粘贴碳纤维复合材料技术在桥墩加固中的应用

粘贴碳纤维复合材料技术在桥墩加固中的应用

作者：徐建宁

来源：《科技创新导报》2011年第05期

摘 要:随着国家基础建设突飞猛进的发展,桥梁加固工程作为一项新兴工程项目得到发展,碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。本文就某桥梁墩柱加固采用粘贴碳纤维技术的方案对比分析及设计验算、后期效果验证进行简述,为该技术的推广应用总结经验。

关键词:粘贴碳纤维 技术 桥墩加固 应用

中图分类号:TU7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0017-03 1 引言

碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于20世纪80年代美、日等发达国家。我国的这项技术起步很晚,但随着我国经济建设和交通事业的飞速发展,现有建筑中有相当一部分由于当时设计荷载标准低造成历史遗留问题,一些建筑由于使用功能的改变,难以满足当前规范使用的需求,亟需进行维修、加固。目前常用的加固方法有很多,如:加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法等。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。我国2008年10月1日公布的《公路桥梁加固设计规范》中,对碳纤维加固修补结构技术作了进一步的规范。 2 应用案例 2.1 工程简介

某桥桥址范围内属剥蚀岩溶低山地貌,桥位区基本沿一陡斜坡中部展布,该陡斜坡坡向近于东西向,与拟建桥位轴线近于垂直,桥址区斜坡坡度角总体一般为30°～40°,上陡下缓,局部地段达到60°,形成岩质边坡。该桥梁地形特殊,机械无法展开施工作业,经多方单位和专家研究,桩基施工采用人工挖孔,墩柱施工采用节长1.5m模型翻模施工,盖梁施工采用人工吊杆法施工,完成桥梁基础及下部施工。该桥梁由于施工工法落后,总体施工均采用人工作业,导致该桥右幅12#桥墩在施工完毕后发现其1#、2#桥墩墩柱竖直度沿桥纵向均发生不同程度的偏位(图1)。 2.2 加固方案比选

2.2.1 初步方案,第一方案,采用Ⅰ级碳纤维布材加固修补结构技术。第二方案,采用外包钢筋混凝土加固法,外包厚度为20cm;加固用混凝土采用C30自密实混凝土,竖向主筋为直径28mm

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

的HRB335钢筋,横向箍筋为直径10mm的R235钢筋,新旧混凝土之间采用直径为12mm的HRB335的锚固钢筋连接。

2.2.2 工艺对比,第一方案,施工工序简单,施工周期短,结构计算方法简明可靠,承载力能够得到有效保证,而且加固后外观平顺;第二方案,施工工序相对复杂,由于要植筋、挂设钢筋网等多道工序,施工周期较长,且现浇混凝土施工质量不容易得到保证,考虑新旧混凝土之间的粘结及收缩徐变的不同步,结构计算方法不能按照实际情况进行有效模拟,承载力不能够得到充分保证,而且加固后外观不美观。

2.2.3 费用对比,第一方案,加固用碳纤维面积为:350m2;加固建安费概算为:21万元;第二方案,加固用混凝土方量为:74.6m3;钢筋为15504kg;加固建安费概算为:18.7万元。

2.2.4 综合考虑加固方案的优缺点、加固费用及整个施工进度等方面因素,故推荐采用碳纤维布材加固修补结构技术对大桥右12#桥墩墩柱进行加固。 2.3 碳纤维布材加固修补结构验算

2.3.1 施工阶段受力计算时墩柱简化为单柱受力,桥墩单侧施加最大偏心荷载时为最不利情况,偏心距为。其中荷载包括自重荷载、盖梁荷载、架桥机荷载及最不利架设荷载。 综合以上各荷载值,未计入荷载效应系数,得到最终等效荷载,墩顶承受的竖向力为,弯矩为 2.3.2 加固前右12#桥墩柱施工阶段验算

(1)计算模型:桥墩墩柱建模采用有限元计算软件MIDAS/Civil6.7.1。模型采用单悬臂偏心受压为最不利情况,结构离散图如图2所示;

(2)墩柱验算,将等效节点荷载输入程序,得到最不利荷载组合情况下的各个节点的内力值M、N。在计算墩柱的截面几何特性值时,采用设计断面直径2.2m,设计混凝土标号C30,根据偏心受压构件截面应力计算公式计算出墩柱各个节点位置的最大拉应力进行截面应力验算。取轴心受压构件稳定系数。沿周边均匀配筋的圆形截面钢筋混凝土偏心受压构件正截面抗压承载力计算进行查表计算,偏心距,得出极限抗力与墩柱各节点的内力进行比较验算。其中右12-1墩柱偏心距增大系数=2.2066,右12-2墩柱偏心距增大系数=2.0600(表1，表2，表3)。 (3)结论及建议

由上述验算结果可知,右12—1墩距墩底21m～28m范围墩柱混凝土拉应力超限,但还有部分节段拉应力大于1MPa,安全储备较低,在其它偶然荷载作用下,容易导致桥墩开裂;最大压应力为5.05MPa

2.3.3 加固后右12#桥墩柱施工阶段、使用阶段进行验算(表4)

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

(1)施工阶段荷载与模型与2.3.1相同,墩柱采用有限元计算软件MIDAS/Civil6.7.1计算,将等效节点荷载输入程序,得到最不利荷载组合情况下的各个节点的内力值M、N。在计算墩柱的截面几何特性值时将碳纤维布材换算成混凝土面积进行计算,根据偏心受压构件截面应力计算墩柱各个节点位置的最大拉应力进行截面应力验算。取偏心距。碳纤维布材换算成钢筋进行计算,得出极限抗力与墩柱各节点的内力进行比较验算。

(2)使用阶段验算墩柱简化为单柱受力,桥墩单侧施加满布汽车荷载时最不利情况,偏心距为。其中荷载包括:自重荷载、盖梁荷载、梁体荷载、二期恒载、活载,综合以上各荷载值,并计入活载的冲击系数,最终等效荷载计算得墩顶承受的竖向力为,弯矩为。

(3)计算建模采用有限元计算软件MIDAS/Civil6.7.1。模型采用单悬臂偏心受压为最不利情况,结构离散图如图3所示(表5,表6,表7,表8,表9,表10)。

(4)验算分析结论,通过对加固后施工阶段和使用阶段验算对比,墩柱各个截面的拉压应力下降超过0.4MPa,拉应力均满足规范限值的要求,安全储备增加,极限承载力有较大的提高。 因此采用碳纤维布材料对桥墩墩柱拉应力较大部位进行的加固方法是行之有效的。 2.4 加固后的效果评价

碳纤维布材加固修补结构方案经各方论证,并对加固后桥墩墩柱在施工阶段与使用阶段最不利荷载作用下的稳定验算,其稳定系数均大于4,其可行性得到各方专家认可。施工方组织有资质的施工单位对该桥右12号墩进行了加固,施工仅15天时间完成加固任务,提高施工工期。施工方委托第三方检测单位对粘贴碳纤维布材按频率分别在墩柱的上中下作垂直粘贴抗拉试验,均达到设计标准要求,大桥验收动载检测均满足了设计安全储备的要求。通车至今,大桥使用良好。 3 结论

碳纤维布材加固修补结构补强,作为一种新型工艺,将代替传统的加大混凝土截面或粘钢混凝土补强工艺,它具有节省空间,施工简便,不需要现场固定设施,施工质量易保证,基本不增加结构尺寸及自重,耐腐蚀、耐久性能好等特点,采用该工法,可大大提高建筑物的使用寿命,降低加固成本。因此,碳素纤维作为划时代的补强材料,备受青睐和关注。本文中所述墩柱加固选择碳纤维布材加固的方法,通过加固前后各个阶段截面应力和极限承载能力的对比与分析可见,碳纤维布材对墩柱拉应力较大截面进行加固,能够有效的防止墩柱在施工阶段与使用阶段的最不利荷载作用下发生截面开裂的现象,并且安全储备有较大提高,尤其对桥梁的使用阶段,并且桥墩墩柱的极限承载能力也得到大幅的提高,也为同类桥梁加固积累了经验。 参考文献

[1] JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范.

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

[2] GB 50367-2006,混凝土结构加固设计规范. [3] JTG/T J22—2008,公路桥梁加固设计规范. [4] JTG/T J23—2008,公路桥梁加固施工技术规范.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文