CFRP布加固鋼箱梁的疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究*

蘇　林，陳雄飛，楊朝輝，于超凡，張　劍，艾　軍

(1.江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.浙江交工高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州 310019；3.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

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CFRP布加固鋼箱梁的疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究*

蘇林1，陳雄飛1，楊朝輝2，于超凡3，張劍3，艾軍3

(1.江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.浙江交工高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州 310019；3.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

摘要：鋼箱梁長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后，不可避免地出現(xiàn)疲勞裂紋，疲勞裂紋出現(xiàn)后使得鋼箱梁運(yùn)營(yíng)具有一定的安全隱患。鋼箱梁疲勞裂紋處治包括補(bǔ)焊法、鉆孔法和CFRP布加固法等，其中CFRP布加固法充分利用了復(fù)合材料的優(yōu)越性，是一種較為有效的加固方法。根據(jù)某節(jié)段式鋼箱梁構(gòu)件，選擇了CFRP布加固材料，確定了CFRP布加固的5個(gè)步驟(表面處理、配膠、涂膠、粘貼CFRP布及錨固)，并設(shè)計(jì)了疲勞加固試驗(yàn)的裝置和加載方案。通過(guò)對(duì)加固構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，可研究加固構(gòu)件的疲勞性能，驗(yàn)證加固構(gòu)件的加固效果，并對(duì)疲勞損傷演化過(guò)程進(jìn)行理論分析。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁；疲勞；碳纖維布；加固

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始發(fā)展鋼箱梁橋梁結(jié)構(gòu)，目前建成的大跨徑鋼箱梁橋已超過(guò)20座，但隨著橋梁服役時(shí)間的增長(zhǎng)，加之有些地區(qū)的氣候條件惡劣、交通量的迅速增長(zhǎng)和重載和超載車(chē)輛增加等因素，車(chē)輛對(duì)橋梁構(gòu)件的沖擊力增加、應(yīng)力超限和疲勞工作的影響都越來(lái)越大[1]；因此，作為道路橋梁的承受荷載和應(yīng)力最大構(gòu)件之一的橋面板與鋪裝層、伸縮縫一起，都直接承受汽車(chē)車(chē)輪荷載的作用，應(yīng)力集中顯著，也導(dǎo)致鋼橋面鋪裝及橋面板本身出現(xiàn)破壞在實(shí)際工程中時(shí)有發(fā)生[2]。國(guó)內(nèi)已建的江陰長(zhǎng)江大橋、海滄大橋和虎門(mén)大橋主梁均采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)運(yùn)行后，目前鋼箱梁(含橋面板系)均出現(xiàn)了不同程度的疲勞損傷、裂縫病害，甚至破壞，致使許多橋梁的承載能力大大降低，不得不采取限重、限速等通行措施，同時(shí)其使用壽命也大大縮短。

因此，及時(shí)地針對(duì)此類(lèi)鋼箱梁橋病害進(jìn)行維修加固是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題[3]。本文設(shè)計(jì)CFRP布加固鋼箱梁疲勞試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)加固構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，可研究加固構(gòu)件的疲勞性能，驗(yàn)證加固構(gòu)件的加固效果[4]，對(duì)疲勞損傷演化過(guò)程進(jìn)行理論分析，不僅具有較高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，也有突出的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。

1鋼箱梁構(gòu)件

鋼箱梁頂板尺寸為900 mm×240 mm×14 mm；縱肋U形槽上口長(zhǎng)為300 mm，底長(zhǎng)為170 mm，其厚度為8 mm，詳細(xì)試件尺寸數(shù)據(jù)如圖1所示。其中，試件所用鋼材為Q345C鋼。U肋與頂板為坡口熔透焊(單側(cè)焊縫)，焊縫有效高度為7 mm，單邊V形焊縫，熔深大于U肋板厚的0.8倍，小于U肋板厚的0.85倍。

圖1　試件尺寸

2鋼箱梁計(jì)算模型和數(shù)據(jù)分析

采用上海悍馬建筑有限公司所生產(chǎn)的碳纖維布，其力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1　碳纖維力學(xué)性能指標(biāo)

3鋼箱梁加固設(shè)計(jì)

采用CFRP纖維材料對(duì)損傷后試件進(jìn)行加固，選用環(huán)氧樹(shù)脂作為CFRP布和鋼箱梁之間的粘結(jié)材料。CFRP布選擇整體式單層雙面浸漬加固，同時(shí)考慮實(shí)際正交異性板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工程實(shí)際情況，應(yīng)在近焊縫進(jìn)行錨固以避免纖維布脫離。依據(jù)支座布設(shè)條件，錨固用夾具距焊趾邊緣40 mm，其實(shí)物圖如圖2所示。

圖2　CFRP布加固布置圖

CFRP加固基本環(huán)節(jié)包含表面處理、配膠、涂膠、粘貼CFRP布及錨固等5個(gè)部分。具體步驟如下。

1)表面處理。鋼結(jié)構(gòu)表面處理需先用角磨機(jī)除去試件表面的銹與涂層后，用干布擦去打磨殘留物，最后用丙酮清洗需要粘貼CFRP布的表面區(qū)域。CFRP表面處理則需用干凈的布將其表面灰塵擦凈。若表面沾有油污，則應(yīng)用脫脂棉浸蘸丙酮等進(jìn)行擦洗。

2)配膠。按環(huán)氧樹(shù)脂使用說(shuō)明所要求的質(zhì)量比(1∶1)將浸漬膠和浸漬膠固化劑配在一起，并混合拌勻。

3)涂膠。將配好的膠均勻地涂抹在已經(jīng)處理好的鋼構(gòu)表面，在粘貼區(qū)域的中部涂多些，邊緣略少些。

4)粘貼CFRP布。將CFRP布粘貼于鋼構(gòu)表面。在粘貼CFRP布時(shí)，應(yīng)采用可靠的工具以保證CFRP布表面平整，使得CFRP布與鋼構(gòu)表面之間接觸充分，避免形成空鼓。

5)錨固。為了盡可能避免試驗(yàn)初始時(shí)出現(xiàn)CFRP布脫落破壞，在粘貼CFRP布后，應(yīng)在其兩端和U形肋上加裝錨具，同時(shí)纖維布兩側(cè)末端設(shè)置1道U形箍。

4疲勞加載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試件兩端鉸支，中心部位單點(diǎn)加載，作動(dòng)器與試件頂板之間放置尺寸為300 mm×200 mm的鋼板(含橡膠墊)，用以模擬均布作用的車(chē)輪荷載。荷載作用中心位于試件頂板的中心位置，具體布置情況如圖3所示。

圖3　試件安裝布置圖

1)預(yù)加載階段。對(duì)試件施以一定作用力，其值為極限荷載的20%，循環(huán)加載3次以消除支座、鋼板、橡膠墊與試件之間的空隙，避免產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象。

2)疲勞加載階段。疲勞試驗(yàn)荷載譜參數(shù)應(yīng)依據(jù)各試件設(shè)計(jì)情況設(shè)定，并在循環(huán)作用期間應(yīng)保持荷載上、下限值穩(wěn)定，其誤差波動(dòng)值不應(yīng)超過(guò)最大荷載的±3%?？捎涗浽嚰诟髡麛?shù)萬(wàn)荷載次數(shù)下的應(yīng)變、撓度等數(shù)值。

5結(jié)語(yǔ)

疲勞裂紋的出現(xiàn)使得鋼箱梁運(yùn)營(yíng)存在重大隱患，CFRP布加固法充分利用了復(fù)合材料的優(yōu)越性，是一種較為有效的加固方法。本文根據(jù)節(jié)段式鋼箱梁構(gòu)件，確定了CFRP布加固的5個(gè)步驟，并設(shè)計(jì)了疲勞加載裝置，疲勞試驗(yàn)結(jié)果可供疲勞損傷演化過(guò)程理論分析應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 周太全. 橋梁構(gòu)件局部熱點(diǎn)應(yīng)力分析及其疲勞損傷累積過(guò)程模擬[D]. 南京: 東南大學(xué), 2003.

[2] 李立峰. 正交異性鋼箱梁局部穩(wěn)定分析理論及模型試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2005.

[3] 陶永亮. 新型正交異性鋼橋面板疲勞性能研究與壽命評(píng)估[D]. 廣州: 廣州大學(xué), 2013.

[4] 韋全余，歐世坤，朱金華，等. 預(yù)應(yīng)力混雜CFRP/GFRP纖維布加固橋梁結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用與評(píng)估[J]. 新技術(shù)新工藝，2014(9)：46-51.

* 江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司資助項(xiàng)目(GCJS2014-37)

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013318J19590)

責(zé)任編輯鄭練

The Research of Fatigue Test Design of Steel Box Girder Reinforced with CFRP Sheet

SU Lin1, CHEN Xiongfei1, YANG Chaohui2, YU Chaofan3, ZHANG Jian3, AI Jun3

(1.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd., Nanjing 214521, China; 2.Zhejiang Jiaogong Advace-Grade Highway Maintenance Co., Ltd., Hangzhou 310019, China; 3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract：After a long-term operation of the steel box girder, it inevitably occurs in the appearance of fatigue crack, which may take the operation with a certain security risk. Repairing welding, hole drilling and CFRP reinforcement are the main methods to maintain fatigue crack of the steel box girder. Besides, CFRP reinforcement method makes full use of the advantage of composite materials, and it can be regarded as a more effective maintenance method. According to a segmental steel box girder component, the carbon fiber cloth reinforcement material is selected in five links which contain surface modification, mixed gum, rubber coating, paste CFRP sheets and anchorage, are determined and the devices of fatigue test and the test schemes are designed. Through the fatigue test, it points out the fatigue performance of the strengthened members and the effect of the verified reinforcement, which leads to theoretical analysis of the evolution of fatigue damage.

Key words:steel box girder, fatigue, CFRP sheet, reinforcement

收稿日期：2015-07-12

作者簡(jiǎn)介：蘇林(1970-)，男，高級(jí)工程師，主要從事工程管理等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：U 441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A