徐旭東 李健

摘要：通過室內(nèi)試驗研究了新型纖維增強結(jié)構膠加固前后交通荷裁對鋼筋混凝土橋梁性能的影響。8根橫梁被測試為失效。其中7根梁用一種代表實際橋梁所用材料的預制單向碳纖維層壓板加固。試驗變量包括環(huán)氧固化期間施加荷裁循環(huán)的強度和頻率、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。對于安裝期間和安裝后應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設計建議，對失效時的FRP應變和FRP引起的強度增加進行了非保守預測。

關鍵詞：結(jié)構膠;纖維增強;橋梁;性能

中圖分類號：TQ436+.2;U444

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0025-05

0 引言

作為一個示范項目，阿拉巴馬州交通部（AL-DOT）與奧本大學（Auburn University）的研究人員于2001年11月對阿拉巴馬州馬肯縣（ Macon Coun-ty）的戰(zhàn)爭紀念橋進行了加固，加固材料為纖維增強結(jié)構膠（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)的設計。在安裝FRP之前，制造商建議在加固期間和加固后將橋梁關閉幾個小時，以便環(huán)氧樹脂固化。這座橋的交通量不大，但可能繞行的路線很長。因此，奧爾多特的工作人員認為，關閉橋梁的任何時間都是不可行的，因此，通過每天將車輛從FRP裝置正上方的車道上分流來實現(xiàn)的。而且禁止卡車在在加固內(nèi)梁的日子里上橋。

2 試驗方案

2.1 實驗程序

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

因此，在所有8個樣本的測試中，混凝土強度將保持大致恒定，測試延遲至鑄造后llOd。為了模擬實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)彎曲開裂;

步驟2：施加預加固工作荷載循環(huán);

步驟3：配制混凝土基層進行加固;

步驟4：開始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)氧樹脂固化48h交通荷載循環(huán);

步驟8：停止荷載循環(huán)和將應變計連接到FRP;

步驟9：施加加固后工作荷載循環(huán);

以下是對該程序的詳細描述。

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

應用預強化工作荷載循環(huán)（步驟2），為了模擬多年的交通暴露，每個試樣暴露在頻率為1Hz的100000個正弦波循環(huán)中。選擇循環(huán)量，以在受拉鋼中產(chǎn)生10.6KSl （73MPa）的活載應力范圍。根據(jù)戰(zhàn)爭紀念橋的活載測試結(jié)果，該應力范圍大致對應于法定負載限制卡車引起的范圍。為了使鋼筋的應力范圍達到該值，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)爭紀念橋的交通量相對較低，據(jù)估計，這種規(guī)模的10萬個周期比該橋10年以上的使用壽命要長。

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1/32in （lmm）。任何空隙都應該用環(huán)氧樹脂填充，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)的因素都應該被去除。

由于試樣是在實驗室環(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。然后用中和劑重復此過程。然后讓表面干燥。

環(huán)氧固化期間的循環(huán)應用（步驟4-7），為了研究FRP安裝期間橋梁開放交通的影響，在加固和環(huán)氧固化期間，5根試驗梁暴露在荷載循環(huán)中。玻璃鋼安裝后，循環(huán)持續(xù)48h。模擬了3種不同等級的交通周期。描繪了“低”、“中”和“高”的3種周期類型的相對強度和頻率。無論是否在環(huán)氧樹脂固化期間經(jīng)受荷載循環(huán)，所有加固試樣的FRP安裝和極限強度試驗之間經(jīng)過的時間相同。

選擇“低”強度循環(huán)來代表戰(zhàn)爭紀念大橋?qū)嶋H加固操作期間經(jīng)歷的卡車載荷。由于交通從正在加固的外部大梁上方的車道轉(zhuǎn)向，因此每個循環(huán)的峰值強度約為加強前循環(huán)所用強度的一半。該循環(huán)的目標是在4.8KSI （33MPa）的鋼張力增強件中引起活載應力范圍。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)氧樹脂一混凝土界面處的應變超過了先前討論的Bames和Mays5混凝土梁樣本的應變。每個加載事件的返回時間為5min （300s）。

“中等”強度循環(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。同樣，每1/5的載荷大約是強度的2倍，并且被選擇為在鋼筋10.6ksi（73MPa）中引起活載應力范圍。制定這種裝載方案的目的是代表一系列較輕的車輛穿插其中，而偶爾的重型車輛則在戰(zhàn)爭紀念大橋上行駛，而沒有采取緩解交通措施。

“高”強度周期是由于“中”周期的頻率增加了20倍。因此，每3s發(fā)生一次低強度事件（4.8KSI），每15s發(fā)生一次大強度事件（10.6KSI）。選擇這種“高”強度負載模式，每天有5700多次重型卡車事件和23000多個輕事件的發(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），除了兩個具有較厚粘結(jié)層的試樣之外，F(xiàn)RP增強件均根據(jù)制造商的建議進行安裝。FRP安裝過程的第一步是用作為底漆的飽和環(huán)氧樹脂對梁拱腹進行涂覆。這樣做是為了填充混凝土中的小空隙，并為FRP的應用提供光滑的表面。使用油漆輥將環(huán)氧樹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)氧樹脂將FRP粘結(jié)到混凝土上。首先，使用無絨抹布清潔FRP試紙，該抹布用甲基乙基酮（MEK）飽和。然后將粘性涂料環(huán)氧樹脂混合并散布在FRP條和梁表面上。

如前所述，在這項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個加固梁。為了將環(huán)氧樹脂涂到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)氧樹脂。新鮮的環(huán)氧樹脂沿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，留下一個三角形截面的環(huán)氧樹脂體積。新環(huán)氧樹脂的厚度為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)氧樹脂深度。對于粘結(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)氧樹脂中。引入這些玻璃珠以確保獲得所需的環(huán)氧樹脂厚度。

粘結(jié)層環(huán)氧樹脂變粘后，將FRP帶放置在梁下側(cè)的對齊標記上。用一個J型輥把鋼帶壓在橫梁上。這樣可以擠出多余的環(huán)氧樹脂，產(chǎn)生均勻的環(huán)氧樹脂厚度，并去除所有空隙。然后去除多余的環(huán)氧樹脂，并用浸透MEK的抹布擦拭FRP外表面。開始之前，使用小型彎曲試樣在實驗室條件下確定環(huán)氧樹脂的必要固化時間。通過這些試驗，確定環(huán)氧樹脂在室溫下固化48h后完全有效。因此，梁試件上的環(huán)氧樹脂可以固化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)護期結(jié)束時，停止荷載循環(huán)，以便FRP應變計能夠可靠地粘合。此時梁上保持0.5kip （2.2kN）的恒定荷載。梁在該荷載下保持24h，以便應變計粘合劑固化。除了在FRP帶的每一端緊密隔開的地方，應變計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)，以驗證系統(tǒng)中沒有明顯的剛度增益。

為了模擬加固后的使用年限，再對每個試樣施加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應力荷載循環(huán)的循環(huán)相同（步驟2）。完成這些循環(huán)后，對試樣進行加載，以確定其行為和極限強度。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。受拉鋼筋屈服時，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化試樣（0.055英寸）的實測荷載與跨中位移響應。[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。液壓執(zhí)行器的全行程已耗盡，但未喪失承載能力。當跨中撓度達到8.82英寸時，測試停止。（ 224mm）。實驗彎矩承載力Mn，exp為829kipin。（ 93.7kn-m）被確定為鋼筋應變硬化開始前梁屈服平臺對應的總力矩。該方法符合傳統(tǒng)的設計實踐，即在計算標稱彎矩承載力時忽略應變硬化的任何好處。

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，由于整個覆蓋層并未與梁分離，本文將這種類型的破壞稱為“FRP脫粘”，而不是“覆蓋層分層”。在所有情況下，F(xiàn)RP脫粘都是在一個荷載點下方開始的，并最終傳播到帶材的端部。

每個系列代表施加荷載特定值下的FRP應變，并根據(jù)失效前施加到加固梁上的最大荷載Pmax的分數(shù)進行標記。所有的玻璃鋼應變計都在45英寸以內(nèi)。（ 1140mm）中跨位于具有彎曲裂紋的橫截面處。 對于試樣B4，鋼應變測量表明，鋼筋在+18英寸處首先屈服。（+460mm）橫截面（在一個荷載點下），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，這兩個截面上的FRP應變在下一個相對較小的荷載增量（最大0.95P）下迅速增加。鋼在-18英寸處屈服。（460mm）橫截面（在其他荷載點下方），施加的最大荷載為0.96P。當荷載稍有增加時，該截面的FRP應變也開始迅速增加。

超過0.96P最大荷載水平后，隨著荷載增加到0.97P最大值，跨中FRP應變開始略有減小。在該荷載水平下，試驗短暫暫停，對應于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下方的開裂部分看到。

隨著荷載從0.97Pmax增加到Pmax，最大彎矩區(qū)FRP應變繼續(xù)增大。然而，一旦達到該峰值荷載，梁的進一步位移（約0.10英寸）。[2.5mm]對于該試樣）導致該區(qū)域的FRP應變恒定或減少，同時向帶材一端延伸的FRP應變急劇增加。這表明，一旦局部脫粘長度在荷載點附近的開裂截面之間合并，脫粘迅速擴展到FRP的一端。在記錄的最終應變后不到0.5s，F(xiàn)RP帶完全脫粘，沿包括整個最大力矩區(qū)域并延伸到帶材一端的長度。將FRP錨固破壞對應的總峰值彎矩作為加固試件的試驗彎矩承載力。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)氧樹脂固化期間荷載循環(huán)的影響

測試了4個試樣，B1到B4，其FRP厚度為0.055英寸（ 1.4mm）。和環(huán)氧樹脂厚度，通過遵循制造商的安裝說明實現(xiàn)。這些試件的設計代表了在戰(zhàn)爭紀念橋上提供的玻璃鋼加固的實際數(shù)量。這4個試樣僅在強化過程中施加的荷載循環(huán)強度方面有所不同。

通過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)不會導致FRP加固的有效性降低。相反，與未循環(huán)的試樣相比，低強度和高強度循環(huán)的試樣實際上稍強（在4%以內(nèi)）。沒有趨勢將梁的極限強度與荷載循環(huán)的強度聯(lián)系起來。同樣，在加固過程中暴露在循環(huán)中的每個試樣在破壞時的FRP應變εfe，exp比未循環(huán)的試樣大。低、中、高強度循環(huán)梁的破壞應變分別增加了16%、12%和22%。

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

4 結(jié)語

實驗研究結(jié)果支持以下主要結(jié)論：

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

2）目前ACI 440.2R關于計算FRP極限有效應變的設計建議，導致了對7根加固梁中的6根梁的承載力增加的非保守預測。

盡管這些結(jié)果支持本研究中使用的特定材料的第一個結(jié)論，但交通荷載可能會對其他類型的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閉橋梁的情況下安裝，這一事實大大增加了FRP作為加固替代方案的吸引力。需要進一步研究，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、小規(guī)模的材料測試來驗證合規(guī)性。

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作者簡介：徐旭東（1974-），男，上海人，大學本科，高級工程師，主要研究方向：公路工程施工圖設計及圖審。