CFRP板加固箱梁橋頂板在瀝青面層施工高溫作用后的疲勞性能

袁 鑫 張繼文 宋守壇

(1.東南大學土木工程學院，南京210096)

(2.江蘇科技大學土木工程與建筑學院，鎮(zhèn)江212003)

碳纖維增強聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)用于結(jié)構(gòu)加固是一項十分有效的技術(shù)［1］.與傳統(tǒng)加固材料相比，CFRP具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕及耐久性、施工便捷等優(yōu)點，受到了工程界日益重視［2-3］.目前已有的研究主要集中在CFRP加固混凝土構(gòu)件的靜力性能方面，而對于結(jié)構(gòu)的動力問題，尤其是對該類加固構(gòu)件疲勞性能的研究還不夠深入和系統(tǒng)，采用纖維增強復合材料(FRP)延長橋梁疲勞壽命的加固技術(shù)是目前國內(nèi)外土木建筑領(lǐng)域的一個前沿課題［4-6］.孟加拉國的Bangabandhu大橋在頻繁的旱災、熱帶氣旋等多種災害氣候影響下，由于表面溫度應力和混凝土收縮徐變導致橋面層縱向開裂，隨著時間的推移，裂縫的數(shù)量、長度和寬度都在不斷擴大.針對大橋的頂板、底板、箱形梁腹板及伸縮縫(鉸鏈部分)的裂縫灌注環(huán)氧樹脂，在橋面橫向粘貼CFRP板約束縱向裂縫的發(fā)展;對橋面進行找平，設(shè)置隔熱和防水層后鋪設(shè)5cm厚的SMA耐磨層.為了研究鋪設(shè)SMA層高溫作用對已粘貼CFRP板的公鐵兩用箱梁橋的疲勞破壞情況和加固效果，本文在室內(nèi)對粘貼CFRP板前后的鋼筋混凝土模擬試驗梁進行高溫環(huán)境下的疲勞模擬對比試驗，考慮了瀝青施工高溫碾壓對膠層黏結(jié)和界面應力的影響，研究了施工瀝青層高溫作用后已加固CFRP板的公鐵兩用箱梁橋頂板的疲勞性能.研究成果將對南亞及熱帶地區(qū)CFRP板加固橋梁的疲勞性能分析和評價具有重要的指導意義.

1 橋梁加固試驗方案

大橋箱梁頂板寬度為18.5 m，4車道.根據(jù)原橋車輛荷載分析，主要受荷區(qū)域可以分為兩側(cè)各4 m寬的負彎矩受拉區(qū)和中間5 m寬的正彎矩受壓區(qū)，CFRP在負彎矩受拉區(qū)加固才能發(fā)揮CFRP的高強抗拉特性.原橋箱梁頂板平均厚度為280 mm，采用試件截面長寬高分別為4 000 mm×650 mm×280 mm的矩形截面梁，模擬大橋箱梁頂板負彎矩受拉區(qū)CFRP板的加固情況.

CFRP板厚和寬為1.4 mm×100 mm.碳纖維板主要性能指標:抗拉強度大于2.3 GPa，拉伸模量大于150 GPa，斷裂伸長率大于1.4%.碳纖維板黏結(jié)膠主要性能指標:抗拉強度大于25 MPa，受拉彈性模量大于2.5 GPa，彎曲強度大于30 MPa，抗壓強度大于70 MPa.試驗板根據(jù)原橋參數(shù)設(shè)計，C45混凝土，受拉、受壓區(qū)鋼筋均為直徑12 mm的HRB400螺紋鋼筋.模擬原橋面加固方案，在試件橫向粘貼碳纖維板，設(shè)置隔熱和防水層后，鋪設(shè)5 cm厚的SMA耐磨層.SMA層攤鋪時最高溫度達到171℃，實測瀝青層攤鋪施工中的溫度見圖1.

2 疲勞試驗

圖1 瀝青面層不同位置溫度隨時間變化曲線

在電液伺服疲勞試驗機上進行疲勞試驗.首先進行未加固板和碳纖維板加固板靜載抗彎承載力計算，然后按理論計算值分10級對板作靜載試驗以確定該組板的極限承載彎矩M.取Mmax=0.527M以確定疲勞荷載上限.對原橋面鋪裝加固試驗梁進行2 ×106次疲勞加載，加載頻率為3 Hz［7］.每一級卸載后量測開裂荷載和極限荷載、裂縫寬度和撓度.疲勞試驗加載裝置如圖2所示.

圖2 疲勞試驗加載裝置

2.1 裂縫開展

在疲勞加載過程中，觀察裂縫的發(fā)生、開展及延伸情況.經(jīng)過預定次數(shù)加載后，停止疲勞荷載，分級加靜載至疲勞荷載上限［8］，在每一級荷載作用下用20倍讀數(shù)顯微鏡觀察裂縫的寬度，梁的疲勞裂縫分布見圖3.由圖可見，加載初期裂縫增加比較快，加載后期裂縫增加相對緩慢，在2×106次疲勞加載后，荷載等級為120 kN時，最大裂縫達到0.3 mm.跨中彎矩較大區(qū)域，裂縫出現(xiàn)較早，在原損傷開裂位置最先開展.由于經(jīng)過高溫作用后受CFRP板的約束，裂縫擴展相對緩慢，而且卸載后裂縫基本閉合，裂縫間距較小，但數(shù)量較多.隨加載荷載和加載次數(shù)的增加，裂縫開展逐漸加大，且初期數(shù)量增加比較快;后期增加比較慢，數(shù)量基本保持穩(wěn)定，經(jīng)過2×106次疲勞荷載后，裂縫基本趨于穩(wěn)定.加固后試驗梁的平均最大裂縫寬度0.3 mm比未加固試驗梁的平均最大裂縫寬度0.346 mm減小了15.2%.試驗梁的正常使用疲勞壽命有一定程度的提高.這是因為CFRP板的抗拉作用約束了混凝土的開裂和裂縫的開展，說明施工瀝青層高溫作用后CFRP板對裂縫開展仍有較好的抑制作用，對梁體的抗裂性能也有較好的改善.

圖3 裂縫開展圖及裂縫-加載次數(shù)曲線

2.2 撓度

在跨中和支座處布置百分表測量梁的變形.在相同疲勞荷載上限作用時，施工瀝青層高溫作用后已加固CFRP板的試驗梁的變形明顯小于未加固CFRP板的試驗梁的變形.

由圖4可見，加載初期撓度增加較快，加載后期撓度增加相對緩慢，施工瀝青高溫作用后已加固CFRP板試驗梁的平均最大撓度在2×106次疲勞加載后荷載等級為120 kN時達到10.83 mm，比未加固實驗梁的平均最大撓度 12.86 mm減小18.7%，剛度增加了23.0%，這表明施工瀝青層高溫作用后CFRP板參與工作，在一定程度上仍舊可以制約混凝土跨中撓度的增長.當疲勞荷載達到2×106次時，跨中截面撓度基本穩(wěn)定，其主要原因是在疲勞加載初期，裂紋發(fā)展較快，而后期裂紋逐漸趨于穩(wěn)定.其次，在疲勞加載初期，混凝土彈性模量減小相對較快，導致梁體跨中截面撓度增長速度相對較快，當疲勞次數(shù)達到一定后，混凝土的彈性模量逐漸趨于相對穩(wěn)定，梁體的跨中截面撓度和剛度也趨于穩(wěn)定.

圖4 撓度-加載次數(shù)曲線

2.3 鋼筋應變

在跨中受拉側(cè)鋼筋粘貼應變片，測量鋼筋應變.鋼筋荷載-應變曲線見圖5(a).由圖可見，加載初期階段鋼筋應變增加相對緩慢，加載后期鋼筋應變增加相對較快.隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，加固梁鋼筋的應變也在增大.由于經(jīng)過施工瀝青層高溫作用后的CFRP板參與受拉，加固梁鋼筋實際承受的疲勞應力幅值較小，因此達到相同的鋼筋應變值時加固梁承受的疲勞荷載次數(shù)要大于未加固梁.卸載回零時，加固梁此時的應變主要是殘余應變，在此荷載作用下，主要由鋼筋承受拉力，碳纖維板還沒有參與受拉.隨著荷載的增大，底部混凝土開裂，梁體發(fā)生較大變形，碳纖維板承受的拉力越來越大，在2×106次疲勞加載后荷載為120 kN時，CFRP板跨中最大應變達到1.599×10－3.

圖5 荷載-材料應變曲線

2.4 梁底混凝土應變

在若干萬次疲勞荷載作用后，混凝土應變呈線性分布，即混凝土梁開裂后雖然經(jīng)多次重復荷載作用，截面平均應變?nèi)苑掀浇孛婕俣?施工瀝青高溫作用后，已加固CFRP板試驗梁的混凝土應變有所減小，經(jīng)過施工瀝青層高溫作用后CFRP板仍可極大地改善受壓區(qū)混凝土的壓力，這對于以混凝土受壓破壞的混凝土結(jié)構(gòu)來說有著很大的意義［9］.

2.5 CFRP 應變

在碳纖維板跨中粘貼應變片，測試不同疲勞加載次數(shù)作用后跨中CFRP板應變隨荷載變化的規(guī)律，梁跨中CFRP平均應變?nèi)鐖D5(b)所示.由圖看出，加固梁的跨中CFRP應變隨荷載的變化曲線接近平行，為一條直線，可見此時碳纖維板處于彈性階段［10］.經(jīng)過施工瀝青層高溫作用后，CFRP板應變隨荷載循環(huán)次數(shù)變化的速率基本相同.這也進一步反映了經(jīng)過施工瀝青層高溫作用后CFRP板仍舊可以保持良好的彈性性能.

3 理論計算分析

CFRP板通過綁定(tie)方式與混凝土板建立相互作用，橫向鋼筋和縱向鋼筋通過嵌入(embed)方式和混凝土板建立相互作用.約束板底中間墊塊的自由度U2，U3，UR1，建立鉸支支座.梁端通過參考點(RP)耦合(coupling)上部加載處的墊塊，分每級10 kN施加豎向荷載.整體加固計算模型如圖6所示.

圖6 有限元加固分析模型

在疲勞荷載作用下，平截面假定仍然成立，梁內(nèi)鋼筋和混凝土的應力遠低于其屈服強度，受壓區(qū)混凝土采用三角形應力分布，計算時可以忽略截面上受拉區(qū)混凝土應力.在彈性理論的基礎(chǔ)上，假定沿膠層厚度黏結(jié)應力為常數(shù)，并考慮了鋼筋混凝土梁剪切變形的影響，設(shè)水平坐標軸x的原點位于膠層中平面端點，黏結(jié)界面正應力σ(x)計算式為

式中，下標符號c，p，a分別指RC梁、粘板和膠層;E，I，G和t分別為彈性模量、慣性矩、剪切模量和厚度;αs為剪切系數(shù);b1為CFRP板長度;s為梁支座至板端的距離;q為單位梁寬上作用的換算均布荷載;αEc和αEp為抗彎剛度系數(shù).隨著疲勞荷載循環(huán)次數(shù)及受壓區(qū)混凝土和受拉區(qū)鋼筋應變的不斷增加，加固梁撓度的上限值和下限值都在增加.靜載抗彎承載力有限元、理論和試驗極限承載力計算結(jié)果見表1.施工瀝青高溫作用后已加固CFRP板試驗梁的靜力極限承載能力比加固前對比梁的靜力極限承載能力提高了24.6%.用解析剛度法求解施工瀝青層高溫作用后已加固CFRP板的試驗梁的疲勞剛度，加固后疲勞剛度理論分析結(jié)果和試驗結(jié)果對比見表2.可以看出，加固后疲勞剛度試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合度較好.

表1 靜力極限承載力計算結(jié)果

表2 加固后疲勞剛度理論結(jié)果和試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1)施工瀝青高溫碾壓作用后，已加固CFRP板試驗梁的靜力極限承載能力比加固前對比梁的靜力極限承載能力提高24.6%，平均最大撓度減小18.7%，剛度增加23.0%.施工瀝青層高溫碾壓作用，CFRP板已加固的試驗梁強度、剛度都比未加固前有明顯提高.

2)經(jīng)過施工瀝青層高溫碾壓階段后，已加固CFRP板的鋼筋混凝土試驗梁滿足2×106次的疲勞加載而未破壞.裂縫初期數(shù)量增加較快，后期增加較慢，裂縫數(shù)量基本保持穩(wěn)定.已加固CFRP板試驗梁的平均最大裂縫寬度比加固前對比梁的平均最大裂縫減小15.2%，經(jīng)過施工瀝青層高溫作用后CFRP板對梁體的抗裂性能仍有較好改善.

3)在梁體受拉區(qū)粘貼CFRP板，施工過程中經(jīng)過SMA高溫碾壓作用，梁體混凝土應變有所減小，說明經(jīng)過施工瀝青層高溫碾壓作用后CFRP板仍可極大地改善受壓區(qū)混凝土的壓力，提高了梁體疲勞加載后的抗彎極限承載能力.

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