新型结构胶加固桥梁的性能研究

徐旭东 李健

摘要：通过室内试验研究了新型纤维增强结构胶加固前后交通荷裁对钢筋混凝土桥梁性能的影响。8根横梁被测试为失效。其中7根梁用一种代表实际桥梁所用材料的预制单向碳纤维层压板加固。试验变量包括环氧固化期间施加荷裁循环的强度和频率、环氧层厚度和FRP带厚度。所有加固试件在最大弯矩区均发生FRP脱粘破坏。对于安装期间和安装后应用的所有交通荷载方案，未观察到加固效果降低。采用ACI 440.2R-02设计建议，对失效时的FRP应变和FRP引起的强度增加进行了非保守预测。

关键词：结构胶;纤维增强;桥梁;性能

中图分类号：TQ436+.2;U444

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）09-0025-05

0 引言

作为一个示范项目，阿拉巴马州交通部（AL-DOT）与奥本大学（Auburn University）的研究人员于2001年11月对阿拉巴马州马肯县（ Macon Coun-ty）的战争纪念桥进行了加固，加固材料为纤维增强结构胶（FRP）。Swenson和Bames1描述了1945年建造的钢筋混凝土桥梁和FRP加固系统的设计。在安装FRP之前，制造商建议在加固期间和加固后将桥梁关闭几个小时，以便环氧树脂固化。这座桥的交通量不大，但可能绕行的路线很长。因此，奥尔多特的工作人员认为，关闭桥梁的任何时间都是不可行的，因此，通过每天将车辆从FRP装置正上方的车道上分流来实现的。而且禁止卡车在在加固内梁的日子里上桥。

2 试验方案

2.1 实验程序

除了少数例外，所有梁的测试程序都是相同的。环氧树脂固化期间，一根梁未加固，两根FRP加固梁未暴露在交通荷载循环中。试验变量包括加固期间的循环荷载强度、环氧层厚度tb和FRP厚度tf。

因此，在所有8个样本的测试中，混凝土强度将保持大致恒定，测试延迟至铸造后llOd。为了模拟实际使用中的桥梁条件，执行了以下步骤：

步骤1：加载试样以诱发弯曲开裂;

步骤2：施加预加固工作荷载循环;

步骤3：配制混凝土基层进行加固;

步骤4：开始FRP安装的交通荷载循环;

步骤5：在混凝土表面涂环氧底漆;

步骤6：施涂环氧粘结层并将FRP带粘结到成员;

步骤7：环氧树脂固化48h交通荷载循环;

步骤8：停止荷载循环和将应变计连接到FRP;

步骤9：施加加固后工作荷载循环;

以下是对该程序的详细描述。

试件开裂（步骤1），为了将弯曲开裂分布在每个试件上，其程度与战争纪念桥相当，单调施加14kip（62kN）荷载，然后移除。该负载对应于未增强试样的容量的大约70%。弯曲裂纹的间距约为9英寸（230mm）间隔。正如预期的那样，在截面处形成的裂缝与箍筋位置一致。因此，钢应变计成功地定位在弯曲裂纹处或非常接近弯曲裂纹的位置。

应用预强化工作荷载循环（步骤2），为了模拟多年的交通暴露，每个试样暴露在频率为1Hz的100000个正弦波循环中。选择循环量，以在受拉钢中产生10.6KSl （73MPa）的活载应力范围。根据战争纪念桥的活载测试结果，该应力范围大致对应于法定负载限制卡车引起的范围。为了使钢筋的应力范围达到该值，需要施加5.6kip （24.9kN）的荷载。所施加的荷载循环包括以3.3kip （14.7kN）为中心的正弦波，振幅为2.3kip （10.2kN）。由于战争纪念桥的交通量相对较低，据估计，这种规模的10万个周期比该桥10年以上的使用寿命要长。

混凝土基底表面处理（步骤3），根据ACI440.2R，局部平面外变化（包括模板线）不得超过1/32in （lmm）。任何空隙都应该用环氧树脂填充，所有的浮渣、灰尘、污垢、油、固化化合物、现有涂层和任何其他可能干扰FRP与混凝土之间的粘结的因素都应该被去除。

由于试样是在实验室环境中浇铸和固化的，因此表面的污染物量很小。用磨石去除梁表面的模板线。在梁B5上，使用与FRP粘结相同的环氧树脂填充一小块蜂窝。使用异丙醇去除浮浆和成型油，并用硬毛刷擦洗表面。然后用中和剂重复此过程。然后让表面干燥。

环氧固化期间的循环应用（步骤4-7），为了研究FRP安装期间桥梁开放交通的影响，在加固和环氧固化期间，5根试验梁暴露在荷载循环中。玻璃钢安装后，循环持续48h。模拟了3种不同等级的交通周期。描绘了“低”、“中”和“高”的3種周期类型的相对强度和频率。无论是否在环氧树脂固化期间经受荷载循环，所有加固试样的FRP安装和极限强度试验之间经过的时间相同。

选择“低”强度循环来代表战争纪念大桥实际加固操作期间经历的卡车载荷。由于交通从正在加固的外部大梁上方的车道转向，因此每个循环的峰值强度约为加强前循环所用强度的一半。该循环的目标是在4.8KSI （33MPa）的钢张力增强件中引起活载应力范围。尽管出于本研究的目的，此载荷水平表示为“低”，但其特征是环氧树脂一混凝土界面处的应变超过了先前讨论的Bames和Mays5混凝土梁样本的应变。每个加载事件的返回时间为5min （300s）。

“中等”强度循环由“低”循环中的同一波组成，但发生频率增加到每分钟一个。同样，每1/5的载荷大约是强度的2倍，并且被选择为在钢筋10.6ksi（73MPa）中引起活载应力范围。制定这种装载方案的目的是代表一系列较轻的车辆穿插其中，而偶尔的重型车辆则在战争纪念大桥上行驶，而没有采取缓解交通措施。

“高”强度周期是由于“中”周期的频率增加了20倍。因此，每3s发生一次低强度事件（4.8KSI），每15s发生一次大强度事件（10.6KSI）。选择这种“高”强度负载模式，每天有5700多次重型卡车事件和23000多个轻事件的发生，被选为假想的桥梁，其交通量很大。

FRP的安装（步骤5和步骤6），除了两个具有较厚粘结层的试样之外，FRP增强件均根据制造商的建议进行安装。FRP安装过程的第一步是用作为底漆的饱和环氧树脂对梁拱腹进行涂覆。这样做是为了填充混凝土中的小空隙，并为FRP的应用提供光滑的表面。使用油漆辊将环氧树脂均匀地涂在混凝土表面上。底漆发粘后，将使用较厚的粘性涂料环氧树脂将FRP粘结到混凝土上。首先，使用无绒抹布清洁FRP试纸，该抹布用甲基乙基酮（MEK）饱和。然后将粘性涂料环氧树脂混合并散布在FRP条和梁表面上。

如前所述，在这项研究中研究的变量之一是粘结层的厚度。按照FRP制造商的指示安装了5个加固梁。为了将环氧树脂涂到FRP上，使用了带有V形缺口的割胶刀。调整切口的大小，以便可以将刀拖到FRP板上，留下一定量的具有三角形横截面的环氧树脂。新鲜的环氧树脂沿FRP的中心线的厚度为0.125英寸（ 3.2mm），沿边缘的厚度为零。在混凝土表面，使用了带有多个V形槽口的抹子。the刀上的槽口深度为0.125英寸（3.2mm）。这样可以将均匀的环氧深度施加到混凝土表面。对于具有较厚粘结层的样品，使用相同的步骤，只是在将FRP条带粘结到玻璃板上之前，将直径范围在0.079-0.091英寸（ 2.0-2.2mm）的玻璃珠撒在环氧树脂中。

如前所述，本研究中研究的变量之一是粘结层的厚度。5根加固梁按照FRP制造商的指示安装。为了将环氧树脂涂在玻璃钢上，使用了带有v形切口的胶带刀。v形切口的尺寸是这样的：刀可以被拖到玻璃钢带上，留下一个三角形截面的环氧树脂体积。新环氧树脂的厚度为0.125英寸（3.2mm）。沿FRP中心线，沿边缘为零。在混凝土表面，使用多个v形切口的抹子。泥刀上的缺口是0.125英寸（3.2mm）深。这允许在混凝土表面施加均匀的环氧树脂深度。对于粘结层较厚的试样，除直径在0.079-0.09 lin范围内的玻璃珠外，采用相同的程序。（ 2.0-2.3mm）在将FRP带粘结到梁上之前洒人环氧树脂中。引入这些玻璃珠以确保获得所需的环氧树脂厚度。

粘结层环氧树脂变粘后，将FRP带放置在梁下侧的对齐标记上。用一个J型辊把钢带压在横梁上。这样可以挤出多余的环氧树脂，产生均匀的环氧树脂厚度，并去除所有空隙。然后去除多余的环氧树脂，并用浸透MEK的抹布擦拭FRP外表面。开始之前，使用小型弯曲试样在实验室条件下确定环氧树脂的必要固化时间。通过这些试验，确定环氧树脂在室温下固化48h后完全有效。因此，梁试件上的环氧树脂可以固化2d。在这48h内，5根加固梁暴露在荷载循环中，2根未暴露在荷载循环中。

FRP仪器和加固后循环（步骤8和步骤9），在48h养护期结束时，停止荷载循环，以便FRP应变计能够可靠地粘合。此时梁上保持0.5kip （2.2kN）的恒定荷载。梁在该荷载下保持24h，以便应变计粘合剂固化。除了在FRP带的每一端紧密隔开的地方，应变计直接粘贴在弯曲裂缝下方的FRP上。记录并比较24h保持期前后的加载循环数据，以验证系统中没有明显的刚度增益。

为了模拟加固后的使用年限，再对每个试样施加20000次荷载循环。这些循环的频率、大小和形状与用于表示预应力荷载循环的循环相同（步骤2）。完成这些循环后，对试样进行加载，以确定其行为和极限强度。加载至破坏，以选定的荷载增量单调加载梁试样，直到钢筋屈服;以位移增量进一步加载，直到破坏。除了未加固的试件外，荷载增量被用于22kip （97.9kN）的施加荷载，其中钢筋屈服从荷载一挠度行为中明显可见。受拉钢筋屈服时，跨中位移在0.4-0.5英寸之间（10.2和12.7mm）。受拉钢筋屈服后，对加固梁施加荷载，直至跨中位移为0.65和0.9in。分别为16.5和22.9mm。随后的位移增量导致所有加固梁的失效，原因是每条带一端的FRP锚固完全丧失。

3 结果

3.1 未加固试样的性能

图1描述了未拉伸试样和第一系列强化试样（0.055英寸）的实测荷载与跨中位移响应。[1.4mm]根据制造商建议安装玻璃钢）。未加固的试件加固不足，韧性很强。液压执行器的全行程已耗尽，但未丧失承载能力。当跨中挠度达到8.82英寸时，测试停止。（ 224mm）。实验弯矩承载力Mn，exp为829kipin。（ 93.7kn-m）被确定为钢筋应变硬化开始前梁屈服平台对应的总力矩。该方法符合传统的设计实践，即在计算标称弯矩承载力时忽略应变硬化的任何好处。

3.2 FRP加固试件的性能

FRP带与混凝土梁分离后，所有加固试件均失效。除少数小区域外，如图2所示，剥离后，一薄层表面混凝土仍粘結在FRP带上。因此，破坏实际上发生在混凝土内部，而不是粘结界面。然而，由于整个覆盖层并未与梁分离，本文将这种类型的破坏称为“FRP脱粘”，而不是“覆盖层分层”。在所有情况下，FRP脱粘都是在一个荷载点下方开始的，并最终传播到带材的端部。

每个系列代表施加荷载特定值下的FRP应变，并根据失效前施加到加固梁上的最大荷载Pmax的分数进行标记。所有的玻璃钢应变计都在45英寸以内。（ 1140mm）中跨位于具有弯曲裂纹的横截面处。 对于试样B4，钢应变测量表明，钢筋在+18英寸处首先屈服。（+460mm）横截面（在一个荷载点下），施加的最大荷载为0.89P。中跨部分的钢材不久就屈服了。一旦钢在横截面处屈服，FRP必须抵抗由于施加在该截面上的附加力矩而产生的大部分张力。因此，可以看出，这两个截面上的FRP应变在下一个相对较小的荷载增量（最大0.95P）下迅速增加。钢在-18英寸处屈服。（460mm）横截面（在其他荷载点下方），施加的最大荷载为0.96P。当荷载稍有增加时，该截面的FRP应变也开始迅速增加。

超过0.96P最大荷载水平后，随着荷载增加到0.97P最大值，跨中FRP应变开始略有减小。在该荷载水平下，试验短暂暂停，对应于0.9英寸的跨中位移（22.9mm）。如图3所示，局部FRP脱粘可从跨中和荷载点下方的开裂部分看到。

随着荷载从0.97Pmax增加到Pmax，最大弯矩区FRP应变继续增大。然而，一旦达到该峰值荷载，梁的进一步位移（约0.10英寸）。[2.5mm]对于该试样）导致该区域的FRP应变恒定或减少，同时向带材一端延伸的FRP应变急剧增加。这表明，一旦局部脱粘长度在荷载点附近的开裂截面之间合并，脱粘迅速扩展到FRP的一端。在记录的最终应变后不到0.5s，FRP带完全脱粘，沿包括整个最大力矩区域并延伸到带材一端的长度。将FRP锚固破坏对应的总峰值弯矩作为加固试件的试验弯矩承载力。FRP脱粘后，加固试件的性能与未加固试件的性能非常吻合。

3.3 环氧树脂固化期间荷载循环的影响

测试了4个试样，B1到B4，其FRP厚度为0.055英寸（ 1.4mm）。和环氧树脂厚度，通过遵循制造商的安装说明实现。这些试件的设计代表了在战争纪念桥上提供的玻璃钢加固的实际数量。这4个试样仅在强化过程中施加的荷载循环强度方面有所不同。

通过比较加固期间暴露于荷载循环的试件（B2 -B4）与未暴露于荷载循环的加固试件（BI）的性能，很明显荷载循环不会导致FRP加固的有效性降低。相反，与未循环的试样相比，低强度和高强度循环的试样实际上稍强（在4%以内）。没有趋势将梁的极限强度与荷载循环的强度联系起来。同样，在加固过程中暴露在循环中的每个试样在破坏时的FRP应变εfe，exp比未循环的试样大。低、中、高强度循环梁的破坏应变分别增加了16%、12%和22%。

尽管循环试件的极限强度并不明显大于非循环试件，但循环试件在破坏前都达到了较大的挠度。破坏时挠度增加8-10%。这很可能是由于这3个试样的FRP能够在剥离前的最大力矩区域承受较大的应变。因此，本研究中梁試样在环氧固化期间的环境温度没有显著差异。实验室装有空调，液压泵位于一个单独的外壳内。因此，循环试样强度的轻微增加不能归因于温度变化。该系列试验结果表明，在FRP安装期间和之后保持战争纪念桥通车不会降低加固效果。

4 结语

实验研究结果支持以下主要结论：

1） FRP加固混凝土桥梁，即使在加固过程中保持通车状态，也能有效地加固;

2）目前ACI 440.2R关于计算FRP极限有效应变的设计建议，导致了对7根加固梁中的6根梁的承载力增加的非保守预测。

尽管这些结果支持本研究中使用的特定材料的第一个结论，但交通荷载可能会对其他类型的FRP或粘合剂产生不利影响。尽管如此，这些系统中至少有一部分可以在不关闭桥梁的情况下安装，这一事实大大增加了FRP作为加固替代方案的吸引力。需要进一步研究，以建立玻璃钢系统的性能规范，以确保在这些条件下具有足够的性能。理想情况下，这样的性能规范只需要廉价、小规模的材料测试来验证合规性。

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作者简介：徐旭东（1974-），男，上海人，大学本科，高级工程师，主要研究方向：公路工程施工图设计及图审。