北京公科固桥梁技术有限公司副总经理李承昌以“新技术、新材料滥用”为题谈到“碳纤维布、不锈钢丝网功能被夸大”的问题时指出:碳纤维、不銹钢丝网虽然强度很高,但截面积很小,构件粘贴碳纤维布、不銹钢丝网时, 贴碳纤维布、不銹钢丝网折算为钢筋的面积并不大,…..增加的抗弯承载能力相对較小” [
笔者理解李总是从弹性理论允许应力法角度分析这一问题的。众所周知,按弹性理论允许应力法计算桥梁加固构件分阶段受力概念清晰,其基本原理是[4]:一期荷载(构件自重及恒载)由原梁承担,截面应力(或应变)应根据按开裂截面计算的原梁换算截面几何特征值,由材料力学公式计算;二期荷载(活载)由加固后的组合截面承担,截面应力(或应变)应根据按开裂截面计算的加固后组合截面的换算截面几何特征值,由材料力学公式计算。最后,将对应的应力直接叠加,并控制其小于规定的容许值。计算结果表明, 按弹性理论允许应力法计算桥梁加固构件,通常是原梁钢筋应力控制设计,后加补强材的应力很小,一般情况下不控制设计。换句话说,后加高度补强材料(碳纤维布、不锈钢丝网等)的高抗拉性能根本无法充分发挥,对提高承载力的作用是有限的。
1.3 加深对桥梁加固构件分阶受力特点认识和理解是树立正确设计思想的前提[2]、[3]。
桥梁加固构件的设计必须考虑带载加固分阶受力特点,是桥梁加固设计与新建桥梁设计的最大区别,加深对这一问题的认识和理解是树立正确设计思想的前提。只有了解“桥梁加固构件分阶受力引起的后加补强材应变(应力)滞后”的受力特点,才能理解“极积推广预应力主动加固设计思想” 的真实含义。
桥梁加固构件后加补强材料应变滞后是影响加固构件工作性能、制约后加补强材料利用效率和控制加固工程成本的瓶颈。解决后加补强材料应变(应力)滞后的根本途径是变被动加固为主动加固,对后加补强材料施加预应力,做成预应力加固体系,正截面抗弯加固要加预应力,斜截面抗剪加固更要加预应力。靠预应力的主动受力,从根本上解决后加补强材料的应变(应力)滞后,提高后加补强材料的利用效益,以最少的成本创造最佳的加固效果。由于预加力的作用改善了原梁的应力状态,可以提高原梁的承载力和抗裂性能。
1.4 研究开发桥梁加固设计与计算软件是落实““桥梁加固设计应考虑分阶段受力特点”设计原则的当务之急.
“桥梁加固构件的设计应考虑分阶段受力特点”是笔者和很多同行专家近几年反复宣传的基本观点[2]- [3] [4],是编制桥梁加固设计规范的基本原则[1]-54页,其力学概念清晰,特别是采用弾性理论允许应力法设计时是很容易理解的。这样一个简单的基本力学概念问题,为么在实际设计工作中迟迟不能推广落实?笔者百思不解。北京公科固桥技术有限公司总工程师王国亮在分析“加固设计质量不高”的原因时指出: “公路桥梁加固专用设计计算软件缺乏,桥梁加固的设计计算更为复杂,不但要根据桥梁现状,合理准硧地模拟出当前桥梁的受力状态,而且要兼顾新加结构、构件的应变滞后的计算,目前尚无专门的桥梁加固设计计算软件,设计单位只能使用新建桥梁设计软件进行计算,其中的连接、约束、顺序等需要人为干预或调整,难于做到快速、准确” 。
“目前尚无专门的桥梁加固设计计算软件,设计单位只能使用新建桥梁设计软件进行计算”点出了落实难的关鍵。因此, 研制开发考虑分阶段受力特点和结构损伤影响桥梁加固设计与计算软件是落实“桥梁加固设计应考虑分阶段受力特点”设计原则的当务之急。
2 桥梁加固误区之二---不分加固性质盲目乱贴碳纤维
前些年,粘贴高强纤维复合材料加固法在我国曾盛行一时,对粘贴高强纤维复合材料加固效果也存在两种完全不同的看法,有人说粘贴高强纤维复合材料加固 “将我国桥梁加固提高到一个新的台阶”,有人说是“把我国桥梁加固引入了盲目乱贴碳纤维的加固误区” ;有人把它吹捧为“医治百病的一贴灵”,有人把它贬低为 “一俊遮百丑的化装品”。这些看法虽有些偏激,但是如何科学的评价高强纤维复合材料加固的效果是无法回避的问题。
2.1 粘贴高强纤维复合材料加固效果分析
(1)采用粘贴高强纤维复合材料对钢筋混凝土受弯构件进行加固,可有限地提高梁的抗弯和抗剪承载力。但是,必须再次特别强调指出,从作用原理上讲,采用在受拉区(或受剪薄弱区段)直接粘贴高强复合纤维加固的钢筋混凝土梁属被动加固范畴,极限状态下后加补强纤维的应力取决于原梁的配筋率。对于原梁高度较小,配筋率较大的情况,后加补强纤维的高抗拉性能根本无法发挥作用.。
以目前大量采用的直接粘贴碳纤维布(强度标准值为3350Mpa,弹性模量为2.2×105Mpa)加固的钢筋混凝土T形梁为例:对于原梁的配筋率为4.5%(混凝土相对受压区高度 )的情况,加固设计以混凝土压应变达到极限值控制,极限状态下碳纤维的应力只有776.6Mpa,此值只相当于其抗拉强度标准值的23%。计算结果表明,采用直接粘结高强纤维复合材料的被动加固方案,由于受分阶段受力的影响,后加补强材料应变(应力)滞后,后加补强材料的高抗拉性能是很难发挥作用,“大马拉小车”是一种极大的浪费。特别是在倡导建设节约型社会的环境下,这种盲目的浪费是值得我们深思的。
(2)采用粘贴高强纤维复合材料加固,对结构的刚度提高不大。因此,对于以控制结构变形为主要的使用功能加固是不适宜的。
(3)后粘贴的高强纤维复合材料可以制约裂缝的发展,间接的提高了结构的抗裂能力。后粘贴的含有多层树脂胶和防护罩面胶的高强纤维层,可以提高混凝土的抗腐蚀和碳化能力。因此,对于以延长结构使用年限为主要目的耐久性加固,采用粘贴高强纤维复合材料加固还是有一定效果的。但是,应该指出:·因此,单纯为了提高耐久性的目的采用价格昂贵的碳纤维做粘结胶层的保护层的作法是不适宜的。
2.2采用缠绕粘贴高强复合纤维复合材料对轴向受压构件进行加固,加固效果显著,有着广泛的应用前景[3]。
缠绕粘贴高强复合纤维复合材料加固,从工作原理上讲属于约束加固,由于高强纤维复合材料层的约束作用,在纵向力的作用下,混凝土处于三向受压状态,可以较大幅度的提高结构的抗压承载力,增强结构的延性, 可明显的提高结构的抗震性能,广泛用于抗震加固。
笔者于2005年开展了缠绕芳纶纤维布短柱试验研究,並对遭受严重冻害的黑龙江省哈同公路蚂蚁河1号桥的墩柱,采用缠绕芳纶纤维布的方法进行加固补强,收到了明显的加固效果
2.3高强复合纤维预应力加固的应用研究
高强复合纤维预应力加固法是采用锚固、粘贴在梁体外部(或箱内)的高强复合纤维布条(或板条)对梁体施加预加力。这种加固体系目前尚处于试验研究阶段,其关键技术是解决适应于桥梁加固现场施工的预应力纤维布条(或板条)的张拉、锚固和张拉后纤维布条(或板条)与被加固梁体的可靠粘结问题。
笔者参与的深圳海川公司博士后课题《芳纶纤维(AFFP)加固技术》,研制开发了锚固芳纶纤维布条的平板式锚具,并修建了试验桥。湖南科技大学何利雄等[52]对用于碳纤维布条的楔型变波纹夹片式锚具进行试验研究,并用于预应力混凝土箱梁加固。湖南大学尚守平教授开展了碳纤维预应力加固试验研究,并在湖南省浏阳市金刚头桥加固工中应用,取得了较好地加固效果。
应该指出,高强纤维复合材料的出现是材料工业的一大进步,但是这高强材料在土木工程中的应用,特别是在加固工程中的合理应用还是一个值得商榷的问题。笔者认为分清加固性质,明确加固目的,在弄清加固作用机理的基础上,有针对性地合理应用这种新材料是桥梁加固工程应解决的现实问题。
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