魏長(zhǎng)穎

北京市政路橋管理養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100097

橋梁是公路運(yùn)輸?shù)闹匾煌ㄒ?，也是?guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。在現(xiàn)役的眾多橋梁中，受到當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境等條件的限制與影響，部分橋梁設(shè)計(jì)荷載的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定偏低。對(duì)于這種存在的舊橋，如果完全拆除重建，不僅污染環(huán)境、浪費(fèi)巨大，還會(huì)影響交通與人們的生活。由此，一種新型的橋梁維修加固改造技術(shù)方法——碳纖維筋表層內(nèi)嵌噴漿法孕育而生。碳纖維筋的研究最早始于南非與法國(guó)，快速發(fā)展于美國(guó)、日本[1]。我國(guó)針對(duì)碳纖維的研究較晚，直到2000年我國(guó)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及工程應(yīng)用委員會(huì)成立，并于2003年頒布了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我國(guó)的碳纖維加固維修強(qiáng)梁的應(yīng)用起到了重要的推動(dòng)作用[2-3]。

1 內(nèi)嵌碳纖維筋原理

開(kāi)槽內(nèi)嵌碳纖維筋加固的基本原理為首先在原混凝土構(gòu)件表面采用開(kāi)槽機(jī)沿著軌道機(jī)械開(kāi)槽，開(kāi)槽深度需滿足設(shè)計(jì)要求，然后向其槽內(nèi)注入滿足要求的結(jié)構(gòu)膠，用量達(dá)到開(kāi)槽深度的2/3為宜，并在此基礎(chǔ)上，將碳纖維筋植入槽內(nèi)，有條件的可進(jìn)行綁扎，最后對(duì)表面射水拉毛并噴射高強(qiáng)聚合物砂漿，使其碳纖維筋與原構(gòu)件形成緊密的整體。

2 碳纖維筋加固設(shè)計(jì)理論計(jì)算

對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行碳纖維筋加固補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，在遵循相關(guān)假定的基礎(chǔ)上，加固計(jì)算包括如下相應(yīng)步驟[4]。

（1）碳纖維筋設(shè)計(jì)應(yīng)力與設(shè)計(jì)應(yīng)變計(jì)算。

式中：ffu為碳纖維筋設(shè)計(jì)應(yīng)力；CE為環(huán)境影響系數(shù)，取0.85；f*fu為碳纖維筋給定抗拉強(qiáng)度。

式中：εfu為碳纖維筋設(shè)計(jì)應(yīng)變；CE為環(huán)境影響系數(shù)，取 0.85；ε*fu為碳纖維筋給定斷裂應(yīng)變。

（2）計(jì)算在恒載作用下碳纖維筋安裝位置的初始混凝土彈性應(yīng)變。

式中：εbi為內(nèi)嵌部位混凝土初始彈性應(yīng)變；Md為第二階段彎矩組合設(shè)計(jì)值；df為加固后截面有效高度；kd為等效矩形應(yīng)力圖的混凝土受壓高度；Icr為加固前原構(gòu)件開(kāi)裂截面換算截面的慣性矩；Ec為混凝土彈性模量。

（3）確定碳纖維筋的有效應(yīng)變。

式中：εfe為碳纖維筋有效應(yīng)變；c為梁頂距離中性軸的高度；km為碳纖維筋黏結(jié)系數(shù)；εfd為縱向碳纖維筋拉應(yīng)變。

（4）受拉鋼筋的應(yīng)變計(jì)算。

式中：εs為現(xiàn)有鋼筋拉應(yīng)變；d為加固截面頂部與鋼筋的有效距離。

（5）鋼筋與碳纖維筋的應(yīng)力計(jì)算。

式中：fs為現(xiàn)有鋼筋應(yīng)力；Es為鋼筋彈性模量；fy為鋼筋設(shè)計(jì)應(yīng)力。

式中：ffe為碳纖維筋有效應(yīng)力；Ef為碳纖維筋彈性模量。

（6）平衡條件的計(jì)算。

式中：As為受拉鋼筋面積；Af為受拉側(cè)新增碳纖維筋面積；β1為截面受壓區(qū)矩形應(yīng)力圖高度與實(shí)際受壓區(qū)高度的比值；fcd為原構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度；b為加固構(gòu)件截面寬度。

（7）計(jì)算抗彎強(qiáng)度。

式中：Mu為設(shè)計(jì)最大極限承載力。

3 工程應(yīng)用加固效果

雪海溝中橋位于包頭市G110國(guó)道東興至東河段，中心樁號(hào)K708+658。該橋建于1986年，為斜梁橋，斜交角度為60°，上部結(jié)構(gòu)型式為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板梁，最大跨徑為10.0m，橋跨組合為3m×10.0m，斜長(zhǎng)11.55m，橋梁總長(zhǎng)49.05m。板梁截面尺寸為99.0cm×70.0cm，橫橋向設(shè)14片板。下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土雙柱式橋墩、重力式U型橋臺(tái)。該橋于1991年進(jìn)行單側(cè)拼寬，拼寬形式為上、下部結(jié)構(gòu)分離式。

雪海溝中橋在長(zhǎng)期重載及冬季嚴(yán)寒氣候條件作用下，板底出現(xiàn)橫向裂縫、腐蝕及局部滲水泛堿等病害。經(jīng)過(guò)詳細(xì)檢查及荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明舊橋拼寬部分承載能力不滿足公路一級(jí)要求。

3.1 主要加固措施

考慮到結(jié)構(gòu)構(gòu)成形式、所處位置的交通特點(diǎn)及地理位置特征，拆除重建舊橋技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上實(shí)現(xiàn)的難度，最終確定采取碳纖維筋噴漿加固法對(duì)該橋進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，維修加固方案為在板梁梁底對(duì)拼寬部分采用表層內(nèi)嵌12×Φ6mm碳纖維筋法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，舊橋部分也采用表層內(nèi)嵌12×Φ6mm碳纖維筋法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3.2 作用效應(yīng)分析

（1）建立模型。文章結(jié)構(gòu)計(jì)算各材料參數(shù)如表1所示。

表1 各材料參數(shù)表

根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T J22—2008）[4]中的相關(guān)要求，采用有限元軟件Midas計(jì)算原橋的初始應(yīng)變值后，根據(jù)橫橋向補(bǔ)強(qiáng)及橋面鋪裝、護(hù)欄等更換，建立加固后橋梁結(jié)構(gòu)分析有限元模型。結(jié)構(gòu)三維有限元模型如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)三維有限元模型

（2）結(jié)果分析。①原橋拼寬部分（舊橋部分）在恒載作用下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果：為進(jìn)行加固前碳纖維筋布設(shè)部位混凝土初始應(yīng)變分析，首先分析原橋拼寬部分在恒荷載作用下的彎矩效應(yīng)，其最大彎矩設(shè)計(jì)值為261.00kN·m。②加固后拼寬部分(舊橋部分)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算：加固后橋梁活載作用下的彎矩圖如圖2所示。

圖2 加固后活載作用下彎矩圖

由計(jì)算分析可知，恒載作用效應(yīng)在進(jìn)行橫向聯(lián)系加強(qiáng)后有所增加，由261.00kN·m增大到278.48kN·m，增加了6.70%，公路一級(jí)荷載作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值為403.5kN·m。加固后荷載作用效應(yīng)組合值為恒載×1.2+活載×1.4=681.20kN·m。

3.3 承載力計(jì)算

（1）板梁補(bǔ)強(qiáng)前承載能力驗(yàn)算。進(jìn)行鉸縫修復(fù)，采用橫向聯(lián)系加強(qiáng)及更換橋面鋪裝和護(hù)欄等加固改造措施后，原橋拼寬部分最不利彎矩為681.20kN·m，原板梁最大極限承載力為551.06kN·m，不能滿足公路一級(jí)荷載作用要求。

（2）板梁碳纖維筋補(bǔ)強(qiáng)后承載能力驗(yàn)算。采用換算截面進(jìn)行原板梁開(kāi)裂彎矩及彈性相對(duì)受壓區(qū)高度計(jì)算，該橋板梁開(kāi)裂截面慣性矩為6.9×109mm4，受壓區(qū)高度為160mm；以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，布設(shè)碳纖維筋部位混凝土的初始應(yīng)變?yōu)?.000708；采用在板底布設(shè)12根直徑為6.0mm的碳纖維補(bǔ)強(qiáng)后，抗彎承載力提高為687.71kN·m，滿足公路一級(jí)荷載作用下的要求，可以看出經(jīng)碳纖維筋補(bǔ)強(qiáng)后，梁體承載能力提高了24.8%。

4 結(jié)論

（1）碳纖維筋是一種強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕的復(fù)合材料，為橋梁加固的優(yōu)選材料，文章利用碳纖維筋高強(qiáng)、輕質(zhì)、不銹蝕特性，采用表層內(nèi)嵌技術(shù)應(yīng)用于板梁梁底加固，獲得了理想的加固效果。

（2）根據(jù)對(duì)板梁橋梁的計(jì)算分析，采用在板底內(nèi)嵌12根直徑為6.0mm的碳纖維筋后，對(duì)比加固前板梁承載力551.06kN·m，改造后其承載能力顯著提高，達(dá)到了加固目的。