浅谈桥梁加固中FRP预应力筋的应用

摘要：FRP即纤维增强复合塑料是一种高新的材料，在土木工程领域已经得到了很大的应用，尤其在一些加固工程中，其运用更加明显。在桥梁加固中有很多种方法，本文笔者将frp与体外预应力筋加固法相结合，阐述了二者相结合后对于桥梁加固的重要意义，仅供参考。

关键词：FRP；预应力筋；桥梁加固；对比试验

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

目前进行旧桥加固的方法有很多，如碳纤维布、体外预应力筋、粘钢加固等，国内许多科研机构均展开了相应的试验研究，其加固机理较为明确．由于桥梁病害的复杂性，单独一种加固方法已无法满足实际需要，目前许多桥梁加固工程中结合了碳纤维布和体外预应力筋的加固方法，然而其加固机理尚需要进行试验研究．本文对7根钢筋混凝土T梁开展了受力性能对比试验，其中首次在国内开展了利用体外预应力筋和碳纤维布结合加固的试验，并通过工程实例论证了结合二者进行桥梁加固的效果。

1 试验方案

试验共预制了7片相同尺寸和配筋的T梁，编号Tl一T7。混凝土的设计标号为C25，受拉主筋为 l0的II级螺纹筋，抗拉强度为340 MPa，箍筋为I级光圆钢筋，设计强度为240 MPa。

梁的加固方案：

(1)对Tl梁，不加周，作为比较用的基准梁；

(2)对他梁，粘贴一层碳纤维布；

(3)对 梁，张拉体外预应力筋；

(4)对T4梁，先张拉体外预应力筋，再粘贴一层碳纤维布；

(5)对T5梁，加载到开裂后，粘贴一层碳纤维布，继续加载；

(6)对T6梁，加载到开裂后，张拉体外筋，继续加载；

(7)对1_7梁，加载到开裂后，张拉体外筋、粘贴一层碳纤维布，继续加载；

1．1 加载方法

试验对各片梁采用两点对称加载的方式，在两个对称集中荷载之间形成纯弯段，这样有利于观察分析受弯构件在加载各阶段的应变、变形及裂缝开展等情况．试验采用逐级加载，开裂荷载由梁底应变片测值和刻度放大镜观测裂缝相结合的方法确定。

1．2 测点布置

试验测试的主要内容是控制截面的挠度、应变和梁裂缝的观测．挠度的测点选在1／4跨、l，2跨、3／4跨，以便测出挠曲变形的特征曲线，试验所用仪器为机电百分表．混凝土的拉压应变、钢筋应变和纤维应变通过应变片测量，应变片布置见图1。

图1-1 测量仪器布置图1

图1-2 测量仪器布置图2

为测量试验梁体外预应力筋的应力增量，特为每束钢绞线加了1个传感器．进行梁的静力测试时，对传感器进行应变测量即可获得相应的应力增量。

1．3 测量过程

在每级加载完成后，由千斤顶上的传感器测出当前的荷载值，由静态数据采集仪自动扫描获得各测试截面挠度值，混凝土应变值以及钢筋、纤维布的拉应变值．当梁底开裂后，用刻度放大镜对裂缝的开展做观察，记录裂缝条数、开裂宽度、高度、开裂的形状等．

需要指出的是，对T5―T7三片T梁的加载过程与前面梁有所不同．首先对三片梁加初始荷载Po，记录挠度、应变值．待各测值稳定后，梁底已明显有裂缝开展，且趋于稳定，然后按操作规程张拉相应的体外预应力筋、粘贴碳纤维布养护7 d后，继续加载直至破坏。

1．4 试验结果及分析

(1)通过对各梁跨中截面上应变测点值的分析，可以看出各级荷载作用下，截面上应变较好的符合线性分布规律．进过数据测量得出，当荷载逐步增加，T梁中和轴不断上升，当荷载接近极限荷载时，T梁下部受拉区混凝土开裂严重，应变片被拉断。

(2)7片T梁的试验结果如表1．从表中可以看出，T5的屈服荷载略小于T2，这是因为在初始荷载的作用下，梁底已经开裂，混凝土和钢筋已经有了初始应变，同T2梁相比，碳纤维布的应变小于粘贴表面混凝土的应变，这被称为应变滞后现象嗍．应变滞后使碳纤维布在加固后的加载前期未充分参与工作，因此对屈服荷载提高程度减小了．但对于极限荷载的影响却很小，因为对碳纤维布加固后的钢筋混凝土T梁，很难发生受压区混凝土破坏，一般都是碳纤维被拉断或与混凝土的剥离破坏陶，而这种破坏与初始荷载的关系并不密切。

表1 7片T梁试验结果

T6梁的屈服荷载略大于 ，这是因为在开裂后张拉体外预应力筋，由于预应力筋对混凝土的回缩作用减小了混凝土裂缝，增加了受拉区混凝土的工作性能，因此对屈服荷载提高程度略有增加．而由于体外预应力筋在结构破坏后应力增幅较小，明显小于体内有粘结预应力筋嘲，在结构极限破坏前一般达不到屈服应力，所以对极限荷载的影响也不大．从表中可以看出，碳纤维布结合体外预应力筋加固T梁较二者单独加固效果更为明显。

(3)荷载一挠度曲线直接反映了加固T梁的刚度变化情况，见图3一图6。

图3 各梁荷载-跨中挠度对比 图4 T1、T1、T5荷载-跨中挠度对比

图5 T1、T3、T6荷载-跨中挠度对比 图6 T1、T4、T7荷载-跨中挠度对比

从图4可以看出，结合两种加固方式结构极限破坏时的跨中最大挠度比加固前减少了约12mm，在屈服前，曲线斜率最大，即在这个阶段的加载过程中挠度增长较为缓慢。

从图5可以看出，加固体系二次受力加固极限破坏时挠度较受力前加固破坏最大挠度略有增加，且挠度增长速度更快。

从图6可以看出，由于张拉体外预应力筋产生反拱，对减小挠度增长速度效果较为明显．T4，T7梁的加固顺序是先张拉预应力筋、再粘贴碳纤维布，如果先粘贴碳纤维布由于提高了结构刚度，再张拉体外预应力筋则对挠度和裂缝影响要小。

(4)荷载一体外预应力筋应力增量与荷载一碳纤维布应变图反映了在加载过程中体外预应力筋和碳纤维布发挥作用的过程。

T2梁单独采用碳纤维布加固T梁极限破坏时纤维布的应变约为12 000 ，发挥了其抗拉强度的80．4％．利用两者结合加固极限破坏时碳纤维布应变约为9 000 ，发挥了其抗拉强度的60．3％，且T4梁在加载的初始阶段由于张拉体外预应力筋产生反拱碳纤维布基本上没有发挥作用，钢筋屈服后其应变增长也较T2梁慢(曲线第二段的斜率要大)。

将预应力钢筋上传感器测出的应变值转换成预应力钢筋的应力增量(转换成应力后减去张拉后的有效应力值)，T3、T4梁的荷载一体外预应力筋应力增量如下图所示：

图7 T3、T4梁荷载一体外预应力筋应力增量

从图7中可以看出，单独采用体外预应力筋加固和结合碳纤维布进行加固，极限破坏时体外预应力筋的应力增量分别为380 MPa、300 MPa，发挥了其屈服强度的42．2％和33．3％，同上面的数据对比可见在结合两者进行加固时，碳纤维布更能有效的发挥作用．从图可以看出在碳纤维布在开裂后发挥的比重更大，体外预应力钢筋则在屈服后发挥比重更大(图中曲线的第二转折段较长、而图中曲线的第三转折段较长)。

2 结论

本文通过7片T梁开展对比加固试验，得出了利用碳纤维布结合体外预应力筋进行结构加固的规律：

(1)加固后混凝土的应变沿梁高度方向的分布基本符合平截面假定；

(2)相比受载前加固，加固结构二次加载后碳纤维布降低了结构的屈服荷载，而体外预应力筋则增加了结构的屈服荷载；

(3)二者结合加固对提高结构的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均比单独采用一种方法加固效果更。为明显．加载前期挠度增长缓慢，破坏时最大挠度减小，结构延性降低；

(4)在二者结合进行结构加固的过程中，碳纤维发挥作用的效率更高，碳纤维布在受载前期发挥作用较大，而体外预应力筋则在受载后期发挥作用更大。