碳纤维布在斜桥加固中的应用研究

李军兵王楠

摘要：碳纤维布具有轻质、高强、高效、施工方便等特点，在旧桥的加固中得到广泛的应用。斜桥在实际的桥梁结构中也是一种非常常见的结构形式，受力特点不同于常规的正交的桥梁。本文针对某斜桥梁的实际受力状况，采用了碳纤维的加固方式，并对加固前后桥梁的承载能力进行比较，加固后桥梁的承载力得到很大的提高，加固效果明显。

关键词：碳纤维布，旧桥加固，斜桥

Abstract: The carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) is widely used for structure strengthening owing to its advantages of lightweight, high strength, high efficiency and easy construction. The skew bridge structure is also a very common type of structure, and the mechanical characteristics of the skew bridge is also different from any conventional of orthogonal of the bridge. In the light of the specific conditions of a problem bridge, the CFRP is selected for strengthening of the bridge. After the comparison the bearing capacity of the bridge before and after it is strengthened we found that the capacity of the bridge had been improved greatly after it is strengthened, and reinforcement effect is obvious.

Key words: carbon fiber-reinforced polymer, bridge strengthening, skew bridge.

中图分类号: U448.41文献标识码：A文章编号：

0 前言

碳纤维布( CFRP) 具有自重轻、强度高、抗疲劳、耐腐蚀性好、对桥梁使用影响较小等特点。碳纤维布强度是普通二级钢的15倍左右，厚度仅为2mm左右，基本上不增加构件截面，能保证碳素纤维布与原构件共同工作，因此在桥梁结构的加固中备受青睐。

在实际的桥梁设计中由于河道位置和路线间交角的不垂直，这种情况下往往就需要修建斜桥，斜桥也是桥梁结构中一种比较常见的类型。斜桥由于斜交角的大小不同，实际的受力也是不尽相同的。由于设计、施工、实际运营中的荷载状况等原因，我国公路上的一些斜桥出现了一些具有自身受力特点的病害，急需加固。国内对用碳纤维布加固预应力混凝土斜交桥梁的应用报道很少，由于斜交桥梁的受力复杂性和加固技术的研究起步较晚，现场加固的应用规程、施工指南等资料欠缺[1]~ [4]。本文针对某一级公路上的一座斜桥的加固工程为实例，探讨碳纤维布在斜桥加固中的应用。

1 斜桥的受力特点

斜交板桥是指桥梁轴线与支承线呈某一夹角的桥梁，其夹角习惯上称为斜交角f。

图1 斜桥平面图

斜交板桥受力复杂，其受力特性与三跨连续梁有相似之处。斜板在荷载作用下，在钝角处不仅产生较大的负弯矩，而且还对该部分产生扭矩[5]。[]

图2 三跨连续梁

连续梁在均布荷载作用下的弯矩图如下图所示

图3 连续梁弯矩图

在钝角B、C处由于处于负弯矩区段，常常会在顶板出现裂纹，裂纹反射到桥面上，桥面铺装就会出现斜向的裂纹，这一区段为加固设计中需要特别注意的。

2 实桥应用

某桥为城市主干道上的一座斜桥，设计荷载为公路-Ⅰ级。平面位于R＝4000m的圆曲线上，弯桥直做，斜交角105°。桥跨组合为15.845m+20.21m+15.845m。下部构造桥墩采用柱式墩，钻孔灌注桩基础，桥台采用肋板式台。

图4 桥梁全景图

2.1 加固方案

2.1.1 病害统计

经现场实际调查发现本桥上部结构的病害有：

1.桥墩：连系梁和墩柱经检查未见病害，盖梁底部露筋严重，并且露筋处出现钢筋锈蚀。

2.右幅桥第1、2孔板底斜向裂缝，最大裂缝宽0.22mm，最大裂缝长8m。

3.桥面铺装：桥面出现较多的斜向裂缝，横向裂缝。

4.护栏：经查护栏有多处裂缝和破损，主要是由于护栏的伸缩缝设置不当导致。

原因分析：现场调查板底斜裂缝的位置大多数垂直于钝角连线的方向，由于斜桥在荷载作用下受力和三跨连续梁的受力比较类似，两钝角间连线相当于三跨连续梁的中跨，由此可以断定板底斜裂缝出现的原因是在荷载作用下板底砼的强度不足等引起的，对此应沿钝角连线方向对该桥进行加固。

2.1.2 加固改造方案

根据桥梁的实际结构病害，提出如下加固改造措施：

1. 桥墩：盖梁钢筋锈蚀处于活化锈蚀状态，应对其表面清除氯离子并进行封闭处理，对其维修，并定时检测钢筋锈蚀和裂缝发展情况。对破损混凝土，采用小石子环氧树脂混凝土修补，对桥墩增大截面加固。

2. 主梁：采用粘贴碳纤维布来加固上部结构（沿纵向和钝角连线方向粘贴），提高结构的承载能力，增加上部结构的整体受力性能。裂缝应采用环氧砂浆进行封闭处理。

3．桥面铺装：拆除原有桥面铺装，重新现浇16cm厚的防水混凝土和6cm厚的特种沥青混凝土桥面铺装（加固改造时，须先粘贴碳纤维布后，再加铺桥面铺装）。

2.1.3 加固材料型号

1.混凝土：混凝土破损修补采用小石子环氧树脂混凝土。

2.碳纤维布：采用300g/㎡的碳纤维布，即C-30型。

碳纤维布计算参数：单位面积质量：；密度；计算厚度；抗拉强度设计值：；弹性模量设计值：；伸长率。

3.胶：裂缝处理采用K801建筑结构胶；缺陷修补采用树脂胶泥；粘贴碳纤维布胶采用符合规范要求的底胶、找平胶和粘贴胶，所用的所有胶的安全性能指标必须满足《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T J22-2008)。

4.水泥：采用符合国家标准的普通硅酸盐水泥。

5.砂浆：采用M15号水泥砂浆；环氧砂浆。

2.2 计算分析

2.2.1 碳纤维布加固旧桥的受力特点：

将碳纤维布粘贴于构件受拉部位或者薄弱部位的面层，使其与结构形成整体，共同承受荷载。原结构的恒载内力由原构件承担，新增碳纤维布只承受粘贴加固后的荷载产生的应力，对于本桥来讲主要是增铺的特种沥青混凝土自重及车辆荷载。通常，由于加固前一期恒载等作用，原构件混凝土及钢筋的应力、应变已经有了相当的储备，在加固后的二期恒载及活载作用下，原构件混凝土及钢筋的应变积累值往往大于新增混凝土及碳纤维布的应变，使得原构件的钢筋达到屈服时，新增碳纤维布的强度还达不到抗拉强度。一般情况下要让原受拉钢筋达到屈服后，碳纤维布的高强度才能发挥出来，因此，受压区混凝土及原配受拉钢筋是否破坏起着控制作用。

2.2.2 有限元模拟

为了详细的分析该桥加固前后的承载能力的变化，采用有限元分析软件Midas/Civil对该桥建立全桥平面梁格模型，对加固前后的桥梁分别进行模拟计算，单元离散如图5。

图5 桥梁全景图

主梁结构为简支状态，虚拟横梁采用实际顶底板厚度的工字型横梁来模拟其横向刚度，横梁的容重设为0。梁与梁之间的铰缝设置为铰接，在Midas里面通过释放梁端约束这种方法来具体实现。全桥共有115个节点，梁单元有194个，车道荷载采用横向联系梁的方式进行加载。

通过建立的有限元模型，可以对该弯桥在荷载作用下控制截面的承载能力状况进行分析，可以了解该桥的安全储备，加固前后的效果。

加固前后跨中截面承载能力值如下表1所示：

表1 加固前后承载能力变化表

正截面抗弯承载力 (kN·m) 正截面抗弯承载力 (kN·m)

加固前 加固后

2148.5 2532.2

从上表中可以看出，加固后的抗弯承载力比加固前有较大的提高，约为18%，加固效果较为明显。采用沿钝角连线方向粘贴碳纤维布加固方法对该桥进行加固，不仅使得桥梁承载能力值得到了有效的增加，同时提高了桥梁的整体性能（横向稳定性），增加了桥梁通行荷载。该桥加固施工完成后，通行状况良好，桥梁性能得到了充分的发挥，为当地交通经济的发展发挥了应有的良好作用。

3结论

斜桥的受力类似于三跨连续梁的受力，在实际的加固过程中应根据实际的病害和桥梁的结构受力特点对桥梁进行加固。本文通过对实际斜桥沿钝角连线方向粘贴碳纤维布的加固方法进行分析，表明这种加固方法对结构正截面的承载能力值有较大的提高，加固效果明显，可以为此后该种桥型的旧桥加固提供一种可以参考借鉴的方法。

参考文献：

[1] 祁巍. 碳纤维布加固空心板受力性能分析与试验研究[D]. 长沙理工大学，2009.

[2] 陈淮， 邹旭岩， 朱俊涛， 钱辉. 碳纤维布加固预应力混凝土空心板桥极限承载力全过程分析[J]. 世界桥梁，2011，1：75-78.

[3] 韩永华. 斜弯桥静载试验及有限元计算分析[J]. 江西科学，2010，28(4)：498-515.

[4] 刘小燕，王良波，刘 昀，欧阳剑. 用CFRP加固斜交空心板桥的现场试验研究[J]. 世界桥梁，2004，2：59-61.

[5] 邵旭东. 桥梁工程[M]. 北京：人民交通出版社，2004.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。