碳纤维布用于钢筋混凝土工字梁桥抗弯加固1 工程概况双凤桥位于白（沙关）景（德镇）公路102公里桩处，该桥原为一半永久性桥梁（修建年代不详）：上部结构为木板桥面；下部结构为浆砌块石扩大基础配实体墩台（据调查基础放置在岩层上）1970年将该桥改造成全长34.10m的永久性桥梁：将桥墩加设局部斜撑（挑臂）拓宽；上部结构改为4孔普通钢筋混凝土工字梁与微弯板组合结构设计荷载为汽车—13级，验算荷载为拖车—60，桥面设计净空为净—7.25m+2×0.25m安全带（见图1）图1 双凤桥加固总体布置图（尺寸单位：标高为m，余为cm）1992年至1995年公路部门对白景公路进行改建，路线、路基、路面采用二级公路标准（路基宽12m，路面宽9m），桥涵按照汽车—20级、挂车—100的设计（验算）荷载进行改造或重建，仅该桥未经任何加固处理而直接利用随着沿线国民经济的不断发展，白景公路的交通量和重型车辆随之急剧增加，特别是经常有未通知公路管养部门而自婺源方向运煤、碎石的超重车辆通过该桥，致使桥梁产生病害并逐步加剧2001年3月19日该桥第二跨第二、三片工字梁（由上游向下游）间的微弯板不堪重负突然断裂，掉入河中，后经公路部门在断裂处现浇了一块普通钢筋混凝土空心板，并在全桥桥面上铺筑了一层1.5㎝厚的沥青表处，恢复通车。
由于双凤桥原设计（验算）荷载为汽车—13级，拖车—60，而两岸公路现已改为二级公路，桥涵设计（验算）荷载为汽车—20级，挂车—100，且超重车辆经常通过该桥，致使上部结构的主要构件（工字梁和微弯板）的承载力不足充分显露出来，桥梁内部的病害亦在不断加重，已不能满足现有交通的要求，该桥亟待加固提载2 桥梁加固方案的确定2.1 加固方案设计针对现场检查中发现的各种病害及该地区交通量的发展情况，经研究分析，提出该桥主要加固提载措施（见图2、图3）⑴在桥跨两端支点部位各增设一横隔板，以增加全桥受力的整体性能和拓宽桥面；⑵重新浇筑钢筋混凝土连续桥面，增大桥梁的整体受力性能和减小活载产生的跨中弯矩；⑶对工字梁底粘贴二层碳纤维布，增大主梁抗弯强度；⑷重新预制安装钢筋混凝土人行道构件，增大桥面净空2.2 主梁(工字梁)提载计算要点由于双凤桥未查询到原设计图纸及竣工图纸等资料，对工字梁内部配筋不清楚，因而加固设计中从安全角度出发，仅考虑从汽车—13级（拖车—60）提载到汽车—20级（挂车—100）跨中截面增加的弯矩值来验算补强钢筋量图2 工字梁加固补强构造图（尺寸单位：cm） 图3 主梁拓宽一般构造图（尺寸单位：cm）经计算由汽车—13级（拖车—60）提载到汽车—20级（挂车—100）工字梁跨中截面最不利布载时增加弯矩值△M=485.08KN·m，跨中截面惯矩I=0.1201m4，中性轴到下缘距离h1=0.60m，截面高h=0.60m，截面高h=0.83m，根据正截面强度公式： △ 计算补强钢筋截面面积：Ag=3533.54㎜2上式中：△M——提载前后的弯矩增加量；rs——钢筋安全系数；Rg——钢筋抗拉设计强度；Ag——补强钢筋面积；h——截面高度；x——混凝土受压区高度。
经校核，工字梁斜截面强度满足使用要求综合有关情况，本次对工字梁提载加固决定采用碳纤维布（规格见表1），因而计算碳纤维布截面面积：Acƒ=Ag（Rg/Rcƒ）=242.3㎜2上式中：Acƒ——碳纤维布截面面积；Rcƒ——碳纤维布抗拉设计强度表1 碳纤维布（CFRP）性能指标单位面积质量（g/㎡）设计厚度（㎜）抗拉设计强度（MPa）弹性模量（MPa）3000.16735002.35×105为了方便碳纤维布的裁剪操作及考虑储备，考虑每层碳纤维布宽为250㎜，粘贴两层，五片工字实际粘贴碳纤维布截面面积为Acƒ =250×0.167×2×5=417.5㎜23 碳纤维布加固工字梁的施工顺序及工艺本次粘贴碳纤维布加固工字梁桥的施工工艺及步骤如下：⑴搭设施工用支架，用砂轮机对梁底劣化层进行清除和打磨，并修补裂缝；⑵涂刷底胶，待底胶硬化后对不平处磨平；⑶按比例配粘结胶（600A、B组分）拌匀，在梁底均匀涂刷粘结胶（厚度1㎜～2㎜）；⑷将剪裁好的碳纤维布逐渐粘贴在梁底，用滚筒挤压并抹平碳纤维布，使粘结胶从碳纤维布缝中渗出，并用刮子刮平，使得碳纤维布内的气孔消除；⑸按上述⑶⑷步骤粘贴第二层碳纤维布；⑹在碳纤维布表面均匀涂刷一道粘结胶；⑺待粘结胶完全干燥后，在其表面涂刷一道白色油漆，使其外表美观。
4 桥梁静载试验4.1 静载试验概述为了对碳纤维布在旧桥加固中的使用性能进行量化分析，分别对双凤桥加固前、后进行了等效静载试验，且两次静载试验采用的加载车辆、荷载等级及加载位置均相同由于该桥未查询到原设计图纸及竣工图，对各片主梁的配筋无法考证，根据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》和《公路旧桥承载能力鉴定方法》中的有关规定确定，加固前后两次荷载试验的性质为轻型荷载试验本次试验最大加荷效率为0.65根据工字梁桥的受力特点，加固前后两次静载试验分别测试了工字梁跨中应力（应变）、跨中挠度并按两种工况进行试验：第一工况为两辆加载车偏载（最外侧车轮中心离人行道边缘50㎝）；第二工况为两辆加载车对称中心布载4.2 静载试验数据整理加固前后两次静载试验数据整理见表2～3和图4～7表2 第一加载工况试数据表项目梁号梁底钢筋应力跨中挠度加固前（MPa）加固后（MPa）减小幅度（%）加固前（㎜）加固后（㎜）减小幅度（%）1 234550.946.957.645.85.147.343.953.142.44.77.076.407.817.427.842.081.982.401.860.211.931.852.201.710.197.216.578.338.069.52表3 第二工况试验数据表项目梁号梁底钢筋应力跨中挠度加固前（MPa）加固后（MPa）减小幅度（%）加固前（㎜）加固后（㎜）减小幅度（%）1 234526.145.861.245.427.124.342.856.342.124.96.906.528.017.278.121.031.832.331.821.080.961.712.151.680.996.806.567.737.698.33图4 跨中梁底钢筋应力变化曲线图（第一工况） 图5 跨中挠度变化曲线图（第一工况） 图6 跨中梁底钢筋应力变化曲线图（第二工况） 图7 跨中挠度变化曲线图（第二工况）4.3 静载试验数据分析从表2～表3及图4～图7可看出：⑴在工字梁梁底粘贴碳纤维布后，在相同的受力状况下跨中梁底钢筋应力明显减小，减幅最大达13.72%，相应跨中部位挠度（变形）亦减小，最大减小幅度达39.29%。
说明粘贴碳纤维布后，工字梁抗弯强度增大并通过分析说明：双凤桥加固后符合汽车—20；挂车—100的荷载使用要求⑵粘贴碳纤维布后，在试验荷载作用下，原跨中梁底裂缝得到抑制，未发现原有裂缝进一步扩大⑶所测应力（应变）、挠度数据基本与理论值相符，并呈弹性变化，塑性变形率最大为0.08%点击查看更多宜兴市华威碳纤维布知识内容。