混凝土墙碳纤维加固

迄今为止，在碳纤维布加固旧桥的受力分析或安全性能评定上，还没有形成一个完整的、可考虑曾加荷载的初始效应、空间效应和材料非线性性能的理论计算方法。现有的文献资料主要针对构件，按初等梁理论来进行加固后承载力计算，对碳纤维布加固旧桥的设计计算仍处于经验为主导的阶段。这些简化做法对于构件或曾加荷载较小的桥梁分析比较有效，但用在过载桥梁结构受力分析上就过于粗糙。并且难以考虑曾加荷载的影响。
一．概述
工程背景
义桩桥位于无锡市$342虞宜线上，中心里程为K25+367．000，是一座跨径10m的装配式简支混凝土空心板梁桥。桥型布置见图．原桥设计荷载为汽—20，挂一loo。
桥梁上部结构采用普通钢筋混凝土预制空心板梁，板梁高50cm，宽99cm，全桥共18片预制板梁；下部结构桥台采用扩大基础，圬工砌石台身，混凝土帽梁；桥宽18m，桥跨两端各设2cm的伸缩缝。
由于交通流量和单车重量日益增大，义桩桥主梁上出现了不少贯穿底板的裂缝。为适应交通增长的需要，对义桩桥进行了加固改造。加固前对桥梁进行了调查，发现每根主梁的裂缝分布和形态基本相同，裂缝分布在跨中四分点内区域，裂缝宽度**大0．2ram。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，一二类环境中，**大裂缝宽度限值为0．2mm，已达规范界定的上限。为改善桥梁的运营现状，适应交通量增长的需要，对主梁部分进行了加固。
加固方法如下：在每片主梁上加固一层CFS，CFS沿纵向分布见图5．2(a)所示；沿主梁的横向分布见图5．2(b)所示。加固时封闭交通，桥梁上除了恒载外，其他荷载被卸除。虽然没有彻底卸除恒载，但是本章之前所得有限元模型和方法依然可用在本桥的受力分析上。
主要工作内容
为了解义桩桥在CFS加固前后的受力性能，在加固前后分别对桥梁实施了静载试验。荷载试验为有限元计算分析提供校验依据。本章结合试验情况和裂缝等混凝土梁的表观形态，对加固前的荷载情况进行合理估计。在桥梁加固后的受力性能计算分析中考虑曾加荷载所产生的影响，对桥梁的安全状况和加固后桥梁的承载能力做出了评价。
二．义桩桥静载试验方案及试验结果
1。静载试验方案
义桩桥主梁以受弯为主，本次荷载试验方案以跨中截面的**大正弯矩控制。加载工况及相应加载位置利用弯矩影响线施加等效荷载得到。为防止结构在试验加载中意外损伤，将试验荷载分为四级加、卸载。静力试验荷载的加载取设计活荷载(汽-20、挂．100)产生加载项目对应的控制截面内力的**不利效应值的60％、80％、90％、lOO％。加载车辆布置。
试验采集了挠度和应变等数据。挠度通过布置在支点截面、跨中截面的百分表测得。应变有主梁跨中的底面混凝土应变和跨中梁底纵向钢筋应变。
静载试验结果
加固前、后各主梁的挠度比较(位移向下为负，向上为正)；加固前、后各种应变比较见(拉应变为正；压应变为负)。

在荷载完全卸除后，全部测点的相对残余应变和残余挠度均都很小，表明加固前、后的结构基本处于弹性工作状态。加固后挠度和应变值基本都在减小，说明加固有效。(由于测量等误差，在加固后有部分应变数据稍大于加固前应变。)
有限元数值模拟分析
为全面了解义桩桥CFS加固后的工作性能，利用本文的有限元模型对义桩桥CFS加固进行了空间有限元分析。
（1）有限元模型
1）网格划分
因荷载和桥梁沿纵轴对称，所以取半幅桥梁(9根空心板梁)建立有限元模型。模型坐标以桥梁纵轴为工轴，高度方向为z轴，横桥向为Y轴。坐标原点取模型的中心点。
沿纵轴方向每根主梁划分40个三维实体单元，桥梁的混凝士结构部分单元共计360个，节点总数3024个。粘结胶沿桥梁轴线划分20个实体退化壳单元，总计180个；碳纤维沿工轴划分了20个实体退化壳单元，总计180个。
2）边界条件
桥梁为简支空心板梁桥，各板梁间采用企口混凝土铰连接。板梁的形状、尺寸及铰缝的连接构造。
根据实际约束的情况，在每根板梁的一端支座位置约束对应节点的x和z方向的位移为零；在另一端支座约束对应节点z方向的位移为零。以其中一根板梁为例，约束方式具体见“x、z”等字母代表节点被约束的位移方向。支座线指支承中心线。在桥梁纵向对称面上约束梁上部和中部节点的Y方向位移为零。对于空心板梁之间的连接，考虑实际的铰缝连接构造。将空心板梁间相邻单元的节点分别连接。
3）材料参数
碳纤维布视为线弹性材料。通过碳纤维布的拉伸率计算出极限拉应变为‰：o．016。抗拉强度为3800MPa，弹性模量为240GPa，单层CFS的厚度是O．17nun。粘结层的厚度由加固施工单位施工规范提供，为2毫米。粘结层视为各向同性的弹性材料。
采用的碳纤维布原产于瑞士，代号WG USC 240，碳纤维配套胶采用wGRESIN55，碳纤维布单向3009／m'，单层碳纤维布厚度0．167m。CFS及胶的力学性能指标见表5．4。表中碳纤维布和胶的材料参数由材料供应方上海维固有限公司提供。

（2）加固前桥梁的荷载状况分析
从前面两章对混凝土梁的试验和理论分析结论来看，加固前的荷载对加固效果会产生影响。尤其当加固前荷载量值较大时，对CFS加固的影响则更加不能忽略。
要准确的估计CFS加固前的荷载情况需要详细的荷载历史记录。但对于大部分桥梁来说，缺乏此类记录。迄今为止，在工程实践上基本上不考虑加固前荷载的影响，相关的理论估算办法也比较少。目前有文献l¨1通过结构动态或静态特性的变化来确定结构刚度修正的量度和位置。但这种做法也存在较多困难，如混凝土桥梁有些局部区域受损后对整体模态的影响非常小；理论模型中自由度与实测自由度的不一致等等。这都为加固前结构的损伤预测带来误差。
考虑到结构裂缝的形态与受力状况紧密相关，裂缝是结构受荷情况的综合反映。因此，在缺乏荷载历史纪录的条件下，本文结合桥梁的静载试验、已知的加载历史、桥梁的裂缝形态以及第三章的结构表观形态(裂缝等)与曾加荷载因子的关系对加固前荷载进行了合理估计。
根据义桩桥在加固前的桥梁初始情况调查裂缝虽然数量较多，但是都为弯曲裂缝，裂缝分布范围基本在一l／4～l／4之间。另外，从加固前义桩桥的荷载试验可见：桥梁基本上处于弹性工作阶段。
关于加固前的活荷载布载形式，加载方式的选取目前尚无一个统一的根据加固前桥梁作用的荷载由恒载和活荷载组成，P恒裁+o嚷袭。桥梁所受的恒载P恒载有主梁自重、桥面铺装和栏杆荷载。自重以体积力考虑，方向向下，大小为2．4×104N／m3。栏杆荷载以线荷载形式作用。桥面铺装以面载作用，大小为480N／m2。‰为图5．10中的设计车道荷载，口为活载因子，P话载布载方式。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)取用P活藏值，按照规范P活载的均布荷载标准值为10．5kN／m；集中荷载标准值为200kN·根据桥梁试验结果，桥梁的工作状态基本处于弹性阶段。所以本次试算法确定加固前活载值，将计算口=o．2对应荷载下的桥梁受力情况，来确定义桩桥加固前的受载情况。为描述方便将主梁进行编号，从边主梁到中间主梁共九根，依次为1墚、
2撑梁到鲥梁。为方便表达，将主梁横截面上的关键点用字母标号，A、B两点均为横截面上下边的中点
沿主梁方向的竖向位移分布和应力分布是合理的。
从关键点的应力分布和程序输出的裂缝点位可见，当活载因子口等于0．2时，混凝土开裂的范围在2．57米o．49米之间，混凝土未达抗压强度。根据初始调查，裂缝的范围在2．5~7．5米之间，主梁处于弹性状态。所以据裂缝分布、混凝土未压碎等特点可判断加固前活载因子在0．2附近。以下将通过实验之和计算值的对比，进一步检验这个试算荷载的准确性．
三．荷载试验受力分析
加固前荷载试验模拟
（1）、试验加载时的主梁状况
试验前桥梁上已经作用荷载，桥梁刚度降低。因此，在计算试验荷载对义桩桥的受力时，将曾加荷载造成的刚度减小作为试验荷载下的桥梁受力的初始条件，处理方法同第3章。另外，实测值为试验荷载产生的增量，所以，计算时桥梁上的荷载只有试验载荷。
（2）、实测值与计算值对比
1）加固后荷载试验模拟
加固后对义桩桥又进行了一次试验，荷载方式与加固前相同。桥梁加固后在试验荷载的受力分析如下。
2）、试验加载时的主梁状况
桥梁加固前，经历了大小约为％载+O．2P活袭的荷载和试验荷载。因此，计算加固后桥梁的试验荷载受力，所取的初始荷载应为两者之中的大者。
各级荷载作用下计算结果基本与实测数据相吻合，变化规律基本一致。从加固前后的桥梁受力试验与计算值对比可见，对桥梁的加固前荷载的估算值基本是合理的。
3)桥梁安全状况评估
按照加固设计的预定要求，义桩桥加固后需要达到公路I级的标准。为考查桥梁的安全状况，下面对桥梁在设计荷载下的受力情况加以分析。
以下将参照规范，对极限承载能力状态下和正常使用极限状态下的桥梁受力进行计算。加固后桥梁的荷载有恒载和活载，恒载的取值同前。活载为规范阳】中的设计车道荷载。
按正常使用极限状态下荷载组合时，车道荷载中的均布荷载取值为10．5kN／m；集中荷载取值为200kN。按承载能力极限状态下荷载组合时，车道荷载组合后设计值要在标准值的基础上放大1．4倍。此时车道荷载中的均布荷载取值为14．7kN／m；集中荷载取值为280kN。
按正常使用极限状态组合荷载时的受力计算为按正常使用极限状态荷载组合时桥梁的竖向位移和关键点A、B的受力情况图．
根据程序输出的裂缝点可见，混凝土的裂缝范围扩大到2．1～7．9米之间，支座处附近未出现斜裂缝。从图5．1踮5．20可见，主梁的挠度达13．8毫米，挠度和跨度比值为1／725，低于规范【¨1要求的1／600。混凝土在此阶段还没有被压碎。义桩桥在此荷载组合下还能正常、安全地工作。此时，碳纤维布的应力**大值达230MPa，到碳纤维布被拉断仍有很大距离，碳纤维布在此时发挥的作用还很小．见，此时主梁的挠度已达23毫米，挠度和跨度比值为1／438，超过规范睁1蜜求的1／600。除了l卿2墚其余的主梁在A点的顺桥向应力随着荷载的增加而进一步增加。1墚和2朔§在跨中发生了压碎，它们在A点的应力发生下降。下降的范围l群梁大于2撑梁，l操发生压碎的范围大于2襻梁．从程序输出的裂缝点来看，相对正常极限状态下开裂范围继续向两端支座扩大，支座处仍没有斜裂缝发生。此时碳纤维布的应力**大值达440MPa，距离碳纤维布被拉断仍还有较大距离。由此可见，义桩桥的破坏由混凝土的压碎引发。
从正常使用极限状态和承载能力极限状态的荷载下的桥梁受力来看，桥梁在加固后受力基本达到公路I级的要求，此次加固是有效的。
四．本章小结
本章以无锡市一座简支混凝土板梁桥一义桩桥为背景，分析研究了考虑初始荷载(加固前荷载)对混凝土桥梁的加固的影响，并在计算分析时考虑了钢筋混凝土结构的材料非线性。通过分析，结果表明：
1)建立在三维实体退化虚拟层合单元理论基础上考虑材料非线性的计算分析方法，可有效地实现对桥梁的三维仿真分析。
2)通过加固前的静载试验发现：义桩桥在加固前虽然在1／4-3／4跨内产生了大量的贯穿底板的通长裂缝，但通过对比裂缝扩展范围和高度情况以及加、卸载后梁的变形恢复情况可确定桥梁仍然在弹性工作范围内。
3)通过对碳纤维布加固混凝土粱的试验和参数分析的相关结论，结合桥梁的静载试验、加载历史和桥梁的裂缝形态对加固前的荷载状况进行了估计．通过模拟计算加固前后的桥梁试验，计算值与实测值吻合较好，证明了对加固前荷载状况估计的准确。
4)本章对桥梁在极限承载状态下的受力进行了计算，计算结果表明，经过加固，桥梁已达到公路l级的设计要求。
5)本文所采用的方法全面的考虑了加固前荷载对于加固效果的影响，改变了以往加固桥梁时由于对加固前荷载效应认识不清，而放弃考虑的现状。通过试验和工程应用的验证，证明了在缺乏历史资料的情况下，本文所采用的结合试验和结构表面形态来估算桥梁的加固前荷载的定性和定量的方法在CFS加固混凝土桥梁设计中的有效性和准确性。