碳纖維布加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋極限承載力全過程分析

1、碳纖維布加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋極限承載力全過程分析󰀁󰀁陳󰀁淮,鄒旭巖,朱俊濤,錢󰀁輝75碳纖維布加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋極限承載力全過程分析陳󰀁淮,鄒旭巖,朱俊濤,錢󰀁輝(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院,河南鄭州450001)摘󰀁要:對采用碳纖維布加固后的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋進(jìn)行極限承載力分析。采用MIDAS/FEA有限元軟件建立計(jì)算模型,考慮材料的非線性,計(jì)算空心板在4種工況下的極限承載力。計(jì)算結(jié)果表明:采用碳纖維布加固空心板橋,改善了空心板的受力性能,提高了空心板的屈服荷載和極限荷

2、載;空心板的屈服荷載和極限荷載隨碳纖維布用量的增加呈非線性增大;加固后的空心板撓度明顯減小,空心板變形得到有效的控制。關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力混凝土橋;空心板;碳纖維布;橋梁加固;極限承載力;有限元法中圖分類號:U445.72文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1671-7767(2011)01-0075-04表1󰀁混凝土、鋼絞線及碳纖維布材料特性󰀁MPa材料老規(guī)范40󰀁號混凝土󰀁鋼絞線󰀁󰀁7󰀁s5.0󰀁󰀁碳纖維布󰀁彈性模量3.40󰀁1041

3、.95󰀁1052.35󰀁105抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值設(shè)計(jì)值28-2.61600300023-2#983041;引󰀁言外貼碳纖維布加固法是近年來常用的一種公路橋梁加固方法,碳纖維布(CFRP)具有自重輕、強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕性好、對橋梁使用影響較小等特點(diǎn)1,因此,在橋梁加固中得到廣泛應(yīng)用。目前,許多學(xué)者對碳纖維布加固混凝土梁板進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析24,但對采用碳纖維布加固后的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋進(jìn)行極限承載力全過程研究較少。因此,研究碳纖維布加固技術(shù)用于承載能力不足的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心

4、板橋,具有較高的理論價(jià)值和較大的實(shí)用價(jià)值。2󰀁計(jì)算模型的建立某裝配式簡支板橋,跨徑16m,橋面凈寬11.0m,由12塊預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空心板組成,板截面寬0.99m、高0.75m。由于橋梁荷載等級提高后,承載能力不滿足使用要求,故采用在空心板底粘帖碳纖維布的方法對該橋進(jìn)行加固。該橋設(shè)計(jì)采用的混凝土、鋼絞線及加固所用碳纖維布材料特性見表1,預(yù)應(yīng)力混凝土空心板幾何尺寸如圖1所示。建模假定混凝土、鋼筋、CFRP三者之間粘結(jié)良好,不考慮相對滑移5,碳纖維布面單元與空心板實(shí)體單元采用共節(jié)點(diǎn)的方法模擬,混凝土采用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元模擬,由于實(shí)體單元的形狀在非線性分析中對計(jì)算結(jié)果收斂性影響

5、很大,故在劃分混凝土單元時(shí)3個(gè)方向的比例控制在1󰀁0.7󰀁0.7圖1󰀁預(yù)應(yīng)力混凝土空心板幾何形狀左右;鋼筋采用桿單元模擬,當(dāng)鋼筋的應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)屈服,應(yīng)力將不再增加;板底粘貼的CFRP采用平面單元模擬,該單元只能承受拉力,沒有抗彎、抗壓能力,符合CFRP在空心板中的實(shí)際受力情況,假定CFRP材料為理想線彈性材料,當(dāng)纖維應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度,則認(rèn)為斷裂,同時(shí)假定達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)之前,碳纖維片材與混凝土之間不發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。作用在空心板上的荷載為恒載和通過荷載橫向分布系數(shù)求得的活載。采用一般簡支邊界條件。在進(jìn)行極限承載力非線性全過程分收稿日

6、期:2010-09-09基金項(xiàng)目:河南省杰出人才計(jì)劃項(xiàng)目(084200510003)作者簡介:陳󰀁淮(1962-),男,教授,1983年畢業(yè)于湖南大學(xué)力學(xué)專業(yè),獲學(xué)士學(xué)位,1986年畢業(yè)于重慶大學(xué)力學(xué)專業(yè),獲碩士學(xué)位,1993年畢業(yè)于長沙鐵道學(xué)院橋梁與隧道工程專業(yè),獲博士學(xué)位(E󰀁mail:chen0418)。76析時(shí),考慮材料的非線性,選用牛頓-拉普森求解方法,計(jì)算過程中采用位移收斂準(zhǔn)則,誤差控制在2%。3󰀁計(jì)算工況由于該橋所在道路等級提高,目前的通行荷載為公路-󰀁級,根據(jù)河南省交通實(shí)際情況,該橋設(shè)計(jì)活載在現(xiàn)行規(guī)范的活載基礎(chǔ)上再

7、提高了30%。橋梁結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用車道荷載,公路-󰀁級的車道荷載由均布荷載qk=1.3󰀁10.5kN/m=13.65kN/m和集中荷載pk=1.3󰀁222.4kN/m=289.12kN/m兩部分組成,其中,1.3的系數(shù)為河南省高速公路設(shè)計(jì)專用。經(jīng)計(jì)算該橋的沖擊系數(shù)󰀁=0.2796。為了便于分析,計(jì)算4種荷載工況下的極限承載力:工況1,構(gòu)件未加固;工況2,粘貼1層碳纖維布;工況3,粘貼2層碳纖維布;工況4,粘貼3層碳纖維布。荷載組合為恒載+活載,其中:恒載為構(gòu)件自重和二期恒載的1.2倍;活載為車道荷載的1.4倍。先把恒載全部施加到計(jì)

8、算模型上,然后粘貼碳纖維布,再把車道荷載按荷載步逐步施加,施加荷載過程:1.2󰀁恒載+󰀁󰀁1.4󰀁活載,其中車道荷載系數(shù)󰀁(󰀁為控制施加車道荷載大小的系數(shù))從0開始逐漸增加,由󰀁值的變化來確定加固前后空心板的開裂荷載、屈服荷載及極限荷載。對應(yīng)上述加載方式,本文提出利用MIDAS/FEA程序提供的施工階段分析來模擬,具體過程分3步:第一步,將恒載及鋼絞線預(yù)應(yīng)力施加到計(jì)算模型上;第二步,粘貼碳纖維布;第三步,將車道荷載采用漸變式加載方式,分若干子步逐級施加。4󰀁計(jì)算結(jié)果及

9、分析4.1󰀁下緣混凝土受力分析空心板接近開裂時(shí),車道荷載系數(shù)󰀁所對應(yīng)的跨中截面下緣混凝土應(yīng)力見表2。從表2中可以看出,采用碳纖維布加固空心板,雖然提高了空心板的開裂荷載,但效果不明顯。󰀁󰀁空心板跨中截面下緣混凝土正應(yīng)力車道荷載表2󰀁加固前、后空心板下緣混凝土應(yīng)力工況未加固󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁粘貼1層碳纖維布粘貼2層碳纖維布粘貼3層碳纖維布車道荷載系數(shù)󰀁0.3400.3400.3500.350空心板下緣混凝土應(yīng)力/MPa1.2811

10、.2381.2971.255世界橋梁󰀁󰀁2011年第1期系數(shù)󰀁關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2可以看出,空心板采用碳纖維布加固后,在取相同車道荷載系數(shù)󰀁情況下,下緣混凝土應(yīng)力較未加固時(shí)略有減小,如車道荷載系數(shù)󰀁為0.3時(shí),未加固,粘貼1層、2層、3層碳纖維布時(shí),空心板跨中下緣混凝土的拉應(yīng)力分別為0.865,0.825,0.786,0.747MPa。這是由于空心板加固后,碳纖維布和空心板共同承擔(dān)車道荷載,碳纖維布分擔(dān)了部分荷載,使空心板下緣混凝土拉應(yīng)力有所減小,即在相同車道荷載作用下,空心板下緣混凝土應(yīng)力降低部分由碳纖維布

11、來承擔(dān),因此加固后空心板開裂荷載較未加固空心板大。圖2󰀁跨中截面下緣混凝土正應(yīng)力4.2󰀁鋼絞線受力分析空心板接近屈服時(shí),車道荷載系數(shù)󰀁所對應(yīng)的鋼絞線應(yīng)力見表3。結(jié)果表明:對預(yù)應(yīng)力混凝土空心板采用粘貼碳纖維布的方法進(jìn)行加固,可以提高其屈服荷載,提高幅度隨碳纖維布用量的增加而呈非線性增大。表3󰀁加固前、后鋼絞線應(yīng)力工況未加固󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁粘貼1層碳纖維布粘貼2層碳纖維布粘貼3層碳纖維布車道荷載系數(shù)󰀁0.830.890.961.02鋼鉸線應(yīng)力/M

12、Pa1105.3081117.1171112.3471173.813󰀁󰀁空心板跨中鋼絞線加固前、后的車道荷載系數(shù)󰀁應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可以看出,空心板開裂前,空心板加固前、后鋼絞線應(yīng)力幾乎沒有變化;空心板開裂以后,鋼絞線的車道荷載系數(shù)󰀁應(yīng)變曲線的斜率較開裂前變小;但在混凝土開裂到鋼絞線屈服階段,隨著碳纖維布用量的增加,曲線的斜率增大。空心板開裂之前,混凝土和鋼絞線及碳纖維布共同承擔(dān)活載所產(chǎn)生的拉應(yīng)力效應(yīng);開裂之后,空心板下緣混凝土退出工作,拉應(yīng)力主要由鋼絞線和碳纖維布承擔(dān),又因鋼絞線屈服前碳纖維布的應(yīng)變很小,限制了其高強(qiáng)性能

13、的發(fā)揮(即在鋼絞線屈服之前空力主絞線來承碳纖維布加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋極限承載力全過程分析󰀁󰀁陳󰀁淮,鄒旭巖,朱俊濤,錢󰀁輝77擔(dān)),所以在空心板下緣混凝土退出工作后曲線斜率減小。加固后空心板鋼絞線屈服時(shí)的荷載較未加固時(shí)有所提高,鋼絞線屈服后,車道荷載系數(shù)󰀁隨碳纖維布用量的增加而增大,但提高幅度不大。線的作用,裂縫寬度很小且發(fā)展緩慢,故碳纖維布的應(yīng)變增加也很小;開裂后,撓度并沒有急劇變化,在接近未加固狀態(tài)屈服荷載時(shí),加固前、后撓度曲線有明顯的變化。另外,由于碳纖維布是在恒載施加后變形已經(jīng)存在的基礎(chǔ)上粘貼上去的,因

14、而制約了碳纖維布對空心板開裂荷載及屈服荷載的作用效果。當(dāng)鋼絞線接近屈服時(shí),空心板的撓度已經(jīng)比較大,碳纖維布的應(yīng)變也相應(yīng)增大,碳纖維布的高強(qiáng)性能才得以發(fā)揮。圖3󰀁跨中鋼絞線應(yīng)變加固后空心板極限承載力也得到較大提高,計(jì)算結(jié)果列于表4。從表4可以看出,粘貼3層碳纖維布時(shí),極限荷載提高了24.42%。表4󰀁加固前、后空心板極限狀態(tài)對應(yīng)的車道荷載系數(shù)󰀁工況未加固󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁粘貼1層碳纖維布粘貼2層碳纖維布粘貼3層碳纖維布車道荷載系數(shù)󰀁0.860.961.001.0

15、7提高幅度/%-11.6316.2824.42圖5󰀁跨中撓度5󰀁結(jié)󰀁論(1)采用碳纖維布加固裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋,使空心板的承載能力得到提高,加固后空心板的鋼絞線及混凝土應(yīng)力相應(yīng)減小,空心板的屈服荷載及極限荷載均得到提高。(2)空心板屈服荷載、極限荷載隨碳纖維布用量的增加而提高,但提高幅度呈非線性增加,這是由于各層碳纖維布不能完全共同工作,部分碳纖維的強(qiáng)度沒有完全發(fā)揮出來。(3)加固后的空心板撓度較加固前明顯減小,空心板變形得到有效的控制。參󰀁考󰀁文󰀁獻(xiàn):1于󰀁清.FRP的特點(diǎn)

16、及其在土木工程中的應(yīng)用J.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2000,33(6):26-30.2劉小燕,王良波,劉󰀁昀.用CFRP加固斜交空心板橋的現(xiàn)場試驗(yàn)研究J.世界橋梁,2004,(2):59-61.3賀拴海,趙小星,宋一凡.具有初荷載的鋼筋混凝土梁橋粘貼碳纖維布加固試驗(yàn)研究J.土木工程學(xué)報(bào),2005,38(3):70-76.4孫曉燕,黃承逵.外貼碳纖維布加固超載后鋼筋混凝土橋梁構(gòu)件抗彎性能試驗(yàn)J.中國公路學(xué)報(bào),2006,19(4):82-87.5張勁泉,王文濤.橋梁檢測與加固手冊M.北京:人民4.3󰀁碳纖維布受力分析空心板加固后碳纖維布的車道荷載系數(shù)󰀁應(yīng)

17、變曲線如圖4所示。由圖4可看出,曲線有2個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),分別對應(yīng)于空心板的開裂和屈服狀態(tài)。在空心板開裂前,碳纖維布相同應(yīng)變所對應(yīng)的車道荷載系數(shù)󰀁基本相同,說明空心板開裂前碳纖維布對空心板的受力影響很小;鋼絞線屈服前碳纖維布應(yīng)變較小,鋼絞線屈服后碳纖維布應(yīng)變增長較快。圖4󰀁跨中碳纖維布應(yīng)變4.4󰀁空心板撓度分析預(yù)應(yīng)力混凝土空心板加固前后,其車道荷載系數(shù)󰀁撓度曲線如圖5所示。從圖5可以看出,曲線變化情況基本上反映了空心板在各個(gè)階段的工作狀態(tài)。開裂前,空心板處于彈性工作狀態(tài),曲線接近,78世界橋梁󰀁󰀁20

18、11年第1期FullRangeAnalysisofUltimateBearingCapacityofPCHollowSlabBridgeStrengthenedbyCFRPTextureCHENHuai,ZOUXu󰀁yan,ZHUJun󰀁tao,QIANHui(SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)Abstract:Theultimatebearingcapacityoftheassembledprestressedconcrete(PC)hollowslabbrid

19、gestrengthenedbycarbonfiberreinforcedpolymer(CFRP)textureisanalyzed.TheMIDAS/FEAsoftwareisusedtocreatethecalculationmodelsandtheultimatebearingcapacityoftheslabssubjectedtofourloadcasesiscalculated,takingintoaccountofthenonlinearityofmaterials.Theresultsofthecalculationshowthatthestrengtheningoftheh

20、ollowslabbridgebytheCFRPtexturecanimprovethemechanicalpropertiesoftheslabsandcanincreasetheyieldingloadaswellastheultimateload.Theyieldingloadandultimateloadoftheslabsincreasenonlin󰀁earlywiththeincreaseoftheusageamountoftheCFRPtexture.Theverticaldeflectionoftheslabsaftertheyarestrengthenedissignificantlyreducedandthedeformationofthesla