新型結(jié)構(gòu)膠加固橋梁的性能研究

徐旭東 李健

摘要：通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了新型纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠加固前后交通荷裁對(duì)鋼筋混凝土橋梁性能的影響。8根橫梁被測(cè)試為失效。其中7根梁用一種代表實(shí)際橋梁所用材料的預(yù)制單向碳纖維層壓板加固。試驗(yàn)變量包括環(huán)氧固化期間施加荷裁循環(huán)的強(qiáng)度和頻率、環(huán)氧層厚度和FRP帶厚度。所有加固試件在最大彎矩區(qū)均發(fā)生FRP脫粘破壞。對(duì)于安裝期間和安裝后應(yīng)用的所有交通荷載方案，未觀察到加固效果降低。采用ACI 440.2R-02設(shè)計(jì)建議，對(duì)失效時(shí)的FRP應(yīng)變和FRP引起的強(qiáng)度增加進(jìn)行了非保守預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)膠;纖維增強(qiáng);橋梁;性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ436+.2;U444

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）09-0025-05

0 引言

作為一個(gè)示范項(xiàng)目，阿拉巴馬州交通部（AL-DOT）與奧本大學(xué)（Auburn University）的研究人員于2001年11月對(duì)阿拉巴馬州馬肯縣（ Macon Coun-ty）的戰(zhàn)爭(zhēng)紀(jì)念橋進(jìn)行了加固，加固材料為纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠（FRP）。Swenson和Bames1描述了1945年建造的鋼筋混凝土橋梁和FRP加固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在安裝FRP之前，制造商建議在加固期間和加固后將橋梁關(guān)閉幾個(gè)小時(shí)，以便環(huán)氧樹(shù)脂固化。這座橋的交通量不大，但可能繞行的路線很長(zhǎng)。因此，奧爾多特的工作人員認(rèn)為，關(guān)閉橋梁的任何時(shí)間都是不可行的，因此，通過(guò)每天將車(chē)輛從FRP裝置正上方的車(chē)道上分流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而且禁止卡車(chē)在在加固內(nèi)梁的日子里上橋。

2 試驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)程序

除了少數(shù)例外，所有梁的測(cè)試程序都是相同的。環(huán)氧樹(shù)脂固化期間，一根梁未加固，兩根FRP加固梁未暴露在交通荷載循環(huán)中。試驗(yàn)變量包括加固期間的循環(huán)荷載強(qiáng)度、環(huán)氧層厚度tb和FRP厚度tf。

因此，在所有8個(gè)樣本的測(cè)試中，混凝土強(qiáng)度將保持大致恒定，測(cè)試延遲至鑄造后llOd。為了模擬實(shí)際使用中的橋梁條件，執(zhí)行了以下步驟：

步驟1：加載試樣以誘發(fā)彎曲開(kāi)裂;

步驟2：施加預(yù)加固工作荷載循環(huán);

步驟3：配制混凝土基層進(jìn)行加固;

步驟4：開(kāi)始FRP安裝的交通荷載循環(huán);

步驟5：在混凝土表面涂環(huán)氧底漆;

步驟6：施涂環(huán)氧粘結(jié)層并將FRP帶粘結(jié)到成員;

步驟7：環(huán)氧樹(shù)脂固化48h交通荷載循環(huán);

步驟8：停止荷載循環(huán)和將應(yīng)變計(jì)連接到FRP;

步驟9：施加加固后工作荷載循環(huán);

以下是對(duì)該程序的詳細(xì)描述。

試件開(kāi)裂（步驟1），為了將彎曲開(kāi)裂分布在每個(gè)試件上，其程度與戰(zhàn)爭(zhēng)紀(jì)念橋相當(dāng)，單調(diào)施加14kip（62kN）荷載，然后移除。該負(fù)載對(duì)應(yīng)于未增強(qiáng)試樣的容量的大約70%。彎曲裂紋的間距約為9英寸（230mm）間隔。正如預(yù)期的那樣，在截面處形成的裂縫與箍筋位置一致。因此，鋼應(yīng)變計(jì)成功地定位在彎曲裂紋處或非常接近彎曲裂紋的位置。

應(yīng)用預(yù)強(qiáng)化工作荷載循環(huán)（步驟2），為了模擬多年的交通暴露，每個(gè)試樣暴露在頻率為1Hz的100000個(gè)正弦波循環(huán)中。選擇循環(huán)量，以在受拉鋼中產(chǎn)生10.6KSl （73MPa）的活載應(yīng)力范圍。根據(jù)戰(zhàn)爭(zhēng)紀(jì)念橋的活載測(cè)試結(jié)果，該應(yīng)力范圍大致對(duì)應(yīng)于法定負(fù)載限制卡車(chē)引起的范圍。為了使鋼筋的應(yīng)力范圍達(dá)到該值，需要施加5.6kip （24.9kN）的荷載。所施加的荷載循環(huán)包括以3.3kip （14.7kN）為中心的正弦波，振幅為2.3kip （10.2kN）。由于戰(zhàn)爭(zhēng)紀(jì)念橋的交通量相對(duì)較低，據(jù)估計(jì)，這種規(guī)模的10萬(wàn)個(gè)周期比該橋10年以上的使用壽命要長(zhǎng)。

混凝土基底表面處理（步驟3），根據(jù)ACI440.2R，局部平面外變化（包括模板線）不得超過(guò)1/32in （lmm）。任何空隙都應(yīng)該用環(huán)氧樹(shù)脂填充，所有的浮渣、灰塵、污垢、油、固化化合物、現(xiàn)有涂層和任何其他可能干擾FRP與混凝土之間的粘結(jié)的因素都應(yīng)該被去除。

由于試樣是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中澆鑄和固化的，因此表面的污染物量很小。用磨石去除梁表面的模板線。在梁B5上，使用與FRP粘結(jié)相同的環(huán)氧樹(shù)脂填充一小塊蜂窩。使用異丙醇去除浮漿和成型油，并用硬毛刷擦洗表面。然后用中和劑重復(fù)此過(guò)程。然后讓表面干燥。

環(huán)氧固化期間的循環(huán)應(yīng)用（步驟4-7），為了研究FRP安裝期間橋梁開(kāi)放交通的影響，在加固和環(huán)氧固化期間，5根試驗(yàn)梁暴露在荷載循環(huán)中。玻璃鋼安裝后，循環(huán)持續(xù)48h。模擬了3種不同等級(jí)的交通周期。描繪了“低”、“中”和“高”的3種周期類(lèi)型的相對(duì)強(qiáng)度和頻率。無(wú)論是否在環(huán)氧樹(shù)脂固化期間經(jīng)受荷載循環(huán)，所有加固試樣的FRP安裝和極限強(qiáng)度試驗(yàn)之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間相同。

選擇“低”強(qiáng)度循環(huán)來(lái)代表戰(zhàn)爭(zhēng)紀(jì)念大橋?qū)嶋H加固操作期間經(jīng)歷的卡車(chē)載荷。由于交通從正在加固的外部大梁上方的車(chē)道轉(zhuǎn)向，因此每個(gè)循環(huán)的峰值強(qiáng)度約為加強(qiáng)前循環(huán)所用強(qiáng)度的一半。該循環(huán)的目標(biāo)是在4.8KSI （33MPa）的鋼張力增強(qiáng)件中引起活載應(yīng)力范圍。盡管出于本研究的目的，此載荷水平表示為“低”，但其特征是環(huán)氧樹(shù)脂一混凝土界面處的應(yīng)變超過(guò)了先前討論的Bames和Mays5混凝土梁樣本的應(yīng)變。每個(gè)加載事件的返回時(shí)間為5min （300s）。

“中等”強(qiáng)度循環(huán)由“低”循環(huán)中的同一波組成，但發(fā)生頻率增加到每分鐘一個(gè)。同樣，每1/5的載荷大約是強(qiáng)度的2倍，并且被選擇為在鋼筋10.6ksi（73MPa）中引起活載應(yīng)力范圍。制定這種裝載方案的目的是代表一系列較輕的車(chē)輛穿插其中，而偶爾的重型車(chē)輛則在戰(zhàn)爭(zhēng)紀(jì)念大橋上行駛，而沒(méi)有采取緩解交通措施。

“高”強(qiáng)度周期是由于“中”周期的頻率增加了20倍。因此，每3s發(fā)生一次低強(qiáng)度事件（4.8KSI），每15s發(fā)生一次大強(qiáng)度事件（10.6KSI）。選擇這種“高”強(qiáng)度負(fù)載模式，每天有5700多次重型卡車(chē)事件和23000多個(gè)輕事件的發(fā)生，被選為假想的橋梁，其交通量很大。

FRP的安裝（步驟5和步驟6），除了兩個(gè)具有較厚粘結(jié)層的試樣之外，F(xiàn)RP增強(qiáng)件均根據(jù)制造商的建議進(jìn)行安裝。FRP安裝過(guò)程的第一步是用作為底漆的飽和環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)梁拱腹進(jìn)行涂覆。這樣做是為了填充混凝土中的小空隙，并為FRP的應(yīng)用提供光滑的表面。使用油漆輥將環(huán)氧樹(shù)脂均勻地涂在混凝土表面上。底漆發(fā)粘后，將使用較厚的粘性涂料環(huán)氧樹(shù)脂將FRP粘結(jié)到混凝土上。首先，使用無(wú)絨抹布清潔FRP試紙，該抹布用甲基乙基酮（MEK）飽和。然后將粘性涂料環(huán)氧樹(shù)脂混合并散布在FRP條和梁表面上。

如前所述，在這項(xiàng)研究中研究的變量之一是粘結(jié)層的厚度。按照FRP制造商的指示安裝了5個(gè)加固梁。為了將環(huán)氧樹(shù)脂涂到FRP上，使用了帶有V形缺口的割膠刀。調(diào)整切口的大小，以便可以將刀拖到FRP板上，留下一定量的具有三角形橫截面的環(huán)氧樹(shù)脂。新鮮的環(huán)氧樹(shù)脂沿FRP的中心線的厚度為0.125英寸（ 3.2mm），沿邊緣的厚度為零。在混凝土表面，使用了帶有多個(gè)V形槽口的抹子。the刀上的槽口深度為0.125英寸（3.2mm）。這樣可以將均勻的環(huán)氧深度施加到混凝土表面。對(duì)于具有較厚粘結(jié)層的樣品，使用相同的步驟，只是在將FRP條帶粘結(jié)到玻璃板上之前，將直徑范圍在0.079-0.091英寸（ 2.0-2.2mm）的玻璃珠撒在環(huán)氧樹(shù)脂中。

如前所述，本研究中研究的變量之一是粘結(jié)層的厚度。5根加固梁按照FRP制造商的指示安裝。為了將環(huán)氧樹(shù)脂涂在玻璃鋼上，使用了帶有v形切口的膠帶刀。v形切口的尺寸是這樣的：刀可以被拖到玻璃鋼帶上，留下一個(gè)三角形截面的環(huán)氧樹(shù)脂體積。新環(huán)氧樹(shù)脂的厚度為0.125英寸（3.2mm）。沿FRP中心線，沿邊緣為零。在混凝土表面，使用多個(gè)v形切口的抹子。泥刀上的缺口是0.125英寸（3.2mm）深。這允許在混凝土表面施加均勻的環(huán)氧樹(shù)脂深度。對(duì)于粘結(jié)層較厚的試樣，除直徑在0.079-0.09 lin范圍內(nèi)的玻璃珠外，采用相同的程序。（ 2.0-2.3mm）在將FRP帶粘結(jié)到梁上之前灑人環(huán)氧樹(shù)脂中。引入這些玻璃珠以確保獲得所需的環(huán)氧樹(shù)脂厚度。

粘結(jié)層環(huán)氧樹(shù)脂變粘后，將FRP帶放置在梁下側(cè)的對(duì)齊標(biāo)記上。用一個(gè)J型輥把鋼帶壓在橫梁上。這樣可以擠出多余的環(huán)氧樹(shù)脂，產(chǎn)生均勻的環(huán)氧樹(shù)脂厚度，并去除所有空隙。然后去除多余的環(huán)氧樹(shù)脂，并用浸透MEK的抹布擦拭FRP外表面。開(kāi)始之前，使用小型彎曲試樣在實(shí)驗(yàn)室條件下確定環(huán)氧樹(shù)脂的必要固化時(shí)間。通過(guò)這些試驗(yàn)，確定環(huán)氧樹(shù)脂在室溫下固化48h后完全有效。因此，梁試件上的環(huán)氧樹(shù)脂可以固化2d。在這48h內(nèi)，5根加固梁暴露在荷載循環(huán)中，2根未暴露在荷載循環(huán)中。

FRP儀器和加固后循環(huán)（步驟8和步驟9），在48h養(yǎng)護(hù)期結(jié)束時(shí)，停止荷載循環(huán)，以便FRP應(yīng)變計(jì)能夠可靠地粘合。此時(shí)梁上保持0.5kip （2.2kN）的恒定荷載。梁在該荷載下保持24h，以便應(yīng)變計(jì)粘合劑固化。除了在FRP帶的每一端緊密隔開(kāi)的地方，應(yīng)變計(jì)直接粘貼在彎曲裂縫下方的FRP上。記錄并比較24h保持期前后的加載循環(huán)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證系統(tǒng)中沒(méi)有明顯的剛度增益。

為了模擬加固后的使用年限，再對(duì)每個(gè)試樣施加20000次荷載循環(huán)。這些循環(huán)的頻率、大小和形狀與用于表示預(yù)應(yīng)力荷載循環(huán)的循環(huán)相同（步驟2）。完成這些循環(huán)后，對(duì)試樣進(jìn)行加載，以確定其行為和極限強(qiáng)度。加載至破壞，以選定的荷載增量單調(diào)加載梁試樣，直到鋼筋屈服;以位移增量進(jìn)一步加載，直到破壞。除了未加固的試件外，荷載增量被用于22kip （97.9kN）的施加荷載，其中鋼筋屈服從荷載一撓度行為中明顯可見(jiàn)。受拉鋼筋屈服時(shí)，跨中位移在0.4-0.5英寸之間（10.2和12.7mm）。受拉鋼筋屈服后，對(duì)加固梁施加荷載，直至跨中位移為0.65和0.9in。分別為16.5和22.9mm。隨后的位移增量導(dǎo)致所有加固梁的失效，原因是每條帶一端的FRP錨固完全喪失。

3 結(jié)果

3.1 未加固試樣的性能

圖1描述了未拉伸試樣和第一系列強(qiáng)化試樣（0.055英寸）的實(shí)測(cè)荷載與跨中位移響應(yīng)。[1.4mm]根據(jù)制造商建議安裝玻璃鋼）。未加固的試件加固不足，韌性很強(qiáng)。液壓執(zhí)行器的全行程已耗盡，但未喪失承載能力。當(dāng)跨中撓度達(dá)到8.82英寸時(shí)，測(cè)試停止。（ 224mm）。實(shí)驗(yàn)彎矩承載力Mn，exp為829kipin。（ 93.7kn-m）被確定為鋼筋應(yīng)變硬化開(kāi)始前梁屈服平臺(tái)對(duì)應(yīng)的總力矩。該方法符合傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐，即在計(jì)算標(biāo)稱彎矩承載力時(shí)忽略應(yīng)變硬化的任何好處。

3.2 FRP加固試件的性能

FRP帶與混凝土梁分離后，所有加固試件均失效。除少數(shù)小區(qū)域外，如圖2所示，剝離后，一薄層表面混凝土仍粘結(jié)在FRP帶上。因此，破壞實(shí)際上發(fā)生在混凝土內(nèi)部，而不是粘結(jié)界面。然而，由于整個(gè)覆蓋層并未與梁分離，本文將這種類(lèi)型的破壞稱為“FRP脫粘”，而不是“覆蓋層分層”。在所有情況下，F(xiàn)RP脫粘都是在一個(gè)荷載點(diǎn)下方開(kāi)始的，并最終傳播到帶材的端部。

每個(gè)系列代表施加荷載特定值下的FRP應(yīng)變，并根據(jù)失效前施加到加固梁上的最大荷載Pmax的分?jǐn)?shù)進(jìn)行標(biāo)記。所有的玻璃鋼應(yīng)變計(jì)都在45英寸以內(nèi)。（ 1140mm）中跨位于具有彎曲裂紋的橫截面處。 對(duì)于試樣B4，鋼應(yīng)變測(cè)量表明，鋼筋在+18英寸處首先屈服。（+460mm）橫截面（在一個(gè)荷載點(diǎn)下），施加的最大荷載為0.89P。中跨部分的鋼材不久就屈服了。一旦鋼在橫截面處屈服，F(xiàn)RP必須抵抗由于施加在該截面上的附加力矩而產(chǎn)生的大部分張力。因此，可以看出，這兩個(gè)截面上的FRP應(yīng)變?cè)谙乱粋€(gè)相對(duì)較小的荷載增量（最大0.95P）下迅速增加。鋼在-18英寸處屈服。（460mm）橫截面（在其他荷載點(diǎn)下方），施加的最大荷載為0.96P。當(dāng)荷載稍有增加時(shí)，該截面的FRP應(yīng)變也開(kāi)始迅速增加。

超過(guò)0.96P最大荷載水平后，隨著荷載增加到0.97P最大值，跨中FRP應(yīng)變開(kāi)始略有減小。在該荷載水平下，試驗(yàn)短暫暫停，對(duì)應(yīng)于0.9英寸的跨中位移（22.9mm）。如圖3所示，局部FRP脫粘可從跨中和荷載點(diǎn)下方的開(kāi)裂部分看到。

隨著荷載從0.97Pmax增加到Pmax，最大彎矩區(qū)FRP應(yīng)變繼續(xù)增大。然而，一旦達(dá)到該峰值荷載，梁的進(jìn)一步位移（約0.10英寸）。[2.5mm]對(duì)于該試樣）導(dǎo)致該區(qū)域的FRP應(yīng)變恒定或減少，同時(shí)向帶材一端延伸的FRP應(yīng)變急劇增加。這表明，一旦局部脫粘長(zhǎng)度在荷載點(diǎn)附近的開(kāi)裂截面之間合并，脫粘迅速擴(kuò)展到FRP的一端。在記錄的最終應(yīng)變后不到0.5s，F(xiàn)RP帶完全脫粘，沿包括整個(gè)最大力矩區(qū)域并延伸到帶材一端的長(zhǎng)度。將FRP錨固破壞對(duì)應(yīng)的總峰值彎矩作為加固試件的試驗(yàn)彎矩承載力。FRP脫粘后，加固試件的性能與未加固試件的性能非常吻合。

3.3 環(huán)氧樹(shù)脂固化期間荷載循環(huán)的影響

測(cè)試了4個(gè)試樣，B1到B4，其FRP厚度為0.055英寸（ 1.4mm）。和環(huán)氧樹(shù)脂厚度，通過(guò)遵循制造商的安裝說(shuō)明實(shí)現(xiàn)。這些試件的設(shè)計(jì)代表了在戰(zhàn)爭(zhēng)紀(jì)念橋上提供的玻璃鋼加固的實(shí)際數(shù)量。這4個(gè)試樣僅在強(qiáng)化過(guò)程中施加的荷載循環(huán)強(qiáng)度方面有所不同。

通過(guò)比較加固期間暴露于荷載循環(huán)的試件（B2 -B4）與未暴露于荷載循環(huán)的加固試件（BI）的性能，很明顯荷載循環(huán)不會(huì)導(dǎo)致FRP加固的有效性降低。相反，與未循環(huán)的試樣相比，低強(qiáng)度和高強(qiáng)度循環(huán)的試樣實(shí)際上稍強(qiáng)（在4%以內(nèi)）。沒(méi)有趨勢(shì)將梁的極限強(qiáng)度與荷載循環(huán)的強(qiáng)度聯(lián)系起來(lái)。同樣，在加固過(guò)程中暴露在循環(huán)中的每個(gè)試樣在破壞時(shí)的FRP應(yīng)變?chǔ)舊e，exp比未循環(huán)的試樣大。低、中、高強(qiáng)度循環(huán)梁的破壞應(yīng)變分別增加了16%、12%和22%。

盡管循環(huán)試件的極限強(qiáng)度并不明顯大于非循環(huán)試件，但循環(huán)試件在破壞前都達(dá)到了較大的撓度。破壞時(shí)撓度增加8-10%。這很可能是由于這3個(gè)試樣的FRP能夠在剝離前的最大力矩區(qū)域承受較大的應(yīng)變。因此，本研究中梁試樣在環(huán)氧固化期間的環(huán)境溫度沒(méi)有顯著差異。實(shí)驗(yàn)室裝有空調(diào)，液壓泵位于一個(gè)單獨(dú)的外殼內(nèi)。因此，循環(huán)試樣強(qiáng)度的輕微增加不能歸因于溫度變化。該系列試驗(yàn)結(jié)果表明，在FRP安裝期間和之后保持戰(zhàn)爭(zhēng)紀(jì)念橋通車(chē)不會(huì)降低加固效果。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果支持以下主要結(jié)論：

1） FRP加固混凝土橋梁，即使在加固過(guò)程中保持通車(chē)狀態(tài)，也能有效地加固;

2）目前ACI 440.2R關(guān)于計(jì)算FRP極限有效應(yīng)變的設(shè)計(jì)建議，導(dǎo)致了對(duì)7根加固梁中的6根梁的承載力增加的非保守預(yù)測(cè)。

盡管這些結(jié)果支持本研究中使用的特定材料的第一個(gè)結(jié)論，但交通荷載可能會(huì)對(duì)其他類(lèi)型的FRP或粘合劑產(chǎn)生不利影響。盡管如此，這些系統(tǒng)中至少有一部分可以在不關(guān)閉橋梁的情況下安裝，這一事實(shí)大大增加了FRP作為加固替代方案的吸引力。需要進(jìn)一步研究，以建立玻璃鋼系統(tǒng)的性能規(guī)范，以確保在這些條件下具有足夠的性能。理想情況下，這樣的性能規(guī)范只需要廉價(jià)、小規(guī)模的材料測(cè)試來(lái)驗(yàn)證合規(guī)性。

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作者簡(jiǎn)介：徐旭東（1974-），男，上海人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：公路工程施工圖設(shè)計(jì)及圖審。