碳纤维加固技术在桥梁维修中的应用研究

摘 要：本文针对天津市外环线津塘公路立交桥2010年维修时拆下的25m跨预应力空心板梁进行静载试验，通过对使用碳纤维加固梁及未加固梁的试验数据进行分析，结果表明：经碳纤维加固的梁无论是裂缝开展还是挠度变化程度都较未加固梁有所改善；且加固梁底面碳纤维片材在梁体开裂后未出现剥离和空鼓现象，能减少梁体开裂引起钢筋锈蚀的不利影响。

关键词：碳纤维加固静载试验预应力空心板梁

1 概况

本文通过对使用碳纤维加固及未加固的25m预应力空心板梁静载试验进行分析，验证其承载力，包括试验梁在公路-Ⅰ级汽车荷载作用下的抗弯、抗剪承载力和试验梁在依据规范规定计算的抗弯承载力等效荷载作用下的受力性能；试验梁在超载加载下的受力性能；观察碳纤维加固对提高空心板梁抗弯承载力的效果。

2 实验内容

在对外环线津塘公路立交桥进行维修时，从桥上取下3片25m跨径后张预应力混凝土空心板梁（中梁），对其进行承载力试验，为保证在试验过程中空心板梁受力情况与实际使用情况相似，试验过程中将空心板梁的两端放置在制作好的混凝土墩上，混凝土墩安装了同原桥支座相同的板式橡胶支座。试验内容包括：

试验1：检验空心板梁的抗弯承载力；

试验2：在空心板梁底部采用碳纤维加固，观察碳纤维加固对提高空心板梁抗弯承载力的效果；

试验3：检验空心板梁的抗剪承载力。

试验梁吊装就位后发现梁2顶面破损严重，故仅对梁1和梁3进行试验，其中试验1和试验3采用梁1，试验2采用梁3。

3 加载方案

试验过程中为保证空心板梁变形稳定，以获得准确的数据，相邻两级荷载的时间间隔不少于15min，具体试验加载方案如下。

试验1：加载64t，分8级加载，具体数据见表1。

表1 试验1相关数据

荷载级别 荷载块

重量/t 所加荷载产生跨中弯矩/kN m 梁体实际

跨中弯矩/kN m 对应荷载状态

1 12 655.8 2119.8 预加载

2 24 1311.6 2775.6

3 32 1774.1 3238.2 恒载+公路-Ⅰ级汽车荷载+人群荷载的效应组合（M=3218.8kN m）

4 40 2193.9 3657.9 跨中截面能够承受弯矩最大值（抗弯承载力M=3745.5 kN m）

5 48 2646.9 4111.0

6 52 2882.7 4346.7 恒载+2倍公路-Ⅰ级汽车荷载+人群荷载的效应组合（M=4263.3kN m）

7 56 3099.4 4563.5 1.2倍抗弯承载力

8 64 3528.8 4992.8 1.3倍抗弯承载力

试验2：空心板梁底面采用碳纤维布加固，加载总重亦为64t，分6级加载，具体数据见表2。

表2 试验2相关数据

荷载

级别 荷载块重量/t 所加荷载产生跨中弯矩/kN m 梁体实际

跨中弯矩/kN m 对应荷载状态

1 12 655.8 2119.8 预加载

2 26 1429.6 2893.6

3 40 2193.9 3657.9 跨中截面能够承受弯矩最大值（抗弯承载力M=3745.0kN m）

4 48 2665.7 4111.0 略小于恒载+2倍公路-Ⅰ级汽车荷载+人群荷载的效应组合设计值

5 56 3102.1 4563.5 1.2倍抗弯承载力

6 64 3521.7 4992.8 1.3倍抗弯承载力

表1、表2中所列的对应荷载状态均为考虑了分项系数的各项荷载的效应组合设计值，其效应组合表达式为：

S =1.2恒载+1.4公路-Ⅰ级汽车荷载+0.8人群荷载

式中，S ――承载力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值。

表1、表2中所列对应荷载状况对应空心板梁横向连接完好无伤时的情况。

试验3：加载不分级，满载时加载的荷载块重量为64t。

4 测试方案

试验梁均进行梁体竖向位移、混凝土应变的测量以及梁体表面裂缝的观测。由于试验前试验梁已承受了自重和预应力的作用，试验过程中梁移和应变的测量值实际上为试验所加荷载作用下梁体产生的竖向位移和梁体内应变的变化。

4.1 梁体竖向位移测试

试验1、试验2为空心板梁的抗弯承载力试验，为了准确测试空心板梁在各级荷载作用下的竖向位移，分别在空心板梁跨中截面和两端支座截面3个截面上布置6个测点，下文中所有挠度值均为减去支座沉降后的挠度值。

同时采用百分表和精密水准仪测量梁体竖向位移，以便相互校核，保证测量精度。

试验3为空心板梁抗剪承载力试验，梁体竖向位移测量同试验1、试验2。

4.2 梁体混凝土应变测试

空心板梁体的应变测试采用电阻应变片，同时对梁体顶面和底面的弯曲应变采用钢弦式表面应变计进行校核测量，以保证测量精度。

试验1、试验2为空心板梁的抗弯承载力试验，应变测量以梁体弯曲应力最大的跨中截面为主，在空心板梁的跨中截面两侧各粘贴5片电阻应变片，共10个测点。

试验3为空心板梁的抗剪承载力试验，应变测量以选择的剪力测试截面处剪应力为主。在剪力测试截面两侧各粘贴1个三轴45°应变花。

将电阻应变片与CM-2B型静态应变仪通过导线相连，试验过程中可对各测点处的混凝土应变值进行自动测量和采集，然后通过换算可得到各测点处混凝土的应力变化值。

4.3 梁体混凝土表面裂缝观测

为了准确地观测和描绘梁体混凝土表面裂缝开展情况，试验前先将梁体的表面清理干净后涂白，并用墨线绘出250x250mm的网格。试验过程中用黑笔将梁体表面出现的裂缝标注清楚，用读数显微镜测量裂缝宽度。

5 试验结果与分析

5.1 试验1与试验2对比与分析

5.1.1 试验1与试验2位移测试对比与分析

对试验1（未加固梁1）与试验2（加固梁3）的加载载荷与跨中挠度及加载引起的跨中弯矩与跨中挠度进行对比，如图1、图2所示。

图1 梁1与梁3跨中P-Δ曲线对比图图2 梁1与梁3跨中M-Δ曲线对比图

由图3、图4可知，碳纤维加固的梁3挠度较未加固梁1有所改善。

5.1.2 试验1与试验2裂缝测试对比与分析

梁1（未加固梁）的两侧面均在加载至48t时已出现较为明显的裂缝，经观测裂缝长度已超过25cm，最大裂缝宽度为0.31mm；满载时部分裂缝长度超过50cm，最大裂缝宽度为0.43mm，此时裂缝宽度已远较规范允许值大。

与梁1相似，梁3的两侧面在加载至48t时已有明显的裂缝，经观测裂缝长度超过25cm，最大裂缝宽度为0.19mm；满载时部分裂缝长度超过50cm，最大裂缝宽度为0.32mm，此时裂缝宽度已大于规范允许值。

5.2 试验3结果与分析

根据试验结果，在大于1.2恒载+1.4公路-Ⅰ级汽车荷载+0.8人群荷载基本组合的剪力效应组合荷载作用下，梁体无任何斜向裂缝出现，未发生剪切破坏。

6 结论

本文选择《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中挠度和裂缝的限值作为本次试验空心板梁承载力判定的主要依据。

根据对挠度和裂缝等评定，各试验梁都出现挠度首先达到规范限值的情况。其中未加固梁1所加荷载块产生的跨中截面弯矩值达1774kN.m时挠度已达到规范规定的限值，在空心板梁横向连接完好无损的情况下，此时对应的荷载状态相当于恒载+公路-Ⅰ级汽车荷载+人群荷载基本组合的效应组合；加固梁3所加荷载块产生的跨中截面弯矩值达2194kN.m时挠度已达到规范规定的限值，在空心板梁横向连接完好无损的情况下，此时对应的荷载状态相当于恒载+1.5倍公路-Ⅰ级汽车荷载+人群荷载基本组合的效应组合。

抗剪试验表明，试验梁在加载最不利情况下，首先出现了弯曲破坏，未出现剪切破坏。

当空心板梁的横向连接均完好无损且所加荷载相当于公路-Ⅰ级汽车荷载作用时，未加固梁1跨中挠度为34.8mm，加固梁3跨中挠度为12.8mm；当跨中挠度达到限值40.7mm时，未加固梁1所承受的荷载略大于恒载+公路-Ⅰ级汽车荷载+人群荷载基本组合的效应组合设计值；加固梁3所承受的荷载略小于恒载+2倍公路-Ⅰ级汽车荷载+人群荷载基本组合的效应组合设计值。

经比较，经碳纤维加固的梁3无论是裂缝开展还是挠度变化都较未加固梁1有所改善。且梁3底面碳纤维片材在梁体开裂后未出现剥离和空鼓现象，能减少梁体开裂引起钢筋锈蚀的不利影响。

7 参考文献

[1] 中华人民共和国行业标准. 公路桥涵设计通用规范 (JTG D60-2004) [ S]. 北京：人民交通出版社，2004.

[2] 中华人民共和国行业标准. 公路钢筋混泥土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）[S]. 北京：人民交通出版社，2004.

[3] 中华人民共和国国家标准. 混凝土结构加固设计规范(GB50367-2007)[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。