1、前言
在我國鐵路系統(tǒng)，近年來由于大量舊的鋼筋混凝土鐵路橋梁使用年代長或受到列車動(dòng)力增大等各種因素的影響和作用，其在試用期內(nèi)已產(chǎn)生一系列病害，如混凝土材料的劣化、鋼筋銹蝕等病害，對(duì)橋梁的安全性、適用性及耐久性產(chǎn)生了較大影響，不同程度造成橋梁承載力降低甚至喪失，嚴(yán)重危及橋梁的安全運(yùn)營。
但由于我國現(xiàn)存的此類舊橋、危橋數(shù)量較多，如何處理這些橋梁是面臨的重大難題。如果全部拆除重建，不僅耗資巨大，影響鐵路正常運(yùn)營，在目前不現(xiàn)實(shí)。根據(jù)我國公路部門的實(shí)踐表明：橋梁的加固費(fèi)用約為新建橋費(fèi)用的10%～20%。因此在對(duì)病害橋梁進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)和評(píng)估的基礎(chǔ)上，采取有效的維修、加固等措施，提高橋梁的承載力，延長其使用年限，滿足現(xiàn)代交通對(duì)橋梁的客觀要求，是一項(xiàng)具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和重大社會(huì)效益的工作。
碳素纖維布作為一種新型復(fù)合材料，近年來在結(jié)構(gòu)加固及改造工程中應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)相比，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性和耐久性強(qiáng)、施工便捷、結(jié)構(gòu)影響小等優(yōu)點(diǎn)，日益受到工程界重視。但目前碳素纖維布對(duì)鐵路橋梁加固的理論研究還缺乏一定數(shù)量的試驗(yàn)資料支持。本文通過理論推導(dǎo)，提出了符合鐵路規(guī)范的受彎容許承載力計(jì)算公式，為實(shí)際鐵路橋梁的加固設(shè)計(jì)提供了一定參考。
2、碳纖維布加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
碳素纖維布加固修復(fù)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)是將樹脂類纖維材料黏貼于結(jié)構(gòu)表面，通過其與結(jié)構(gòu)共同工作，利用碳纖維良好的抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)橋梁承載力，達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固、改善結(jié)構(gòu)受力的目的。
使用碳纖維布加固橋梁具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①抗拉強(qiáng)度高、剛度大；②抗疲勞性和減振性好；③可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀，成型很方便；④自重輕，不增加恒載及斷面尺寸；⑤對(duì)原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生損傷；⑥能有效封閉混凝土裂縫；⑦施工簡(jiǎn)單輕便；⑧具有良好的耐化學(xué)腐蝕性；⑨不影響結(jié)構(gòu)的外觀；⑩加固結(jié)束后養(yǎng)護(hù)方便。由于碳纖維布以上所述的特點(diǎn)，隨著其加固技術(shù)和施工工藝的不斷完善，在橋梁結(jié)構(gòu)加固工程中成為一種很有優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)加固材料。
3、計(jì)算原理及基本假定
3.1計(jì)算原理
在荷載逐漸增大而使試件破壞的過程中，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件截面應(yīng)力分布共經(jīng)歷四個(gè)階段。
階段Ⅰ：混凝土開裂前大致彈性工作階段；
階段Ⅰa：混凝土開裂的臨界狀態(tài)；
階段Ⅱ：受拉區(qū)混凝土開裂后的工作階段；
階段Ⅲ：破壞階段。
依據(jù)鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，鋼筋混凝土鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范沿用容許應(yīng)力法計(jì)算其承載力，即按照上述工作階段Ⅱ進(jìn)行計(jì)算。此階段受拉區(qū)混凝土已開裂，基本上不參加工作而由鋼筋和粘貼加固后的碳纖維布承受拉應(yīng)力，鋼筋應(yīng)力和碳纖維布應(yīng)力均未到屈服強(qiáng)度，仍在彈性工作。
3.2基本假定
碳纖維布加固橋梁的受彎容許承載力計(jì)算采用以下基本假定：
①碳纖維布加固梁受彎后截面應(yīng)變滿足平面假定。②不考慮受拉區(qū)混凝土的作用。③受壓區(qū)混凝土應(yīng)力圖形看作三角形。④鋼筋應(yīng)力等于鋼筋應(yīng)變與其彈性模量的乘積，且小于其容許應(yīng)力。⑤碳纖維布的應(yīng)力應(yīng)變滿足線彈性關(guān)系，碳纖維布的應(yīng)力等于碳纖維布應(yīng)變與其彈性模量的乘積即σc=Ecεc。⑥受壓區(qū)混凝土應(yīng)力等于其應(yīng)變與彈性模量的乘積，且小于其容許應(yīng)力。⑦由于外貼的碳纖維布很薄，近似認(rèn)為碳纖維布中心離梁頂?shù)木嚯x與梁高相等。⑧在達(dá)到容許受彎承載力前，碳纖維布與混凝土之間粘結(jié)可靠，不發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。
3.3換算截面
為方便計(jì)算，我們把粘貼的碳纖維布換算成與它功能相等的假想的受拉鋼筋，即換算受拉鋼筋面積Ag1=Ec•Ac／Eg=n•Ac。式中Ac為加固碳纖維布橫截面積；n為碳素纖維布彈性模量Ec與鋼筋彈性模量Eg比值。
4、普通鋼筋混凝土梁受彎容許承載力計(jì)算方法
4.1計(jì)算公式推導(dǎo)
為利用鋼筋容許應(yīng)力值，普通鋼筋混凝土橋梁的受彎容許荷載是使縱向受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到容許應(yīng)力的荷載。按照梁的正截面受彎彈性計(jì)算方法，應(yīng)用上述換算截面的概念，把梁底部的碳素纖維布換算為受拉縱筋，應(yīng)用受拉區(qū)合力與受壓區(qū)合力組成的力偶，推導(dǎo)受彎容許抵抗彎矩公式如下：
Mg=［σg］•（Ag+Ec•Ac／Eg）•Z或
Mg=［σg］•（Ag+n•Ac）•Z，
Z=h0-x+y,y=Ia/Sa，
試中：Mg——普通鋼筋混凝土梁經(jīng)碳纖維布加固后梁的容許抵抗彎矩；
Ag——原受拉鋼筋面積；
Z——內(nèi)力偶臂長，即受拉區(qū)合力與受壓區(qū)合力組成的力偶臂；
［σg］——為鋼筋容許應(yīng)力，此處為原受拉鋼筋與最外層加固碳纖維布換算鋼筋截面重心處的應(yīng)力；
4.2計(jì)算公式適用范圍和注意事項(xiàng)
①上述公式是按照矩形截面梁推導(dǎo)，但同樣適用于T形截面梁等常用截面形式。
②應(yīng)避免碳纖維布加固量過大，受壓混凝土應(yīng)力過早達(dá)到容許值，使梁發(fā)生超筋破壞，既不安全又不經(jīng)濟(jì)。
③上述公式是按照原受拉鋼筋容許應(yīng)力［σg］計(jì)算得出的，實(shí)際應(yīng)用中還要驗(yàn)算受壓混凝土的應(yīng)力不能超過其容許應(yīng)力。
④梁底面粘貼碳纖維布換算為鋼筋時(shí)，相當(dāng)于在梁底部增加一層鋼筋，因此在計(jì)算混凝土截面有效高度h0和鋼筋容許應(yīng)力［σg］等參數(shù)時(shí)，計(jì)算位置取原受拉鋼筋與最外層換算鋼筋截面重心處。
5、計(jì)算公式理論計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比
根據(jù)張興虎試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果如下：
①試驗(yàn)構(gòu)件為普通鋼筋混凝土T形梁3根，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，每根T形梁截面內(nèi)配制縱向受拉主筋為5根Ⅱ級(jí)Φ14螺紋鋼筋，腹板和翼緣的箍筋分別用Φ6及Φ4的Ⅰ級(jí)鋼筋。
②碳素纖維布的參數(shù)：?jiǎn)挝幻娣e碳纖維布質(zhì)量200g/m2，計(jì)算厚度0.111mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值3550MPa，彈性模量Ec＝2.35×105Mpa。T形梁的構(gòu)件尺寸、鋼筋的布置方式和碳素纖維布粘貼方法可參照文獻(xiàn)3有關(guān)圖示。
③梁編號(hào)及意義如下：T0為不粘貼碳纖維布，T1為粘貼一層碳纖維布；T2為粘貼二層碳纖維布。
④加載方法：每根梁通過一荷載分配梁對(duì)構(gòu)件施加2個(gè)對(duì)稱的集中力來進(jìn)行加載試驗(yàn)，加載最大荷載是使受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到其容許應(yīng)力的荷載。
⑤試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算值如下表：
6、結(jié)論與啟示
①從表中可以看出：理論加載值大約為試驗(yàn)加載值的73.6%～88.5%，二者吻合性相對(duì)較好，說明計(jì)算公式有一定可靠度。誤差主要是由于沒有考慮受壓區(qū)翼緣鋼筋和受拉區(qū)混凝土等作用。
②按照試驗(yàn)結(jié)果，T梁包一層碳纖維布后承載力提高了15%，包二層碳纖維布后承載力提高了24.7%，但按照計(jì)算公式，理論計(jì)算抵抗彎矩值或加載值提高比例分別為1.8%和3.6%左右，明顯偏于保守。主要原因是：沒有考慮包裹在梁腹板處碳纖維布參與工作，明顯削弱了碳纖維布實(shí)際加固效果；理論計(jì)算中，碳纖維布的計(jì)算厚度是取理論計(jì)算值，計(jì)算中忽略了涂刷粘結(jié)樹脂層的厚度，實(shí)際施工中這部分厚度往往超過碳纖維布的理論計(jì)算厚度數(shù)倍，在工程中發(fā)揮了很大作用；
③從公式可以看出，加固后梁抗彎承載力隨碳纖維布加固橫截面Ac的增大而提高。但在實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)中，如果其加固量過大（厚）容易發(fā)生早期剝離破壞，甚至發(fā)生超筋破壞，因此并非加固量越多越好，應(yīng)該根據(jù)計(jì)算和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)確定其加固量。
④加固后梁抗彎承載力與n=Ec／Eg值有關(guān)，即在其它條件相同前提下，碳素纖維布彈性模量Ec越大，原鋼筋彈性模量Eg越小，n值越大，加固后抗彎承載力提高越多，因此高彈性模量的碳素纖維布比高強(qiáng)度的同規(guī)格的布更加符合加固要求，這就給我們無論是在選擇或者產(chǎn)商生產(chǎn)碳纖維布提供了一個(gè)產(chǎn)品改進(jìn)方向。
⑤如上述，公式計(jì)算的理論值小于試驗(yàn)值，這有待在今后工程實(shí)踐中通過試驗(yàn)和大量的工程檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)上述造成的原因進(jìn)行分析并不斷修正和完善，筆者認(rèn)為它的重要意義在于給工程人員一個(gè)理論指導(dǎo)值。
