碳素纖維布加固鐵路砼梁計算公式與啟示
2012-02-08 來源：中國鳴網(wǎng)
1、前言
在我國鐵路系統(tǒng)，近年來由于大量舊的鋼筋混凝土鐵路橋梁使用年代長或受到列車動力增大等各種因素的影響和作用，其在試用期內(nèi)已產(chǎn)生一系列病害，如混凝土材料的劣化、鋼筋銹蝕等病害，對橋梁的安全性、適用性及耐久性產(chǎn)生了較大影響，不同程度造成橋梁承載力降低甚至喪失，嚴重危及橋梁的安全運營。
但由于我國現(xiàn)存的此類舊橋、危橋數(shù)量較多，如何處理這些橋梁是面臨的重大難題。如果全部拆除重建，不僅耗資巨大，影響鐵路正常運營，在目前不現(xiàn)實。根據(jù)我國公路部門的實踐表明：橋梁的加固費用約為新建橋費用的10%～20%。因此在對病害橋梁進行科學(xué)評價和評估的基礎(chǔ)上，采取有效的維修、加固等措施，提高橋梁的承載力，延長其使用年限，滿足現(xiàn)代交通對橋梁的客觀要求，是一項具有顯著經(jīng)濟效益和重大社會效益的工作。
碳素纖維布作為一種新型復(fù)合材料，近年來在結(jié)構(gòu)加固及改造工程中應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)相比，具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕性和耐久性強、施工便捷、結(jié)構(gòu)影響小等優(yōu)點，日益受到工程界重視。但目前碳素纖維布對鐵路橋梁加固的理論研究還缺乏一定數(shù)量的試驗資料支持。本文通過理論推導(dǎo)，提出了符合鐵路規(guī)范的受彎容許承載力計算公式，為實際鐵路橋梁的加固設(shè)計提供了一定參考。
2、碳纖維布加固技術(shù)的優(yōu)點
碳素纖維布加固修復(fù)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)是將樹脂類纖維材料黏貼于結(jié)構(gòu)表面，通過其與結(jié)構(gòu)共同工作，利用碳纖維良好的抗拉強度增強橋梁承載力，達到結(jié)構(gòu)補強加固、改善結(jié)構(gòu)受力的目的。
使用碳纖維布加固橋梁具有以下幾個優(yōu)點：①抗拉強度高、剛度大；②抗疲勞性和減振性好；③可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀，成型很方便；④自重輕，不增加恒載及斷面尺寸；⑤對原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生損傷；⑥能有效封閉混凝土裂縫；⑦施工簡單輕便；⑧具有良好的耐化學(xué)腐蝕性；⑨不影響結(jié)構(gòu)的外觀；⑩加固結(jié)束后養(yǎng)護方便。由于碳纖維布以上所述的特點，隨著其加固技術(shù)和施工工藝的不斷完善，在橋梁結(jié)構(gòu)加固工程中成為一種很有優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)加固材料。
3、計算原理及基本假定
3.1計算原理
在荷載逐漸增大而使試件破壞的過程中，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件截面應(yīng)力分布共經(jīng)歷四個階段。
階段Ⅰ：混凝土開裂前大致彈性工作階段；
階段Ⅰa：混凝土開裂的臨界狀態(tài)；
階段Ⅱ：受拉區(qū)混凝土開裂后的工作階段；
階段Ⅲ：破壞階段。
依據(jù)鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范，鋼筋混凝土鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范沿用容許應(yīng)力法計算其承載力，即按照上述工作階段Ⅱ進行計算。此階段受拉區(qū)混凝土已開裂，基本上不參加工作而由鋼筋和粘貼加固后的碳纖維布承受拉應(yīng)力，鋼筋應(yīng)力和碳纖維布應(yīng)力均未到屈服強度，仍在彈性工作。
3.2基本假定
碳纖維布加固橋梁的受彎容許承載力計算采用以下基本假定：
①碳纖維布加固梁受彎后截面應(yīng)變滿足平面假定。②不考慮受拉區(qū)混凝土的作用。③受壓區(qū)混凝土應(yīng)力圖形看作三角形。④鋼筋應(yīng)力等于鋼筋應(yīng)變與其彈性模量的乘積，且小于其容許應(yīng)力。⑤碳纖維布的應(yīng)力應(yīng)變滿足線彈性關(guān)系，碳纖維布的應(yīng)力等于碳纖維布應(yīng)變與其彈性模量的乘積即σc=Ecεc。⑥受壓區(qū)混凝土應(yīng)力等于其應(yīng)變與彈性模量的乘積，且小于其容許應(yīng)力。⑦由于外貼的碳纖維布很薄，近似認為碳纖維布中心離梁頂?shù)木嚯x與梁高相等。⑧在達到容許受彎承載力前，碳纖維布與混凝土之間粘結(jié)可靠，不發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。
根據(jù)以上假定可得如下圖所示的計算應(yīng)力圖形。
3.3換算截面
為方便計算，我們把粘貼的碳纖維布換算成與它功能相等的假想的受拉鋼筋，即換算受拉鋼筋面積Ag1=Ec•Ac／Eg=n•Ac。式中Ac為加固碳纖維布橫截面積；n為碳素纖維布彈性模量Ec與鋼筋彈性模量Eg比值。
4、普通鋼筋混凝土梁受彎容許承載力計算方法
4.1計算公式推導(dǎo)
為利用鋼筋容許應(yīng)力值，普通鋼筋混凝土橋梁的受彎容許荷載是使縱向受拉鋼筋應(yīng)力達到容許應(yīng)力的荷載。按照梁的正截面受彎彈性計算方法，應(yīng)用上述換算截面的概念，把梁底部的碳素纖維布換算為受拉縱筋，應(yīng)用受拉區(qū)合力與受壓區(qū)合力組成的力偶，推導(dǎo)受彎容許抵抗彎矩公式如下：
Mg=［σg］•（Ag+Ec•Ac／Eg）•Z或
Mg=［σg］•（Ag+n•Ac）•Z，
Z=h0-x+y,y=Ia/Sa，
試中：Mg——普通鋼筋混凝土梁經(jīng)碳纖維布加固后梁的容許抵抗彎矩；
Ag——原受拉鋼筋面積；
Z——內(nèi)力偶臂長，即受拉區(qū)合力與受壓區(qū)合力組成的力偶臂；
［σg］——為鋼筋容許應(yīng)力，此處為原受拉鋼筋與最外層加固碳纖維布換算鋼筋截面重心處的應(yīng)力；
4.2計算公式適用范圍和注意事項
①上述公式是按照矩形截面梁推導(dǎo)，但同樣適用于T形截面梁等常用截面形式。
②應(yīng)避免碳纖維布加固量過大，受壓混凝土應(yīng)力過早達到容許值，使梁發(fā)生超筋破壞，既不安全又不經(jīng)濟。
③上述公式是按照原受拉鋼筋容許應(yīng)力［σg］計算得出的，實際應(yīng)用中還要驗算受壓混凝土的應(yīng)力不能超過其容許應(yīng)力。
④梁底面粘貼碳纖維布換算為鋼筋時，相當于在梁底部增加一層鋼筋，因此在計算混凝土截面有效高度h0和鋼筋容許應(yīng)力［σg］等參數(shù)時，計算位置取原受拉鋼筋與最外層換算鋼筋截面重心處。
5、計算公式理論計算值與試驗值對比
根據(jù)張興虎試驗數(shù)據(jù)及試驗結(jié)果如下：
①試驗構(gòu)件為普通鋼筋混凝土T形梁3根，混凝土強度等級為C30，每根T形梁截面內(nèi)配制縱向受拉主筋為5根Ⅱ級Φ14螺紋鋼筋，腹板和翼緣的箍筋分別用Φ6及Φ4的Ⅰ級鋼筋。
②碳素纖維布的參數(shù)：單位面積碳纖維布質(zhì)量200g/m2，計算厚度0.111mm，抗拉強度標準值3550MPa，彈性模量Ec＝2.35×105Mpa。T形梁的構(gòu)件尺寸、鋼筋的布置方式和碳素纖維布粘貼方法可參照文獻3有關(guān)圖示。
③梁編號及意義如下：T0為不粘貼碳纖維布，T1為粘貼一層碳纖維布；T2為粘貼二層碳纖維布。
④加載方法：每根梁通過一荷載分配梁對構(gòu)件施加2個對稱的集中力來進行加載試驗，加載最大荷載是使受拉鋼筋應(yīng)力達到其容許應(yīng)力的荷載。
⑤試驗結(jié)果和理論計算值如下表：
6、結(jié)論與啟示
①從表中可以看出：理論加載值大約為試驗加載值的73.6%～88.5%，二者吻合性相對較好，說明計算公式有一定可靠度。誤差主要是由于沒有考慮受壓區(qū)翼緣鋼筋和受拉區(qū)混凝土等作用。
②按照試驗結(jié)果，T梁包一層碳纖維布后承載力提高了15%，包二層碳纖維布后承載力提高了24.7%，但按照計算公式，理論計算抵抗彎矩值或加載值提高比例分別為1.8%和3.6%左右，明顯偏于保守。主要原因是：沒有考慮包裹在梁腹板處碳纖維布參與工作，明顯削弱了碳纖維布實際加固效果；理論計算中，碳纖維布的計算厚度是取理論計算值，計算中忽略了涂刷粘結(jié)樹脂層的厚度，實際施工中這部分厚度往往超過碳纖維布的理論計算厚度數(shù)倍，在工程中發(fā)揮了很大作用；
③從公式可以看出，加固后梁抗彎承載力隨碳纖維布加固橫截面Ac的增大而提高。但在實際工程經(jīng)驗中，如果其加固量過大（厚）容易發(fā)生早期剝離破壞，甚至發(fā)生超筋破壞，因此并非加固量越多越好，應(yīng)該根據(jù)計算和實際工程經(jīng)驗確定其加固量。
④加固后梁抗彎承載力與n=Ec／Eg值有關(guān)，即在其它條件相同前提下，碳素纖維布彈性模量Ec越大，原鋼筋彈性模量Eg越小，n值越大，加固后抗彎承載力提高越多，因此高彈性模量的碳素纖維布比高強度的同規(guī)格的布更加符合加固要求，這就給我們無論是在選擇或者產(chǎn)商生產(chǎn)碳纖維布提供了一個產(chǎn)品改進方向。
⑤如上述，公式計算的理論值小于試驗值，這有待在今后工程實踐中通過試驗和大量的工程檢測數(shù)據(jù)對上述造成的原因進行分析并不斷修正和完善，筆者認為它的重要意義在于給工程人員一個理論指導(dǎo)值。
