预应力碳纤维板加固梁正截面抗弯性能分析

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1、预应力碳纤维板加固梁正截面抗弯性能分析吴羡1徐振立2许宏元2（1.广东清连公路发展有限公司清远5115152.西安瑞通路桥科技有限责任公司西安710068）摘要：作为国内公路桥梁加固首次采用的张拉碳纤维板技术，本文通过杜步大桥加固工程实践，进行了预应力碳纤维板加固梁的正截面抗弯性能分析，加固施工后进行了荷载试验，通过理论和试验数据的对比，验证了分析理论的正确性和可靠性，并给出了相应的计算公式，为今后推广使用该技术提供借鉴参考。关键词：桥梁加固；预应力碳纤维板；正截面抗弯；1预应力碳纤维板加固技术碳纤维板材是目前建筑材料中耐腐蚀(气候)性能最好的材料之一。已有的研究

2、成果表明：弱酸、弱碱、冻融循环、长时间日照等环境作用对碳纤维的力学性能及耐老化性能影响极小。目前常用的非预应力碳纤维板加固技术，是在结构受拉区域用化学胶粘剂粘贴碳纤维板材，使其与构件混凝土及内部钢筋共同承受拉应力。但这种加固工艺对碳纤维强度的利用率极低，因为碳纤维板材的弹性模量为165～170GPa，抗拉强度高达2800MPa，要发挥抗拉强度需要1.7%的拉伸变形；而钢筋的弹性模量一般为200GPa，抗拉强度仅为300MPa左右，要发挥抗拉强度需要0.15%的拉伸变形。当碳纤维板材与构件内部钢筋共同工作时，不考虑钢筋原有的初始应变，钢筋屈服时碳纤维板材所能发挥的强

3、度也仅为抗拉强度的8.8%；而在让碳纤维发挥全部强度所需要的1.7%的应变下，混凝土结构会产生大的变形及明显的裂缝。如上所述，碳纤维加固RC梁承载能力的提高是以较大的变形为代价的，因为碳纤维材料弹性模量与钢筋相近、强度是钢筋的10倍，因此碳纤维材料发挥其强度时变形较大。预应力碳纤维加固法可较好的解决该问题，提高开裂荷载、屈服荷载，改善使用荷载下的性能。国内外许多研究人员及工程师对此技术进行了大量的研究，以期使预应力碳纤维加固成为传统碳纤维加固及其他加固技术的良好替代技术。本文研究应用此技术，进行杜步大桥结构加固工程的应用与评估。2杜步大桥概况及加固方案杜步大桥位于

4、原107国道，现清（远）连（州）一级公路上，桥长833m，斜交角度909°，桥宽21.5m，跨径布置为27×30m，上部结构采用预制预应力混凝土T梁，下部桥台采用重力式桥台、扩大基础，桥墩采用柱式墩、桩基础。该桥设计荷载为汽车－超20级，挂车－120。在清（远）连（州）一级公路升级改造过程中，由于路基施工标段在刷坡施工中防护不当，部分巨石砸落到杜步大桥上，造成右幅桥第一跨桥面及梁体严重破坏。加固方案采用了在其中3片T梁马蹄侧面张拉预应力碳纤维板以补偿原结构承载力。1、顺桥向在T梁马蹄位置张拉单层碳纤维板，碳纤维板设计厚度2.4mm、宽度为60mm，抗拉强度≥280

5、0Mpa，弹性模量≥1.65X104Mpa，极限承载力为403.2KN，张拉控制力为220KN。2、预应力碳纤维板通过固定端与张拉端钢构件与T梁马蹄侧面连接，钢构件采用Q345钢，钢构件表面采用整体镀锌防锈处理，镀锌外面再涂两道红色和银色防锈漆；固定端和张拉端钢构件与混凝土梁采用M20高强锚栓连接。3、施工完毕后，应在碳纤维板外表面涂抹涂料作为防护。3预应力碳纤维板加固梁的正截面抗弯性能分析91、非预应力碳纤维板加固梁的正截面抗弯性能分析在分析过程中，考虑了材料的非线性，采用了如下假定：1）平截面假定，由试验结果分析及各文献资料可以看出，CFRP片材加固RC梁在纯

6、弯段范围内，其平均应变分布满足平截面假定。2）钢筋采用完全弹塑性模型，不考虑强化段，其数学表达式如下：当时，（）（1-1）当时，（1-2）3）不考虑混凝土的抗拉强度。4）压区混凝土采用《混凝土结构设计规范》（GB50010）规定的应力-应变曲线：（）（1-3）（）（1-4）（1-5）（1-6）（1-7）其中---对应于混凝土压应变为时的混凝土压应力；---对应于混凝土压应力刚达到时的混凝土压应变，当计算的值小于0.002时，应取为0.002；---正截面处于非均匀受压时的混凝土极限压应变，当计算的值大于0.0033时，应取为0.0033；正截面处于轴心受压时的混凝

7、土极限压应变应取为0.002；---混凝土立方体抗压强度标准值；---系数，当计算的值大于2.0时，应取为2.00。5）CFRP片材采用线弹性应力-应变关系。2、预应力碳纤维板加固梁的正截面抗弯性能分析9预应力碳纤维加固梁可按照普通预应力混凝土梁理论计算预应力碳纤维后混凝土梁的应力状态，参照预应力碳纤维的施工工艺，基本上与后张法相同。施加预应力碳纤维后，混凝土产生的法向应力为：(2-l)式中：----预应力碳纤维产生的合力，；----碳纤维预拉应力；----加固前预应力钢绞线产生的混凝土初始应力；----碳纤维预拉应变；----碳纤维面积；----碳纤维弹性模量；

8、----加