朱建方,戴 欣,胡若鄰

(1.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山東濟(jì)南250101；2.中交四航工程研究院有限公司,廣東廣州510230)

濱海環(huán)境區(qū)梁構(gòu)件碳纖維加固作用評(píng)價(jià)

朱建方1,戴 欣1,胡若鄰2

(1.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山東濟(jì)南250101；2.中交四航工程研究院有限公司,廣東廣州510230)

針對(duì)濱海環(huán)境區(qū)梁構(gòu)件碳纖維加固效果的問(wèn)題,結(jié)合橋梁靜載試驗(yàn)驗(yàn)證的理念,對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)碳纖維加固前后進(jìn)行靜載試驗(yàn),通過(guò)比較碳纖維加固前后的位移、應(yīng)力值,獲得碳纖維加固前后承載能力提高情況,同時(shí)了解碳纖維加固后,梁結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)靜載試驗(yàn)結(jié)果分析可知：梁構(gòu)件碳纖維加固效果良好,可以推廣使用。

濱海環(huán)境；梁構(gòu)件；碳纖維；加固；效果評(píng)價(jià)

0 引言

我國(guó)海岸線蜿蜒曲長(zhǎng),沿海地帶分布著眾多的工業(yè)民用建筑、公路橋梁和港口碼頭。濱海環(huán)境對(duì)這些建筑物的耐久性產(chǎn)生重要影響,氯離子和硫酸根離子的侵蝕降低了建筑構(gòu)件的耐久性,使建筑構(gòu)件往往達(dá)不到規(guī)定的使用年限。在港口和濱海地區(qū)的建筑物中,許多建筑直接或間接地受到海水的影響,如沿海的港口、碼頭和船塢建設(shè)中采用的鋼筋混凝土樁、梁、橋面板和防波堤等?；炷两Ｆ脚_(tái)中的一些構(gòu)筑物更是長(zhǎng)期處于海水浸泡的特殊環(huán)境中,不可避免地要受到海水的物理和化學(xué)侵蝕,造成混凝土表層剝離或內(nèi)部孔隙增大,呈蜂窩狀結(jié)構(gòu),或者因?yàn)殇摻钿P蝕形成順筋開(kāi)裂、鋼筋斷裂等,使混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低甚至破壞。此外,構(gòu)筑物還要受到風(fēng)浪的撞擊、凍融循環(huán)作用,大大加速建筑物的破壞［1］。

現(xiàn)階段,我國(guó)濱海地區(qū)已建成很多橋梁、碼頭等混凝土結(jié)構(gòu),能否確保濱海環(huán)境下的耐久性并延長(zhǎng)其使用壽命,不僅關(guān)系到工程安全性和服役壽命的重大科技問(wèn)題,也關(guān)系到所在地區(qū)經(jīng)濟(jì)能否健康發(fā)展的重大社會(huì)問(wèn)題。特別是運(yùn)營(yíng)多年的橋梁結(jié)構(gòu),由于荷載及復(fù)雜的腐蝕環(huán)境,使得主梁出現(xiàn)各種病害,如混凝土開(kāi)裂、破損、變形等,這就需要對(duì)梁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的維修加固,甚至升級(jí)改造［2-3］。

為了避免結(jié)構(gòu)進(jìn)一步腐蝕,碳纖維由于其耐腐蝕性,無(wú)疑是一種較適宜的加固材料,然而對(duì)于碳纖維加固效果,業(yè)界普遍抱有懷疑態(tài)度,特別是針對(duì)海工結(jié)構(gòu),加固的構(gòu)件往往在浪濺區(qū),碳纖維與結(jié)構(gòu)物之間的粘結(jié)劑在海水下凝固,從而影響碳纖維加固效果。為此,碳纖維水下粘結(jié)劑開(kāi)始出現(xiàn),比如中交四航工程研究院開(kāi)發(fā)了水下碳纖維粘結(jié)劑,并形成了成套海工結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù),不過(guò)還需要實(shí)際工程驗(yàn)證碳纖維加固效果［4-6］。

本文以浙江舟山一個(gè)高樁碼頭引橋主梁維修加固工程為背景,該碼頭的梁構(gòu)件采用碳纖維加固,并應(yīng)用了水下碳纖維粘結(jié)劑。為了評(píng)估碳纖維加固效果,在此,特別對(duì)碳纖維加固梁構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值模擬及試驗(yàn)分析,分加固前及加固后兩個(gè)工況,分別比較實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值,從而評(píng)價(jià)碳纖維加固效果。從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,碳纖維加固碼頭梁構(gòu)件效果明顯。

1 加固方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況,引橋縱梁14根(靠海側(cè)2跨)嚴(yán)重受損,另外14根(靠岸側(cè)2跨)產(chǎn)生銹脹大裂縫,需要對(duì)引橋縱梁進(jìn)行碳纖維加固。

梁構(gòu)件粘貼碳纖維加固工藝流程如下：表面處理→涂底膠→找平→涂浸漬膠→粘貼碳纖維布→涂浸漬膠→防腐處理。加固前見(jiàn)圖1,加固后見(jiàn)圖2。

圖1 碳纖維加固前

圖2 碳纖維加固后

2 荷載試驗(yàn)

2.1 檢算荷載

試驗(yàn)荷載選取雙后軸重車(chē)進(jìn)行加載,按照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)要求,控制截面靜載試驗(yàn)效率介于0.95～1.05之間,跨中截面的試驗(yàn)彎矩和荷載效率如表1所示。

表1 試驗(yàn)彎矩和效率系數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)型式和特點(diǎn),選擇引橋從岸側(cè)起的第1跨進(jìn)行靜載試驗(yàn)。

2.2.1 撓度測(cè)試

主要測(cè)試梁為中梁2#梁,測(cè)試在各級(jí)荷載作用下結(jié)構(gòu)各主要斷面的變形,一共9個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。撓度測(cè)試隨著荷載等級(jí)分級(jí)測(cè)試,采用百分表進(jìn)行測(cè)試。如圖3所示,在撓度測(cè)點(diǎn)位置固定錨固釘,用鋼絲繩及鐵錘懸掛,在地上錨固百分表進(jìn)行測(cè)試,其中地面用換填砂處理且用鋼板固定,百分表用磁性錨固在鋼板上。

圖3 百分表現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖(單位:cm)

2.2.2 應(yīng)變測(cè)試

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)一共有16個(gè),應(yīng)變測(cè)試斷面為a2、b2、c2三個(gè)斷面,每個(gè)斷面有4個(gè)測(cè)點(diǎn),分別在離底面高度0 cm、35 cm、70 cm、100 cm處,實(shí)際布置時(shí),可以做微調(diào),并用尺子測(cè)試出應(yīng)變測(cè)試位置高度。應(yīng)變測(cè)試隨著荷載等級(jí)分級(jí)測(cè)試,在測(cè)試位置貼好應(yīng)變片,并涂好密封硅膠,將導(dǎo)線引出橋面集中測(cè)試。

2.2.3 裂縫監(jiān)測(cè)

檢測(cè)在試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)展?fàn)顩r。

2.2.4 試驗(yàn)加載

靜載試驗(yàn)主要測(cè)試在各級(jí)荷載作用下結(jié)構(gòu)的工作性能,包括各測(cè)點(diǎn)撓度、跨中截面應(yīng)力變化等。 通過(guò)1輛550 kN雙后軸重車(chē)加載、卸載完成跨中正彎矩工況靜載試驗(yàn),試驗(yàn)步驟為：(1)引橋空載,30 min后測(cè)試空載數(shù)據(jù)；(2)車(chē)輛倒退行駛至加載位置1,15 min后測(cè)量梁的撓度及應(yīng)力；(3)車(chē)輛倒退行駛至加載位置2,15 min后測(cè)量梁的撓度及應(yīng)力；(4)車(chē)輛駛離橋面,15 min后測(cè)試各個(gè)主梁的撓度及應(yīng)力。試驗(yàn)加載順序見(jiàn)表2。

表2 引橋靜載試驗(yàn)加載表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 撓度變形分析

加固前主梁的校驗(yàn)系數(shù)為1.05,加固后主梁的校驗(yàn)系數(shù)為0.95(見(jiàn)表3),滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)規(guī)定的校驗(yàn)系數(shù)在0.6～1.1之間的要求。卸載后,實(shí)測(cè)最大撓度變形測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變位為：加固前11%,加固后3%,滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)中規(guī)定的小于20%的要求,說(shuō)明結(jié)構(gòu)彈性恢復(fù)能力較好。

表3 滿載作用下跨中截面撓度分析表

主梁實(shí)測(cè)最大撓度變形值為：加固前1.75 mm,設(shè)計(jì)理論值為1.67 mm；加固后1.58 mm,設(shè)計(jì)理論值為1.7 mm。加固前的撓度值大于設(shè)計(jì)理論值,加固后撓度值小于設(shè)計(jì)理論值,說(shuō)明加固后主梁剛度得到提高。實(shí)測(cè)最大撓度變形測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變位為：加固前11%,加固后3%。加固前遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加固后,說(shuō)明加固后彈性變形能力得到大大改善。

3.2 應(yīng)變分析

加固前主梁的校驗(yàn)系數(shù)為1.04,加固后主梁的校驗(yàn)系數(shù)為0.97(見(jiàn)表4),滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)規(guī)定校驗(yàn)系數(shù)在0.6～1.1之間的要求。卸載后,可知橫梁實(shí)測(cè)最大應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)椋杭庸糖?%,加固后2%,滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)中規(guī)定的小于20%的要求,說(shuō)明結(jié)構(gòu)彈性恢復(fù)能力較好。

表4 實(shí)測(cè)應(yīng)變與理論應(yīng)變對(duì)比情況

主梁實(shí)測(cè)最大撓度變形值為：加固前205 με,設(shè)計(jì)理論值為198 με；加固后196 με,設(shè)計(jì)理論值為202 με。加固前的應(yīng)變值大于設(shè)計(jì)理論值,加固后應(yīng)變值小于設(shè)計(jì)理論值,說(shuō)明加固后主梁剛度得到提高。實(shí)測(cè)最大應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變位為：加固前7%,加固后2%。加固前大于加固后,說(shuō)明加固后彈性變形能力得到大大改善。

3.3 裂縫觀測(cè)結(jié)果分析

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中利用手電筒、裂縫測(cè)寬儀觀測(cè)新裂縫的產(chǎn)生和舊裂縫寬度的變化,試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)新裂縫的產(chǎn)生和裂縫寬度發(fā)生變化。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)加固前后主梁試驗(yàn)撓度及應(yīng)變值求出的校驗(yàn)系數(shù)均滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)規(guī)定校驗(yàn)系數(shù)在0.6～1.1之間的要求。說(shuō)明加固前后結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)符合規(guī)范要求。

(2)加固前,主梁最大撓度及應(yīng)變值稍大于設(shè)計(jì)理論值,說(shuō)明結(jié)構(gòu)存在安全隱患,需要進(jìn)行維修加固。

(3)加固后,主梁最大撓度及應(yīng)變值均小于設(shè)計(jì)理論值,說(shuō)明結(jié)構(gòu)滿足正常使用要求,結(jié)構(gòu)維修加固效果較好。

(4)實(shí)測(cè)最大撓度變形測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變位為：加固前11%,加固后3%。實(shí)測(cè)最大應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變位為：加固前7%,加固后2%。撓度、應(yīng)變的殘余變位均是加固前大于加固后,說(shuō)明加固后彈性變形能力得到大大改善,加固效果良好。

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U445.7+2

B

1009-7716(2015)09-0107-03

2015-04-20

朱建方(1979-),男,山東臨沂人,工程師,從事道路橋梁工程設(shè)計(jì)工作。