双曲拱桥采用碳纤维加固的结构计算.pdf

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1、第1期(总第151期)2011年2月中圄彳丛z柱CHINAMUNIC口ALENGINEERINCNo．1(SerialNo．151’)Feb．2011DOI：10．3969／j．issn．1004—4655．2011．01．011双曲拱桥采用碳纤维加固的结构计算赵兴言(东北岩土工程勘察总公司，辽宁鞍山114002)摘要：某三跨双曲拱桥采用碳纤维和粘钢加固，通过有限元软件建模计算分析桥梁加固前后结构内力，结果表明碳纤维增强和粘钢技术对桥梁的承载能力提高明显。加固后的大桥承载能力极限状态和正常使用极限状态均能满足规范要求。关键词：双曲拱桥：桥梁加固；碳纤维布；粘钢中图分类

2、号：U448．221．572文献标识码：A文章编号：1004—4655(2011)01-0028一∞在桥梁使用期间，会受到各种因素的作用和影响，致使桥梁结构产生各种各样的病害，甚至影响到桥梁的正常使用。桥梁维修加固的方法很多，碳纤维增强和粘钢技术是其中一种。本文结合某三跨双曲拱桥在采用碳纤维和粘钢加固后桥梁结构内力前后计算结果，阐述了该项技术在桥梁工程加固中的效果。1工程概况某大桥设计荷载为汽一15、挂—80。桥长120m，桥宽净宽7m+2x1．5m。上部结构为3孔(25m+50m+25m)钢筋混凝土双曲拱，主孔矢跨比1／8，拱轴系数2．24，横向为6肋5波，两侧各悬

3、半波。下部结构为重力式实体交接墩和u形桥台，除靠市区的桥台砌筑于砂卵石上以外，其余墩台均建于表面风化层的基岩上。大桥桥面设双向2％纵坡，纵坡竖曲线设置于中孔，桥面铺装为C25混凝土路面。该桥自建成通车以来，由于营运时间较长，交通量的快速增长，又原桥设计荷载偏低，加之维修养护的欠缺，故出现了较严重的病害。2碳纤维加固方案碳纤维片材因碳纤维排列方向不同而使各方向拉伸强度不同。碳纤维片材的纤维向与受力向相同时，拉伸强度最高；反之，拉伸强度最低。一般来说，构件受弯破坏的典型破坏形式是产生横贯受拉区至受压区的集中裂缝。而构件受拉区表面粘贴了碳纤维片后，当构件受荷载作用时，裂缝难

4、以进一步扩展。因此，跨中的集中裂缝被分散成短小而细碎的裂缝，收稿日期：2009—12—28作者简介：赵兴言(1粥l一)，男，助理工程师。28并均匀地分散于构件的受拉区，使构件截面受压区高度增大，在碳纤维的增强作用下，使受弯构件的承载能力增加¨J。根据钢筋混凝土结构设计理论，碳纤维加固混凝土结构基于以下4个基本假定：1)平面假定，即碳纤维加固混凝土受弯构件截面的应变满足平面变形假设，钢筋和碳纤维的应变与相同位置处的混凝土相同。2)混凝土的应力应变关系，受压混凝土的应力应变关系采用现行规范建议的模式，当压应变达到极限应变时，混凝土被压碎。受拉混凝土应力应变关系近似按线性取

5、用，当拉应力超过其抗拉强度时，混凝土退出工作。3)钢筋的应力应变关系，采用理想的弹性材料模式。4)加固所用碳纤维布与混凝土为完全理想粘结，即混凝土与碳纤维布之间没有滑移[2’3】。具体计算过程如图l所示。d／露毒一^么J

6、1．一八?v，，，，t，，6＼_圈1正截面受拉区粘碳纤维加固计算示意圉在实际设计时，考虑构件安全性和简化设计，可以近似认为碳纤维的拉应变等于钢筋拉应变，按应变相等原则，可以将碳纤维的面积转化为等效钢筋面积，见式(1)。碳纤维加固所需面积，见式(2)。中国彳放z朽赵兴言：双曲拱桥采用碳纤维加固的结构计算2011年第1期A．cf=Acf孚(1)^g式中：

7、A。，为等效钢筋面积；A。，为碳纤维面积；Rd为碳纤维抗拉设计强度；R。为钢筋抗拉设计强度。鸭≤肘。=rh，7：R4cr(^一号)+》3RIAs(小詈)㈤式中：鸩为计算弯矩；M。为抵抗弯矩；，7。为碳纤维材料强度折减系数；叼：为碳纤维和原钢筋共同工作系数；^为截面高度；菇为截面受压区高度；y。为钢筋工作系数；刀3为旧桥折减系数；A。为钢筋面积；ho为截面有效高度[4】。根据钢筋混凝土结构设计理论，将跨中设计弯矩作为控制弯矩，确定了相应的参数后便可按式(2)计算出Ad。设计采用H'1300型碳纤维，其性能指标见表1所列。通过式(3)便可计算出需要粘贴的碳纤维层数。裹1碳

8、纤维布性能指标l质量／设计厚抗拉强弹性模lg．mq竟度／era度／mm度／MPa量／GPal300500．1673400230n=瓦Aa(3)式中：n为计算的层数；t为碳纤维布的设计厚度；Bd为碳纤维布幅宽。3桥梁结构受力分析计算3．1结构计算模型介绍由于该桥施工时采用了自架设体系施工，施工程序依次为：首先吊装合龙主拱肋；然后横向连接；再拱波、拱板；最后是立柱及桥面系。这样必然造成各个构件的混凝土参与受力及龄期的差异。因此，结构计算在采用平面杆系有限元法时用平面杆系内力叠加的方法计算，并考虑桥梁加固的施工程序进行建模。考虑到连拱作用，在建立三跨连拱计