CFRP布加固钢箱梁的疲劳试验设计研究*

苏　林，陈雄飞，杨朝辉，于超凡，张　剑，艾　军

(1.江苏扬子大桥股份有限公司，江苏 南京 214521；2.浙江交工高等级公路养护有限公司，浙江 杭州 310019；3.南京航空航天大学，江苏 南京 210016)



CFRP布加固钢箱梁的疲劳试验设计研究*

苏林1，陈雄飞1，杨朝辉2，于超凡3，张剑3，艾军3

(1.江苏扬子大桥股份有限公司，江苏 南京 214521；2.浙江交工高等级公路养护有限公司，浙江 杭州 310019；3.南京航空航天大学，江苏 南京 210016)

摘要：钢箱梁长期运营后，不可避免地出现疲劳裂纹，疲劳裂纹出现后使得钢箱梁运营具有一定的安全隐患。钢箱梁疲劳裂纹处治包括补焊法、钻孔法和CFRP布加固法等，其中CFRP布加固法充分利用了复合材料的优越性，是一种较为有效的加固方法。根据某节段式钢箱梁构件，选择了CFRP布加固材料，确定了CFRP布加固的5个步骤(表面处理、配胶、涂胶、粘贴CFRP布及锚固)，并设计了疲劳加固试验的装置和加载方案。通过对加固构件进行疲劳试验，可研究加固构件的疲劳性能，验证加固构件的加固效果，并对疲劳损伤演化过程进行理论分析。

关键词：钢箱梁；疲劳；碳纤维布；加固

我国从20世纪80年代开始发展钢箱梁桥梁结构，目前建成的大跨径钢箱梁桥已超过20座，但随着桥梁服役时间的增长，加之有些地区的气候条件恶劣、交通量的迅速增长和重载和超载车辆增加等因素，车辆对桥梁构件的冲击力增加、应力超限和疲劳工作的影响都越来越大[1]；因此，作为道路桥梁的承受荷载和应力最大构件之一的桥面板与铺装层、伸缩缝一起，都直接承受汽车车轮荷载的作用，应力集中显著，也导致钢桥面铺装及桥面板本身出现破坏在实际工程中时有发生[2]。国内已建的江阴长江大桥、海沧大桥和虎门大桥主梁均采用钢箱梁结构形式，经运行后，目前钢箱梁(含桥面板系)均出现了不同程度的疲劳损伤、裂缝病害，甚至破坏，致使许多桥梁的承载能力大大降低，不得不采取限重、限速等通行措施，同时其使用寿命也大大缩短。

因此，及时地针对此类钢箱梁桥病害进行维修加固是当前急需解决的问题[3]。本文设计CFRP布加固钢箱梁疲劳试验，通过对加固构件进行疲劳试验，可研究加固构件的疲劳性能，验证加固构件的加固效果[4]，对疲劳损伤演化过程进行理论分析，不仅具有较高的科学研究价值，也有突出的现实意义与应用价值。

1钢箱梁构件

钢箱梁顶板尺寸为900 mm×240 mm×14 mm；纵肋U形槽上口长为300 mm，底长为170 mm，其厚度为8 mm，详细试件尺寸数据如图1所示。其中，试件所用钢材为Q345C钢。U肋与顶板为坡口熔透焊(单侧焊缝)，焊缝有效高度为7 mm，单边V形焊缝，熔深大于U肋板厚的0.8倍，小于U肋板厚的0.85倍。

图1　试件尺寸

2钢箱梁计算模型和数据分析

采用上海悍马建筑有限公司所生产的碳纤维布，其力学性能见表1。

表1　碳纤维力学性能指标

3钢箱梁加固设计

采用CFRP纤维材料对损伤后试件进行加固，选用环氧树脂作为CFRP布和钢箱梁之间的粘结材料。CFRP布选择整体式单层双面浸渍加固，同时考虑实际正交异性板的结构特点以及工程实际情况，应在近焊缝进行锚固以避免纤维布脱离。依据支座布设条件，锚固用夹具距焊趾边缘40 mm，其实物图如图2所示。

图2　CFRP布加固布置图

CFRP加固基本环节包含表面处理、配胶、涂胶、粘贴CFRP布及锚固等5个部分。具体步骤如下。

1)表面处理。钢结构表面处理需先用角磨机除去试件表面的锈与涂层后，用干布擦去打磨残留物，最后用丙酮清洗需要粘贴CFRP布的表面区域。CFRP表面处理则需用干净的布将其表面灰尘擦净。若表面沾有油污，则应用脱脂棉浸蘸丙酮等进行擦洗。

2)配胶。按环氧树脂使用说明所要求的质量比(1∶1)将浸渍胶和浸渍胶固化剂配在一起，并混合拌匀。

3)涂胶。将配好的胶均匀地涂抹在已经处理好的钢构表面，在粘贴区域的中部涂多些，边缘略少些。

4)粘贴CFRP布。将CFRP布粘贴于钢构表面。在粘贴CFRP布时，应采用可靠的工具以保证CFRP布表面平整，使得CFRP布与钢构表面之间接触充分，避免形成空鼓。

5)锚固。为了尽可能避免试验初始时出现CFRP布脱落破坏，在粘贴CFRP布后，应在其两端和U形肋上加装锚具，同时纤维布两侧末端设置1道U形箍。

4疲劳加载试验设计

试件两端铰支，中心部位单点加载，作动器与试件顶板之间放置尺寸为300 mm×200 mm的钢板(含橡胶垫)，用以模拟均布作用的车轮荷载。荷载作用中心位于试件顶板的中心位置，具体布置情况如图3所示。

图3　试件安装布置图

1)预加载阶段。对试件施以一定作用力，其值为极限荷载的20%，循环加载3次以消除支座、钢板、橡胶垫与试件之间的空隙，避免产生松动现象。

2)疲劳加载阶段。疲劳试验荷载谱参数应依据各试件设计情况设定，并在循环作用期间应保持荷载上、下限值稳定，其误差波动值不应超过最大荷载的±3%。可记录试件在各整数万荷载次数下的应变、挠度等数值。

5结语

疲劳裂纹的出现使得钢箱梁运营存在重大隐患，CFRP布加固法充分利用了复合材料的优越性，是一种较为有效的加固方法。本文根据节段式钢箱梁构件，确定了CFRP布加固的5个步骤，并设计了疲劳加载装置，疲劳试验结果可供疲劳损伤演化过程理论分析应用。

参考文献

[1] 周太全. 桥梁构件局部热点应力分析及其疲劳损伤累积过程模拟[D]. 南京: 东南大学, 2003.

[2] 李立峰. 正交异性钢箱梁局部稳定分析理论及模型试验研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2005.

[3] 陶永亮. 新型正交异性钢桥面板疲劳性能研究与寿命评估[D]. 广州: 广州大学, 2013.

[4] 韦全余，欧世坤，朱金华，等. 预应力混杂CFRP/GFRP纤维布加固桥梁结构的工程应用与评估[J]. 新技术新工艺，2014(9)：46-51.

* 江苏扬子大桥股份有限公司资助项目(GCJS2014-37)

交通运输部建设科技项目(2013318J19590)

责任编辑郑练

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

作者简介：苏林(1970-)，男，高级工程师，主要从事工程管理等方面的研究。

中图分类号：U 441

文献标志码:A