FRP加固圬工拱桥的性能研究

孔德祥

摘 要 我国存在较多年代久远但仍然发挥作用的圬工拱桥，它们是重要的历史文化遗产，对其维护加固非常重要。基于FRP复合材料具有自重轻、体积小、抗拉强度高等优点，FRP较多的应用于加固混凝土桥梁的研究，但对加固圬工拱桥的研究比较少。本文通过已有的实验，分析了FRP加固圬工拱桥的破坏模式以及极限承载力研究，为FRP加固圬工拱桥的研究提供理论基础。

关键词 圬工拱桥 FRP加固 破坏模式 极限承载力

中图分类号：U441.4 文献标识码：A

1 概述

圬工拱桥是世界桥梁史上出现较早的桥梁形式，至今已有几千年的历史，其具有就地取材、跨度大、耐久性好、构造简单以及圬工材料具有较高的抗压强度等优点，是一种具有历史价值和现实意义的桥梁。在圬工拱桥中，一方面，很大一部分由于历史条件的限制，其设计荷载不能满足等级要求；另一方面，由于材料老化、结构损伤等原因导致圬工拱桥承载力不足。

基于FRP复合材料具有自重轻、体积小、施工方便、抗拉强度高以及耐久性好等特点，FRP较多的应用于加固混凝土桥梁的研究，但对加固圬工拱桥的研究比较少。本文通过已有的实验，分析了FRP加固圬工拱桥的破坏模式以及极限承载力研究，为FRP加固圬工拱桥的研究提供理论基础。

2 未加固圬工拱桥的破坏模式

圬工拱桥是通过砖、石建造，由砂浆粘结而成。圬工拱桥表现出复合性的力学行为。单拱圈圬工拱桥的有四种坍塌模式，分别为铰机制、抗剪机制、剪力—铰机制和压坏模式。

结构的几何形状和组成材料的力学性能很大程度上决定了圬工拱桥在受荷情况下的稳定和安全性。由于砌体结构的抗拉强度可以忽略不计，所以只有推力线和索状多边形都在砌体拱界面内时，砌体结构才能保持安全性。当合力没有作用在中间核心区内时，砌体拱截面将发生倾斜进而导致几何形状剧烈改变。之后，塑性铰将在受力位置形成，在受力位置附近砌块会在受压边被压碎。砌体拱上出现四个包括四个以上塑性铰的情况是结构发生偏移之后发生坍塌的条件。

3 FRP加固后圬工拱桥的破坏模式

根据FRP参数的改变，加固后的圬工拱桥有四种破坏方式：砌块压碎、砌体滑移、FRP剥离和FRP断裂。

3.1 压碎破坏

FRP加固的圬工拱桥，裂缝被FRP约束的区域也是砌块与砂浆压碎破坏出现的区域。粘贴在圬工拱桥上的FRP受到拉力作用时，粘贴位置的砌体会在粘贴面的对面形成铰并绕着铰转动。铰位于砌块之间，随转角的增加，其应力随之增加，从而导致砌块压碎。

3.2砌块滑移

当砌块内的剪切力大于砌塊间的抗剪强度时产生滑移破坏。未加固的圬工拱桥的抗剪能力是由砌块间接触面的摩擦和压力提供的。用FRP加固的圬工拱桥，FRP布条的销栓作用是考虑砌块间抗滑能力的必要因素。以下是极有可能出现砌块滑移模式的情况：FRP粘贴在拱背或荷载明显不对称。

3.3 FRP剥离

施加在圬工拱桥上的荷载会产生垂直于FRP方向的分力，当其大于FRP和砌体的粘附力时，FRP将剥离于砌体表面。剥离前，当垂直于FRP粘贴位置切线方向的拉力大于砌块的抗拉强度时，粘贴位置砌块的表面将被拉脱层。

3.4 FRP断裂

在FRP的剥离行为受到限制时，FRP将发生断裂。当FRP与砌体粘贴非常牢固时，FRP将承受很大的拉力以至于FRP被拉断。

4 试验方案

为了验证不同形式的加固效果，本试验分别采用不同宽度的GFRP对圬工拱的拱背和拱腹进行加固，实验如下：

试验采用跨度1.5m，宽度0.45m，圆心角156€埃刖？.75的圆形圬工拱桥，黏土砖尺寸100mm€？0mm€？5mm。将宽度为2€？0mm，2€？0mm，2€？00mm的GFRP分别粘贴在圬工拱桥的拱背和拱腹（如图所示）。在1/4拱跨度处施加作用在拱背上的荷载，分析圬工拱桥的破坏模式以及极限承载力。

5 试验结果

拱背或拱腹加固均避免了四铰拱的发生。

FRP加固圬工拱桥拱背时，圬工拱桥的极限承载力提高了89%，其延性也有了显著提高。在拱脚处，拱圈沿灰缝发生滑移错位。但FRP宽度的改变对圬工拱桥加固效果几乎没有影响。FRP宽度的改变并没有改变圬工拱桥的破坏模式，也没有改善圬工拱桥的延性。虽然随着FRP粘结宽度的增加其极限承载能力有所增加，但增加的幅度很小。

FRP加固圬工拱桥拱腹时，圬工拱桥的变形能力和极限承载能力有了显著提高。但随着FRP粘结宽度的增加，圬工拱桥的破坏模式不再是单纯的FRP剥离，而是同时出现砌块压碎和FRP剥离现象。

6 结论

（1）未加固圬工拱桥的破坏模式是典型的“四铰拱”机理，属于脆性破坏。

（2）GFRP加固拱圈的各种加固方式均能提高圬工拱桥的极限承载力以及延长了破坏前的变形能力，从而避免了脆性破坏。

（3）用GFRP对圬工拱桥拱背进行加固时，在拱脚处发生剪切滑移，拱圈沿灰缝发生错位。

（4）当GFRP的面积为拱圈面积的0.06%时，在拱腹加固对提高极限承载力最有效，而在拱背加固提高了圬工拱桥的变形能力，同时也改善了圬工拱桥的破坏模式。

参考文献

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