北京公科固橋梁技術(shù)有限公司副總經(jīng)理李承昌以“新技術(shù)、新材料濫用”為題談到“碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)功能被夸大”的問題時(shí)指出：碳纖維、不銹鋼絲網(wǎng)雖然強(qiáng)度很高,但截面積很小,構(gòu)件粘貼碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)時(shí), 貼碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)折算為鋼筋的面積并不大,…..增加的抗彎承載能力相對(duì)較小” [
筆者理解李總是從彈性理論允許應(yīng)力法角度分析這一問題的。眾所周知,按彈性理論允許應(yīng)力法計(jì)算橋梁加固構(gòu)件分階段受力概念清晰,其基本原理是[4]：一期荷載（構(gòu)件自重及恒載）由原梁承擔(dān)，截面應(yīng)力（或應(yīng)變）應(yīng)根據(jù)按開裂截面計(jì)算的原梁換算截面幾何特征值，由材料力學(xué)公式計(jì)算；二期荷載（活載）由加固后的組合截面承擔(dān)，截面應(yīng)力（或應(yīng)變）應(yīng)根據(jù)按開裂截面計(jì)算的加固后組合截面的換算截面幾何特征值，由材料力學(xué)公式計(jì)算。最后，將對(duì)應(yīng)的應(yīng)力直接疊加，并控制其小于規(guī)定的容許值。計(jì)算結(jié)果表明, 按彈性理論允許應(yīng)力法計(jì)算橋梁加固構(gòu)件,通常是原梁鋼筋應(yīng)力控制設(shè)計(jì),后加補(bǔ)強(qiáng)材的應(yīng)力很小,一般情況下不控制設(shè)計(jì)。換句話說,后加高度補(bǔ)強(qiáng)材料(碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)等)的高抗拉性能根本無法充分發(fā)揮,對(duì)提高承載力的作用是有限的。
1.3 加深對(duì)橋梁加固構(gòu)件分階受力特點(diǎn)認(rèn)識(shí)和理解是樹立正確設(shè)計(jì)思想的前提[2]、[3]。
橋梁加固構(gòu)件的設(shè)計(jì)必須考慮帶載加固分階受力特點(diǎn)，是橋梁加固設(shè)計(jì)與新建橋梁設(shè)計(jì)的最大區(qū)別，加深對(duì)這一問題的認(rèn)識(shí)和理解是樹立正確設(shè)計(jì)思想的前提。只有了解“橋梁加固構(gòu)件分階受力引起的后加補(bǔ)強(qiáng)材應(yīng)變(應(yīng)力)滯后”的受力特點(diǎn),才能理解“極積推廣預(yù)應(yīng)力主動(dòng)加固設(shè)計(jì)思想” 的真實(shí)含義。
橋梁加固構(gòu)件后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變滯后是影響加固構(gòu)件工作性能、制約后加補(bǔ)強(qiáng)材料利用效率和控制加固工程成本的瓶頸。解決后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后的根本途徑是變被動(dòng)加固為主動(dòng)加固，對(duì)后加補(bǔ)強(qiáng)材料施加預(yù)應(yīng)力，做成預(yù)應(yīng)力加固體系,正截面抗彎加固要加預(yù)應(yīng)力,斜截面抗剪加固更要加預(yù)應(yīng)力�？款A(yù)應(yīng)力的主動(dòng)受力，從根本上解決后加補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)變（應(yīng)力）滯后，提高后加補(bǔ)強(qiáng)材料的利用效益，以最少的成本創(chuàng)造最佳的加固效果。由于預(yù)加力的作用改善了原梁的應(yīng)力狀態(tài)，可以提高原梁的承載力和抗裂性能。
1.4 研究開發(fā)橋梁加固設(shè)計(jì)與計(jì)算軟件是落實(shí)““橋梁加固設(shè)計(jì)應(yīng)考慮分階段受力特點(diǎn)”設(shè)計(jì)原則的當(dāng)務(wù)之急.
“橋梁加固構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮分階段受力特點(diǎn)”是筆者和很多同行專家近幾年反復(fù)宣傳的基本觀點(diǎn)[2]- [3] [4],是編制橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范的基本原則[1]-54頁,其力學(xué)概念清晰,特別是采用弾性理論允許應(yīng)力法設(shè)計(jì)時(shí)是很容易理解的。這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的基本力學(xué)概念問題,為么在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中遲遲不能推廣落實(shí)？筆者百思不解。北京公科固橋技術(shù)有限公司總工程師王國亮在分析“加固設(shè)計(jì)質(zhì)量不高”的原因時(shí)指出: “公路橋梁加固專用設(shè)計(jì)計(jì)算軟件缺乏,橋梁加固的設(shè)計(jì)計(jì)算更為復(fù)雜,不但要根據(jù)橋梁現(xiàn)狀,合理準(zhǔn)硧地模擬出當(dāng)前橋梁的受力狀態(tài),而且要兼顧新加結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的應(yīng)變滯后的計(jì)算,目前尚無專門的橋梁加固設(shè)計(jì)計(jì)算軟件,設(shè)計(jì)單位只能使用新建橋梁設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算,其中的連接、約束、順序等需要人為干預(yù)或調(diào)整,難于做到快速、準(zhǔn)確” 。
“目前尚無專門的橋梁加固設(shè)計(jì)計(jì)算軟件,設(shè)計(jì)單位只能使用新建橋梁設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算”點(diǎn)出了落實(shí)難的關(guān)鍵。因此, 研制開發(fā)考慮分階段受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)損傷影響橋梁加固設(shè)計(jì)與計(jì)算軟件是落實(shí)“橋梁加固設(shè)計(jì)應(yīng)考慮分階段受力特點(diǎn)”設(shè)計(jì)原則的當(dāng)務(wù)之急。
2 橋梁加固誤區(qū)之二---不分加固性質(zhì)盲目亂貼碳纖維
前些年,粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固法在我國曾盛行一時(shí),對(duì)粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固效果也存在兩種完全不同的看法,有人說粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固 “將我國橋梁加固提高到一個(gè)新的臺(tái)階”，有人說是“把我國橋梁加固引入了盲目亂貼碳纖維的加固誤區(qū)” ;有人把它吹捧為“醫(yī)治百病的一貼靈”，有人把它貶低為 “一俊遮百丑的化裝品”。這些看法雖有些偏激，但是如何科學(xué)的評(píng)價(jià)高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固的效果是無法回避的問題。
2.1 粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固效果分析
(1)采用粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料對(duì)鋼筋混凝土受彎構(gòu)件進(jìn)行加固,可有限地提高梁的抗彎和抗剪承載力。但是，必須再次特別強(qiáng)調(diào)指出，從作用原理上講，采用在受拉區(qū)（或受剪薄弱區(qū)段）直接粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維加固的鋼筋混凝土梁屬被動(dòng)加固范疇，極限狀態(tài)下后加補(bǔ)強(qiáng)纖維的應(yīng)力取決于原梁的配筋率。對(duì)于原梁高度較小，配筋率較大的情況，后加補(bǔ)強(qiáng)纖維的高抗拉性能根本無法發(fā)揮作用.。
以目前大量采用的直接粘貼碳纖維布（強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為3350Mpa，彈性模量為2.2×105Mpa）加固的鋼筋混凝土T形梁為例：對(duì)于原梁的配筋率為4.5%（混凝土相對(duì)受壓區(qū)高度 ）的情況，加固設(shè)計(jì)以混凝土壓應(yīng)變達(dá)到極限值控制,極限狀態(tài)下碳纖維的應(yīng)力只有776.6Mpa，此值只相當(dāng)于其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的23%。計(jì)算結(jié)果表明，采用直接粘結(jié)高強(qiáng)纖維復(fù)合材料的被動(dòng)加固方案，由于受分階段受力的影響，后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后，后加補(bǔ)強(qiáng)材料的高抗拉性能是很難發(fā)揮作用，“大馬拉小車”是一種極大的浪費(fèi)。特別是在倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的環(huán)境下，這種盲目的浪費(fèi)是值得我們深思的。
(2)采用粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度提高不大。因此，對(duì)于以控制結(jié)構(gòu)變形為主要的使用功能加固是不適宜的。
(3)后粘貼的高強(qiáng)纖維復(fù)合材料可以制約裂縫的發(fā)展，間接的提高了結(jié)構(gòu)的抗裂能力。后粘貼的含有多層樹脂膠和防護(hù)罩面膠的高強(qiáng)纖維層，可以提高混凝土的抗腐蝕和碳化能力。因此，對(duì)于以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用年限為主要目的耐久性加固，采用粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固還是有一定效果的。但是，應(yīng)該指出:·因此，單純?yōu)榱颂岣吣途眯缘哪康牟捎脙r(jià)格昂貴的碳纖維做粘結(jié)膠層的保護(hù)層的作法是不適宜的。
2.2采用纏繞粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維復(fù)合材料對(duì)軸向受壓構(gòu)件進(jìn)行加固，加固效果顯著，有著廣泛的應(yīng)用前景[3]。
纏繞粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維復(fù)合材料加固,從工作原理上講屬于約束加固,由于高強(qiáng)纖維復(fù)合材料層的約束作用，在縱向力的作用下，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可以較大幅度的提高結(jié)構(gòu)的抗壓承載力,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性, 可明顯的提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，廣泛用于抗震加固。
筆者于2005年開展了纏繞芳綸纖維布短柱試驗(yàn)研究，並對(duì)遭受嚴(yán)重凍害的黑龍江省哈同公路螞蟻河1號(hào)橋的墩柱,采用纏繞芳綸纖維布的方法進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，收到了明顯的加固效果
2.3高強(qiáng)復(fù)合纖維預(yù)應(yīng)力加固的應(yīng)用研究
高強(qiáng)復(fù)合纖維預(yù)應(yīng)力加固法是采用錨固、粘貼在梁體外部（或箱內(nèi)）的高強(qiáng)復(fù)合纖維布條（或板條）對(duì)梁體施加預(yù)加力。這種加固體系目前尚處于試驗(yàn)研究階段，其關(guān)鍵技術(shù)是解決適應(yīng)于橋梁加固現(xiàn)場(chǎng)施工的預(yù)應(yīng)力纖維布條（或板條）的張拉、錨固和張拉后纖維布條（或板條）與被加固梁體的可靠粘結(jié)問題。
筆者參與的深圳海川公司博士后課題《芳綸纖維（AFFP）加固技術(shù)》，研制開發(fā)了錨固芳綸纖維布條的平板式錨具，并修建了試驗(yàn)橋。湖南科技大學(xué)何利雄等[52]對(duì)用于碳纖維布條的楔型變波紋夾片式錨具進(jìn)行試驗(yàn)研究,并用于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁加固。湖南大學(xué)尚守平教授開展了碳纖維預(yù)應(yīng)力加固試驗(yàn)研究，并在湖南省瀏陽市金剛頭橋加固工中應(yīng)用，取得了較好地加固效果。
應(yīng)該指出,高強(qiáng)纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)是材料工業(yè)的一大進(jìn)步，但是這高強(qiáng)材料在土木工程中的應(yīng)用，特別是在加固工程中的合理應(yīng)用還是一個(gè)值得商榷的問題。筆者認(rèn)為分清加固性質(zhì)，明確加固目的，在弄清加固作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地合理應(yīng)用這種新材料是橋梁加固工程應(yīng)解決的現(xiàn)實(shí)問題。
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