梁进行了内力计算。结果表明，当碳纤维薄板施加6.2%预应力度时，可以满足加固要求。此时混凝土内挠度最大值也是位于跨中底部，大小11.712mm。混凝土所承受的最大拉应力为4.0MPa。最大压应力位于跨中加载点处，大小11.623MPa。

图9 加固后箱梁的挠度云图图10 加固后箱梁底部应力云图

4.3箱梁加固前后对比分析

加固前后箱梁挠度和底部应力对比如表1所示。经上述数据和表1分析可知：碳纤维薄板的加固，对跨中挠度影响不大，说明其对刚度的影响较小；碳纤维薄板加固后，混凝土所受的拉应力沿梁长方向均匀减少，有效地提高了箱梁的承载能力，使其满足了B类构件的要求。

表1 加固前后箱梁力学分析对比

5 结论

本文以广州某桥梁为对象，利用有限元分析软件ANSYS对预应力碳纤维薄板加固箱梁结构进行数值模拟。在计算结果分析后以下结论：

（1）加固前后梁挠度值变化较小，说明预应力碳纤维加固并不能有效地加强提高梁的刚度。

（2）在预应力碳纤维薄板的作用下，原先受载的混凝土的受拉区由于碳纤维薄板预应力效果，部分构件由受拉状态转变为受压状态，有利于继续发挥混凝土的功用。箱梁的承载能力显著提高。

（3）当碳纤维薄板施加6.2%的预应力度时，试验梁可以满足B类构件加固要求。