趙香玲，張小強(qiáng)，魏 強(qiáng)

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400044；3. 青藏鐵路公司，西寧 810000）

CFRP加固不同肋板式橋臺軸-偏壓性能研究

趙香玲1，張小強(qiáng)2，魏 強(qiáng)3

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400044；3. 青藏鐵路公司，西寧 810000）

針對碳纖維復(fù)合材料（CFRP）對不同橋臺的加固效果，采用CFRP分別加固8、10、12和14 m肋板式橋臺，并進(jìn)行了軸和偏壓試驗。結(jié)果表明：通過觀察橋臺裂縫，得出高度對CFRP加固橋臺的受力非常敏感；加之考慮中載、偏載及人群活載、混凝土收縮應(yīng)力、溫度荷載等因素作用下，作用荷載不變時，隨加固橋臺高度增加臺帽順橋向位移逐漸減小，橫向應(yīng)力以3％的增幅增大。利用有限元軟件Midas進(jìn)行模擬，與試驗結(jié)果相比，吻合良好。

碳纖維復(fù)合材料；肋板式橋臺；加固；軸-偏壓試驗；受力性能

0 引言

高速公路經(jīng)常穿過丘陵和山區(qū)，為滿足高速公路線路平緩要求，出現(xiàn)了高橋臺。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：8 m以下橋臺的運(yùn)營良好；然而對于8 m以上的橋臺，在臺帽與肋板接觸處、跨中底部、承臺底部及帽頂會出現(xiàn)不同程度的裂隙甚至裂縫，損壞了橋臺的整體性，運(yùn)營的安全行受到威脅。孫治國[1]等人運(yùn)用有限元分析了高原大橋臺的地震破壞機(jī)理；祝志文[2]等人通過數(shù)值模擬橋臺局部沖刷，對橋臺進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；賀薇[3]通過測試橋臺背后填土的水平位移，得出分層鋪設(shè)土工格柵可有效控制橋臺水平位移。目前，國內(nèi)外對橋臺的研究取得了一定成果，但對高橋臺從提高自身偏壓能力方面研究很少[4-～9]。試驗利用CFRP技術(shù)對肋板式橋臺進(jìn)行加固和軸-偏壓試驗，并利用有限元軟件Midas分析其受力性能。

1 工程背景

汕（頭）湛（江）高速公路云浮至湛江段（簡稱“云湛高速”）是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中“第二橫”的重要組成部分，項目將與已有高速公路形成連接云浮、湛江等市便捷通道。項目的建設(shè)完善了廣東省高速公路網(wǎng)布局和區(qū)域綜合運(yùn)輸體系，緩解國、省道交通壓力，推動區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。規(guī)劃如圖1所示。然由于沈海高速要進(jìn)行加寬，在林屋交通樞紐處，設(shè)計線路進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計優(yōu)化如圖2所示。

2 試驗方案

由于設(shè)計變更，在林屋交通樞紐處，距沈海高速最近的10 座橋臺報廢。經(jīng)與中鐵七局集團(tuán)有限公司協(xié)商，將10 座肋板式橋臺用作現(xiàn)場試驗，研究CFRP加固橋臺的力學(xué)性能。

在10 座橋臺中，將其中3 座用CFRP全包加固，并在頂部架設(shè)簡易鋼梁，以便堆載，以砂袋方式進(jìn)行堆載，直到荷載設(shè)計值的30％，作為預(yù)載值進(jìn)行加載，其后進(jìn)行軸-偏壓試驗。試驗方案如表1所示，試驗過程如圖3～5所示。

圖1 云湛高速公路規(guī)劃圖

圖2 林屋交通樞紐優(yōu)化線路圖

表1 試驗方案

圖3 橋臺制作

圖4 在CFRP加固表面粘貼應(yīng)變片

圖5 板式橋臺加載

按原設(shè)計，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用跨徑40 m[10]的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁[11]，橋面單幅寬12.75 m，雙車道，荷載為公路―I級，上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土。橋斷面由6 片T梁組成，為了使各片T梁相互聯(lián)系，兩片T梁之間添加0.3（H）×2.5（B）m橫向虛梁。下部結(jié)構(gòu)為肋板式橋臺，肋板橋臺高分別選取8、10、12和14 m，基礎(chǔ)采用8 根端承樁，橋臺的肋板上部由臺帽連接背墻和耳墻。肋板橋臺各部件尺寸如表2所示。橋臺三維效果如圖6所示。進(jìn)行偏壓試驗，同時考慮各種外界因素考慮。

表2 不同高度橋臺各部位的具體尺寸

圖6 肋板結(jié)構(gòu)圖

3 不同橋臺高度下橋臺各部位的土壓力計算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》條文說明第

4.2.3條規(guī)定為[12]：

式中：ΣG為B×l0面積內(nèi)車輪總重力；l0為填土棱體破壞長度，l0=H×tanθ（m）；B為橋臺橫寬（m）；θ為破裂面與垂直線間夾角。

式中：α為橋臺與垂直面夾角，α=0；δ為填土與臺背面的摩擦角，一般為15°；φ、γ為土內(nèi)摩擦角及容重。

土壓力系數(shù)按規(guī)范4.2.3條：

式⑷中：β是填土面與水平面夾角，β = 0。

臺帽背墻的土壓力為：

力劈臺帽背墻的土壓力對臺身頂?shù)膹澗貫椋?/p>

計算上部結(jié)構(gòu)時按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》4.3.6條規(guī)定，計算汽車制動對40 m跨徑橋梁產(chǎn)生的荷載。

不同橋臺高度各部位土壓力計算如表3所示。

4 CFRP高橋臺軸-偏壓有限元分析

利用Midas/Civil對跨徑為40 m橋梁分別在軸壓、偏壓下對CFRP加固橋臺及上部橋梁建模分析

[13～15]，添加溫度荷載、行人荷載、混凝土收縮應(yīng)力的影響。對CFRP加固橋臺頂部沿道路縱向間隔0.4 m和縱向?qū)挾? m進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對CFRP進(jìn)行建模（不考慮粘結(jié)劑的厚度）。三維模型如圖7～9所示。

4.1 不同橋臺高度對橋臺中載作用下受力特性分析

運(yùn)用Midas/Civil模擬CFRP加固橋臺軸壓力學(xué)性能試驗，將橋臺上部等效荷載加載在支座墊石上。橋臺主要承受切線方向土壓力、上部荷載及CFRP的套箍力，沿橋線路切線方向設(shè)為Y方向，橫橋向為X、垂直橋面為Z方向。在靜荷載作用下對不同高度的肋板橋臺進(jìn)行線性分析，計算云圖如圖10～16所示。

表3 不同臺高時橋臺各個部位的土壓力

圖7 T梁的梁格模型

圖8 T梁橋三維效果

圖9 肋板模型圖

圖10 順橋向橋臺的位移(DY)

圖11 橫向軸應(yīng)力(SXX)

圖12 順向軸應(yīng)力(SYY)

圖13 垂直軸應(yīng)力(SZZ)

圖14 最大拉應(yīng)力(P1)

圖15 CFRP局部應(yīng)力分布圖

為了簡化分析肋板橋臺受力數(shù)值模擬結(jié)果，重點(diǎn)選取承臺、地面、臺身頂面、臺身、臺身中點(diǎn)、臺帽中點(diǎn)以及邊緣節(jié)點(diǎn)，對關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行位移應(yīng)力分析，總計22 個關(guān)鍵節(jié)，節(jié)點(diǎn)位置見圖17。DY為肋板橋臺順切線位移、SXX為橫向軸應(yīng)力、SYY為順向軸應(yīng)力、SZZ為垂直軸向應(yīng)力、P1為最大主拉應(yīng)力。

4.2 軸壓參數(shù)分析

4.2.1 同肋板橋臺高度在中心荷載作用DY位移分析

比較不同肋板橋臺高度在中心荷載作用下，各處橋臺DY變化曲線。得出盡管橋臺高度不同，但DY最大值都發(fā)生在肋板橋臺臺帽處，且最大值均為超過規(guī)范規(guī)定的3.16 cm。不同高度的肋板橋臺，其DY都是由其頂部到底部逐漸變小。結(jié)合云圖分析，得出隨著肋板橋臺高度的增加肋板底部的DY逐漸增大（見圖18）。

4.2.2 不同肋板橋臺高度在中心荷載作用下P1分析

隨著橋臺高度的變化，在相同節(jié)點(diǎn)處P1變化不顯著。但在肋板頂部和臺帽底部內(nèi)側(cè)，變化較為突出，在肋板頂部14 m高橋臺P1＞8 m高橋臺的主應(yīng)力。P1達(dá)1.75 N/mm2，且臺帽跨中出現(xiàn)的P1＜C30混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（見圖19）。

4.2.3 不同肋板橋臺高度在中心荷載作用下軸向分析

由圖20分析SXX曲線可得出：不同高度橋臺巖X方向最大SXX均發(fā)生在臺帽跨中底部與肋板頂接觸的臺帽頂部，當(dāng)橋臺高度為10 m時最大SXX為1.78 MPa，最大SXX發(fā)生在橋臺高度為14 m的臺帽與肋板頂部外側(cè)接觸面處，最大值為2.5 MPa。由以上分析可知，在對高橋臺設(shè)計時應(yīng)加強(qiáng)肋板頂部外側(cè)配筋，以提高肋板承載了。

圖16 CFRP整體應(yīng)力分布圖

圖17 研究節(jié)點(diǎn)示意圖

圖18 中心荷載作用同肋板橋臺高度DY位移曲線圖

圖19 不同肋板橋臺高度在中心荷載作用下P1曲線圖

圖20 不同肋板橋臺高度在中心荷載作用下SXX分析圖

由圖21分析SYY曲線得出：橋臺高度不同橋臺各部位SYY不同，但其最大值均發(fā)生在承臺底部順橋向兩個樁基礎(chǔ)之間；而SYY并非完全隨橋臺高度的增加而增加，橋臺高度為10 m是最大其值為2.31 MPa，而橋臺高度為14 m時SYY為1.97 MPa；而在肋板底部與承臺接觸處，內(nèi)側(cè)隨橋臺高度變化顯著，橋臺越高其內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力越大。

由圖22分析SZZ曲線可知：不同高度橋臺的承臺到臺帽均處于受壓狀態(tài)，且承臺跨中區(qū)域各節(jié)點(diǎn)處壓力隨橋臺高度變化影響不大；臺帽跨中部位SZZ較大，橋臺高度14和8 m臺帽跨中SZZ＞12和10 m高度跨中SZZ。

圖21 不同肋板橋臺高度在中心荷載作用下SYY分析圖

圖22 不同肋板橋臺高度在中心荷載作用下SZZ分析圖

圖23 偏載作用下節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)力變化DY曲線圖

圖24 偏載作用下節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)力變化SXX曲線圖

圖25 偏載作用下節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)力變化SYY曲線圖

4.3 不同橋臺高度對橋臺偏載作用下受力特性分析

由圖23中DY曲線分析可得：當(dāng)不同高度肋板橋臺承受偏載作用時，肋板橋臺DY最大并均發(fā)生在肋板與臺帽接觸處的內(nèi)側(cè)和臺帽外邊緣處；相比中載作用下的DY變化，偏載時時順橋DY沿偏載側(cè)增大，其DY增大幅度不顯著；當(dāng)橋臺承受偏載時對肋板底部DY影響不大；比較橋臺高度為8、10、12和14 m，在偏載作用下最大位移變化曲線高度為8 m時順橋向DY最大為5.036 mm，14 m高橋臺DY最小為3.518 mm。

由圖24中SXX曲線分析得出：8、10、12和14 m橋臺橫橋向最大軸應(yīng)力拉應(yīng)力最大值，均發(fā)生在肋板與臺帽跨中底部的接觸處，分別為2.58、3.35、2.43和2.46 MPa，因此在設(shè)計高度不同的橋臺時，10 m橋臺臺帽處相比其他高度橋臺應(yīng)加強(qiáng)受力鋼筋的配置，橋臺其他部位的應(yīng)力值遠(yuǎn)＜C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，且大多部位均為受壓狀態(tài)，因此在高橋臺設(shè)計時僅需要配置適當(dāng)構(gòu)造筋。

由圖25中SYY曲線分析得出：在橋臺承受偏載作用下，不同橋臺高度順橋向軸向應(yīng)力最大值均在承臺底部順橋向的兩個樁基礎(chǔ)之間，且8、10、12和14 m高度肋板橋臺的最大軸向拉應(yīng)力分別為1.96、2.36、1.93和2.29 MPa；相比中載作用下SYY順橋向軸力，偏載作用時橋臺各部位順橋向軸向應(yīng)力有一定增加，并且在肋板橋臺外側(cè)軸向應(yīng)力增加顯著，說明8 m及以上橋臺在受偏載時對其橋臺的順橋向拉應(yīng)力影響較大。

在比較分析不同高度橋臺在受偏載時，由圖26中SZZ曲線得出：垂直于橋面軸向應(yīng)力，在承臺、臺帽和背墻底部局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，由于混凝土抗拉強(qiáng)度較小因此兩肋板均處于受壓狀態(tài)，8、10、12和14 m高度橋臺最大壓應(yīng)力分別為9.90、9.44、9.93和9.45 MPa。

由圖27中P1曲線分析得出：分析偏載時作用下不同高度橋臺最大主應(yīng)力變化曲線圖，其最大值出現(xiàn)橋臺臺帽底部中間、肋板頂接觸的臺帽頂部、背墻底部和承臺底部等位置，且8、10、12和 14 m各最大主應(yīng)力分別為2.74、2.86、2.84和2.92 MPa且各處最大主應(yīng)力均＞C30混凝土2.01 MPa的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值。

圖26 偏載作用下節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)力變化SZZ曲線圖

圖27 偏載作用下節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)力變化P1曲線圖

5 結(jié)論

通過對云湛高速林屋樞紐工程中不同高度橋臺采用CFRP加固后，進(jìn)行軸壓和偏壓試驗，并利用有限元軟件Midas模擬CFRP加固橋臺中載和偏載的受力性能，得出以下結(jié)論：

⑴ 通過軸-偏壓試驗，充分說明CFRP能夠有效提高橋臺的承載力和穩(wěn)定性；通過有限元軟件模擬后發(fā)現(xiàn)：橋臺高度相同時，中載和偏載對臺帽DY位移影響不大；作用荷載不變時，隨橋臺增高臺帽DY位移逐漸減小且各特征節(jié)點(diǎn)處位移均＜0.5√L。

⑵ 根據(jù)橋臺應(yīng)力云圖可得出：跨徑40 m的橋梁在中載和偏載作用下，隨著臺高的增大，CFRP的應(yīng)力逐漸增加，速度呈增加趨勢；而對于臺帽，SXX應(yīng)力以3％的增幅增大。

⑶ 在CFRP加固肋板P1應(yīng)力均發(fā)生在靠近橋跨方向與樁基接觸的正上方，且隨橋臺高度的增大而增大；P1應(yīng)力隨肋板厚度的增加其值有所減小。

[1] 孫治國, 王東升, 張蓓, 等. 高原大橋橋臺地震破壞機(jī)理與抗震措施分析[J]. 地震工程與工程振動, 2012, 32(4): 79-87.

[2] 祝志文, 喻鵬, 劉震卿. 橋臺局部沖刷形態(tài)的CFD動態(tài)仿真[J]. 土木工程學(xué)報, 2014, 47(3): 103-111.

[3] 賀薇, 王保田. 肋板式橋臺填土期間的土壓力和橋臺位移的現(xiàn)場試驗研究[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù), 2017, 4(6): 32-35.

[4] 謝和平, 臺佳佳, 鄧建輝, 等. 虹口高原大橋的破壞機(jī)制分析[J]. 四川大學(xué)學(xué)報: 工程科學(xué)版, 2009, 41(3): 51-55.

[5] 魏標(biāo), 于向東, 戴公連, 等. 橋臺支座布置方式對連續(xù)梁橋地震反應(yīng)的影響[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 41(1): 117-121.

[6] 蔣順強(qiáng), 陶濤, 秦長國, 等. 路基填筑和碾壓對橋臺土壓力分布的影響研究[J]. 中外公路, 2015, 35(2): 33-37.

[7] 劉坤, 陳幼佳, 章敏. 地震條件下橋臺主動土壓力的合理簡化計算方法[J]. 太原理工大學(xué)學(xué)報, 2016, 47(2): 249-258.

[8] 廖顯東. 高填土路堤對橋臺樁基作用研究[D]. 上海:同濟(jì)大學(xué), 2007.

[9] 胡娟. U形橋臺數(shù)值分析與開裂機(jī)理研究[D]. 重慶:重慶交通大學(xué), 2004.

[10] 趙香玲. 橋臺高度和橋梁跨徑對肋板式橋臺受力的影響[D]. 西安: 長安大學(xué), 2014.

[11] 中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司. JTG D63–2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[12] 交通部委員會. 公路橋梁通用圖(裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋部構(gòu)造跨徑40 m)編號5-3[M]. 北京: 人民交通出版社, 2008.

[13] 何棟. 整澆裝配式橋臺設(shè)計方案及有限元分析[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué)，2011

[14] 劉健, 劉人太, 張霄, 等. 水泥漿液裂隙注漿擴(kuò)散規(guī)律模型試驗與數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012, 31(12): 2 445-2 452.

[15] 楊奇, 冷伍明, 鄧宗偉, 等. 橋臺地基附加豎向壓應(yīng)力通用計算公式[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(3): 833-837.

The inf uence analysis of the different abutment height on the ribbed plate-type abutment stress characteristics

ZHAO Xiang-ling1, ZHANG Xiao-qiang2, WEI Qiang3
( 1. Shaanxi Railway Institute, Weinan Shaanxi 714000 China; 2. School of civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044 China; 3. The qinghai-tibet railway company, Qinghai Xining 810000 China )

Research on axis-eccentrically compression of the CFRP reinforce different ribbed-plate type abutment for studying the reinforcement effect of the carbon fiber reinforced polymer(CFRP) to different abutment further. The axis-eccentrically compression is conducted with CFRP to reinforce 8 m, 10 m and 12 m, 14 m ribbed-plate abutment. The experimental results showed that: By observing abutment cracks, the height is sensitive for the CFRP reinforced abutment stress; Under the influence of the load and partial load of car, the crowd load and temperature load, creep and shrinkage of concrete, the loading is unchanged, the cap displacement along the bridge decreases with the reinforced abutment height increase, the lateral stress increase with 3％. The finite element software Midas is used to simulation, and it is good agreement with experimental results.

CFRP; rib-plate-shaped bridgeabutment; uniaxia-bias test; FIM Midas

U443.21; TQ327.3

: A

: 1007-9815（2016）03-0026-08

定稿日期: 2016-05-12

陜西省渭南市科研發(fā)展計劃項目（2015KYJ-3-2）

趙香玲（1988-），女，陜西西安人，助教，碩士，主要從事橋梁與隧道方面研究，(電子信箱)624602536@qq. com。