基于玄武巖纖維布的在役簡(jiǎn)支板橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究

李紅鴿， 李冰川， 張瀚譽(yù)， 李 勇

(1.石家莊市道橋設(shè)施管護(hù)中心橋涵管理所，河北 石家莊 050000；2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043)

簡(jiǎn)支板橋由于建筑高度小、造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)城市和公路橋梁中得到了普遍應(yīng)用；但部分簡(jiǎn)支板橋受到使用荷載、環(huán)境以及結(jié)構(gòu)本身缺陷等因素的影響，出現(xiàn)使用性能衰退、承載能力和耐久性降低等問(wèn)題。為了保證橋梁安全，提高橋梁的耐久性，需要對(duì)此類(lèi)橋梁進(jìn)行提升加固。在橋梁加固措施中，粘貼復(fù)合纖維材料加固技術(shù)不僅能提高結(jié)構(gòu)承載力抗拉強(qiáng)度和耐久性，而且其施工便捷、工期短、幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重，在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]，但目前對(duì)橋梁粘貼BFRP布加固技術(shù)的研究多處于試驗(yàn)研究階段，實(shí)橋加固案例較少[4-5]。

基于此，本文以一座經(jīng)BFRP布加固的在役簡(jiǎn)支板橋?yàn)楣こ桃劳?，?duì)加固前后的橋梁開(kāi)展靜載試驗(yàn)、環(huán)境激勵(lì)試驗(yàn)和無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)，分析橋梁強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力響應(yīng)等技術(shù)指標(biāo)，評(píng)價(jià)橋梁的承載能力及BFRP布的加固提升效果。

1 工程概況

匯新橋(7+8+7)m為在役簡(jiǎn)支板橋，橋?qū)?2 m，橋梁縱坡為0.5%，橋面橫坡為雙向1.0%。每跨由12片矩形鋼筋混凝土預(yù)制板組成。每片板寬0.99 m，板厚0.36 m。橋面鋪裝分為兩層，上層為3 cm厚的瀝青混凝土，下層為10 cm厚的水泥混凝土，全橋整體現(xiàn)澆。

該橋自1998年建成使用至今，使用時(shí)間較長(zhǎng)，存在混凝土剝落露筋、鋼筋銹蝕等病害，且跨越河道，在洪水發(fā)生時(shí)會(huì)出現(xiàn)水位高于板底造成板底浸泡的現(xiàn)象。為隔絕水汽，改善橋梁的耐久性，兼顧提高橋梁的承載能力，同時(shí)研究BFRP布的加固效果，擬采用板底滿鋪4層BFRP布的方法對(duì)橋梁第1孔進(jìn)行加固。

2 橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)

2.1 測(cè)試方法

靜載試驗(yàn)采用汽車(chē)荷載加載的方法，按最大試驗(yàn)荷載進(jìn)行分級(jí)加載，測(cè)試該橋梁控制截面在各級(jí)荷載作用下的應(yīng)變和變形情況。

動(dòng)載試驗(yàn)利用單輛車(chē)以不同速度通過(guò)橋梁進(jìn)行無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)，測(cè)試橋梁加固前后的沖擊系數(shù)、動(dòng)撓度、動(dòng)應(yīng)變、豎向速度及豎向加速度等動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)，同時(shí)采用環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)法測(cè)量橋梁加固前后的自振頻率。

2.2 試驗(yàn)荷載布置及試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)荷載按控制內(nèi)力、應(yīng)力或變位等效原則確定，其要求靜力荷載試驗(yàn)效率宜介于0.95～1.05之間。利用有限元軟件，采用梁格法建立橋梁邊跨的有限元模型，并考慮橋面鋪裝的影響，設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)車(chē)道荷載，考慮沖擊系數(shù)，橋梁邊跨有限元模型如圖1所示。由有限元模型計(jì)算可知，按偏載布置車(chē)道時(shí)，最不利工況為兩車(chē)道布載。

圖1 橋梁邊跨的有限元模型

試驗(yàn)荷載依據(jù)等效設(shè)計(jì)原則，采用2輛車(chē)、在靠近人行道的2個(gè)車(chē)道加載。試驗(yàn)加載車(chē)輛信息如表1所示，加載車(chē)輛布置位置如圖2所示。

表1 加載車(chē)輛信息

圖2 加載車(chē)輛布置(單位：cm)

靜動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試第1孔，橋梁加固前后測(cè)試工況一致。試驗(yàn)共分為6個(gè)工況：其中靜載2個(gè)工況，加載車(chē)輛1輛、2輛；動(dòng)載4個(gè)工況，行車(chē)速度10、20、30、40 km/h。每種工況循環(huán)2次，測(cè)試結(jié)果以2次測(cè)量結(jié)果的平均值為準(zhǔn)，此次靜動(dòng)載試驗(yàn)的控制截面為第1孔跨中截面。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

為對(duì)比加固前后橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能，測(cè)點(diǎn)布置位置在加固前后保持一致。該橋?yàn)樵谝燮胀ㄤ摻罨炷梁?jiǎn)支板橋，故應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在跨中截面底板鋼筋上，同時(shí)為盡量減少試驗(yàn)對(duì)梁體結(jié)構(gòu)的破壞，選擇受力最大的3片梁布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，每片梁布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)；跨中位置布置5個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。圖3為靜態(tài)測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖3 跨中截面靜態(tài)測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試孔跨為該橋第1孔，加固前后橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試采用環(huán)境激勵(lì)法，在橋梁跨中位置布置拾振器。其他動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)利用無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)測(cè)定，動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 靜載試驗(yàn)

3.1.1 撓度分析

在靜載試驗(yàn)中，逐級(jí)施加試驗(yàn)荷載，得到橋梁加固前后不同試驗(yàn)工況下的跨中處測(cè)點(diǎn)撓度變化情況，如圖5所示。由圖5可知，在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，橋梁經(jīng)BFRP布加固后的撓度實(shí)測(cè)值均小于加固前的撓度實(shí)測(cè)值，其跨中截面實(shí)測(cè)撓度較加固前減少了約8%～14%。從試驗(yàn)結(jié)果可得，粘貼BFRP布可以提高橋梁的剛度，提高橋梁的抗沖擊能力。

圖5 靜載試驗(yàn)跨中實(shí)測(cè)撓度

3.1.2 鋼筋應(yīng)力分析

根據(jù)靜載試驗(yàn)中各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的反饋情況，得到橋梁加固前后跨中底板鋼筋的應(yīng)力增量情況，如圖6所示。由圖6可得，在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，經(jīng)BFRP布加固的橋梁，其跨中底板鋼筋應(yīng)力增量較加固前減少了約7%～31%，而且應(yīng)力減少幅度與外部荷載有關(guān)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，BFRP布改善了橋梁的應(yīng)力分布，提高了橋梁的承載能力。

圖6 靜載試驗(yàn)跨中實(shí)測(cè)底板鋼筋應(yīng)力增量

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)

一輛載重汽車(chē)分別以10、20、30、40 km/h的車(chē)速勻速通過(guò)橋跨，使結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)，測(cè)得橋梁動(dòng)力響應(yīng)與行車(chē)速度之間的關(guān)系，如圖7所示。

由圖7可以看出，經(jīng)BFRP布加固橋梁的動(dòng)撓度幅值、動(dòng)應(yīng)變幅值及豎向振動(dòng)速度較未加固橋均有一定幅度的降低，而且其隨行車(chē)速度進(jìn)行平穩(wěn)變化，沒(méi)有出現(xiàn)急速的上升或下降。加固橋的豎向振動(dòng)加速度在一定行車(chē)速度范圍內(nèi)比原橋低，其他速度范圍內(nèi)有所升高。動(dòng)撓度及動(dòng)應(yīng)變的沖擊系數(shù)與行車(chē)速度有關(guān)，行車(chē)速度較低時(shí)加固橋沖擊系數(shù)較原橋有所提高，但都低于0.2的設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)，表明橋梁的平整度較好；而且隨著行車(chē)速度的提高，加固梁的沖擊系數(shù)會(huì)出現(xiàn)小于原橋的現(xiàn)象。綜上所述，粘貼BFRP布對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)有一定的影響，在以后的橋梁加固中要考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用的影響。

圖7 動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)測(cè)動(dòng)力響應(yīng)

3.3 環(huán)境激勵(lì)試驗(yàn)

在橋梁無(wú)交通荷載及橋址附近無(wú)規(guī)則振動(dòng)源的情況下，利用高靈敏度動(dòng)力測(cè)試儀測(cè)定橋梁因風(fēng)、大地、水等隨機(jī)荷載激勵(lì)而產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)，測(cè)得橋梁加固的自振頻率。橋梁加固前后的自振頻率測(cè)試波形自譜分析見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 加固前自振頻率自譜分析

圖9 加固后自振頻率自譜分析

原橋的豎向一階自振頻率為18.16 Hz，經(jīng)BFRP布加固后的橋梁豎向一階自振頻率為20.70 Hz。橋梁經(jīng)BFRP布加固后其自振頻率變大，表明加固橋梁的結(jié)構(gòu)整體剛度大于原橋的剛度，有較強(qiáng)的抗沖擊能力。

4 結(jié)論

(1)由靜載試驗(yàn)可以得出，經(jīng)BFRP加固后的橋梁在荷載作用下的撓度與鋼筋應(yīng)力較原橋有所降低，表明BFRP布可以提高橋梁的剛度，進(jìn)而提高橋梁的承載能力。

(2)從環(huán)境激勵(lì)試驗(yàn)中可以看出，加固后的橋梁實(shí)測(cè)自振頻率高于原橋，表明加固橋梁的整體剛度較大，為結(jié)構(gòu)的剛度提供一定的安全儲(chǔ)備。

(3)從無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，BFRP布降低了動(dòng)撓度幅值、動(dòng)應(yīng)變幅值及豎向振動(dòng)速度，各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值與行車(chē)速度有關(guān)，且隨行車(chē)速度進(jìn)行平穩(wěn)變化，沒(méi)有出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。