摘要：農(nóng)村公路石拱橋是農(nóng)村傳遞貨物的重要通道，長期受到雨水河道的沖刷與承載力，處于承受過往車輛壓力的惡劣環(huán)境與腐蝕作用中，很容易發(fā)生剝落和斷裂。文章分析利用碳纖維貼布圍束修補基樁的數(shù)值，使用纖維復(fù)合材料以包覆圍束的方式對基樁或橋柱進行補強修補，不僅提高基樁延展性和耐震性，并且可以避免發(fā)生脆性破壞導(dǎo)致橋梁倒塌。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村公路；石拱橋；FRP補強設(shè)計；強化纖維復(fù)合材料；預(yù)力基樁 文獻標識碼：A

中圖分類號：U441 文章編號：1009-2374（2016）02-0099-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.049

1 概述

目前，對FRP應(yīng)用于經(jīng)過河水腐蝕后的基樁或是橋柱的研究仍然不多，修補后的效果與其力學(xué)行為的改變?nèi)杂写芯?。利用FRP的夾克修補方法應(yīng)用在河水導(dǎo)致的腐蝕石基樁的補強也有良好效果。因此，本文藉由過去累積的研究成果利用美國加州大學(xué)柏克萊校區(qū)的太平洋地震工程研究中心所開發(fā)的有限元素分析軟體，其現(xiàn)有的對象對FRP補強的石基樁進行數(shù)值模擬，再跟原實驗結(jié)果比較討論，期望以較為簡化的方式將FRP補強的力學(xué)分析加入結(jié)構(gòu)整體計算內(nèi)，以求更有效率地建立出FRP修補的分析模型。本研究采用的試體為預(yù)力基樁，這些預(yù)力基樁等同橋柱一般提供棧橋承載力以及承受下壓力，因此在設(shè)計以及計算參數(shù)方面可參考RC橋柱的理論。

2 FRP簡介

強化纖維復(fù)合材料（Fiber Reinforced Plastic）是由纖維與樹脂所組成的復(fù)合材料，簡稱FRP，使用纖維種類為玻璃纖維者，稱為玻璃纖維復(fù)合補強材料（GFRP）；使用纖維種類為碳纖維者，稱為碳纖維復(fù)合補強材料（CFRP）。其中所謂復(fù)合材料是由兩種或兩種以上具有明顯不同化學(xué)成分及物理力學(xué)性質(zhì)的組成相（constituent phase）所合成的固體介質(zhì)物。一般而言，復(fù)合材料是由較強的脆性高模數(shù)增強材料（reinforcement）和較弱具延展性的低模數(shù)基體（matrix）所組成。在FRP中，纖維主要功能是承受力量，而樹脂基材的主要功能則是將纖維材料束結(jié)在一起并將外部荷重均勻分布到纖維上，同時也可保護纖維不受外部環(huán)境影響的能力。先進國家開始廣泛利用FRP補強石橋與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，原因在于此種材料相較于其他補強方式擁有以下優(yōu)點：（1）重量輕；（2）強度高與良好的抗疲勞特性；（3）耐腐蝕性強；（4）施工簡單、工期短；（5）施工成本較其余補強方法低廉，具有很高的強度/重量比值；（6）具有良好的抵抗電、化學(xué)腐蝕的能力；（7）纖維復(fù)合材料具有較大的塑造變形尺度，可配合各種結(jié)構(gòu)形狀進行修補。上述這七點尤其考量到耐腐蝕性強的優(yōu)點，非常適合在本研究中會受到河水侵蝕破壞的石基樁。

3 FRP補強的數(shù)值計算略述

參考Samaan等人（Samaan，et al.1998）的FRP模式，橋柱外包FRP補強可視為橫向鋼筋處理，其補強的剪力強度Vj計算如下：

（1）

式中：為橋柱FRP補強的厚度；D為圓形橋柱的直徑或矩形橋柱在受力方向的尺寸；為剪力裂縫與縱向鋼筋的夾角，設(shè)計時可采用=35°，為低于FRP降伏強度的設(shè)計應(yīng)力。此外，為避免變形過大，設(shè)定FRP環(huán)向的設(shè)計應(yīng)變（hoop strain）=0.004，所以=jd=0.004，為FRP材料的彈性模數(shù)。橫向箍筋比計算式為，D為圓形斷面混凝土直徑；S為箍筋間距；為橫向鋼筋面積。橋柱外包FRP通常視為連續(xù)性的橫向鋼筋，因此可將等效橫向箍筋量表示為，故橫向圍束鋼筋體積比如下所示：

（2）

除此之外，規(guī)定的圓形橋柱最小橫向鋼筋量比計算如下：

（3）

4 FRP補強后效應(yīng)

由Mirmiran等人（1998）和張國鎮(zhèn)等（2000）的試驗可知經(jīng)由FRP補強后的橋柱試體能大為改善遲滯循環(huán)緊縮（pitching）的現(xiàn)象產(chǎn)生，曲線飽滿，強度大幅提升30%～40%，并且衰減的速度也較為和緩，消能性也不錯，并且在破壞較輕微的試體使用FRP來補強，也擁有不遜色于原試體的強度。另外，F(xiàn)RP加強圍束效果之后，抗壓力有更趨加強的成效，且箍筋也可達到降伏，此外補強后搭接斷面以上的主筋應(yīng)變，比未補強的斷面大很多，可知FRP造成的圍束力有不少貢獻。部分研究中會忽略補強后柱體的箍筋視為無效，但是根據(jù)應(yīng)變計數(shù)據(jù)分析有部分箍筋應(yīng)變值仍會達到降伏應(yīng)變，顯示完全忽略補強后的箍筋過于保守，應(yīng)考慮雙重圍束情形，關(guān)于箍筋以及FRP的雙重圍束關(guān)系在下面會有更詳細的說明。使用FRP來增加韌性，其效能優(yōu)于鋼板補強。因為鋼板若在地震前段降伏，則因有殘余應(yīng)變，圍束效果會降低。但是對FRP而言，在破壞前的行為永遠為線彈性，圍束效果不會降低。又因為FRP是以貼覆或是纏繞方式施工，對矩形柱的轉(zhuǎn)角要先修成弧狀。因此對矩形柱而言，角落以外的地方，混凝土的圍束效果會較差。圓形柱則沒有這方面的困擾。

5 分析模式之建立

5.1 前言

本部分旨在說明各項分析數(shù)值的建立以及中空鋼筋混凝土橋柱補強前后的模組建立。在運算之后，即可運算出應(yīng)力-應(yīng)變與力-位移關(guān)系，只是在分析之前，各項數(shù)值需經(jīng)過適當(dāng)?shù)男拚蟛拍苣MFRP補強前后的預(yù)力混凝土基樁。

本研究中，F(xiàn)RP著重在基樁強度及韌性補強，強度和韌性的補強取決于圍束應(yīng)力的大小，圍束應(yīng)力大小就是圍束效果好壞的結(jié)果，而圍束效果取決于對鋼筋的圍束體積比的大小。理所當(dāng)然的，越大代表圍束效果越大，補強后的基樁強度也越佳?；鶚锻獍膹?fù)合材料FRP可視為間距等值的連續(xù)箍筋，因此補強后的橋柱的等值圍束鋼筋比會隨之增大，對基樁的圍束效果將有不小的提升，故韌性強度變佳。

5.2 分析試體介紹

5.2.1 基樁種類說明。所制作的基樁共有四種狀態(tài)，分別是：TYPE Ⅰ：完整基樁；TYPE Ⅱ：保護層部分剝落，剝落處之箍筋斷面為原來之半；TYPE Ⅲ：保護層部分剝落，剝落處之箍筋完全除去，模擬箍筋全部銹蝕，預(yù)力鋼棒完整；TYPE Ⅳ：保護層部分剝落，剝落處之箍筋全部銹蝕，預(yù)力鋼棒部分鋸斷，以模擬鋼棒銹斷。

5.2.2 基樁規(guī)格?；鶚兜某叽缛缦抡f明：

斷面尺寸：外徑40cm，中空內(nèi)徑24cm。

基樁長度：5m。

預(yù)力：采先拉法，施完預(yù)力之后再加以養(yǎng)護混凝土發(fā)展強度，以握裹預(yù)力鋼棒。

TYPE Ⅰ：完整基樁。

TYPE Ⅱ：保護層部分剝落，箍筋開始銹蝕。

制作：以保麗龍圓弧墊塊（90°圓?。┰谥谱鲿r放入，完成后可使得預(yù)力鋼棒與箍筋外露，放置位置在距離基樁底部2m處。保麗龍內(nèi)之箍筋斷面采用其余箍筋斷面約半。

TYPE Ⅲ：保護層部分剝落，箍筋銹蝕。

制作：同上方式，以保麗龍圓弧墊塊在制作時放入，放置位置在距離基樁底部2m處，保麗龍內(nèi)之箍筋不放，但預(yù)力鋼棒不變。

TYPE Ⅳ：保護層部分剝落，箍筋完全銹蝕并且預(yù)力鋼棒也部分銹蝕。

制作：同上方式，以保麗龍圓弧墊塊在制作時放入，放置位置在距離基樁底部2m處，保麗龍內(nèi)之箍筋不放，預(yù)力鋼棒于制作完成之后以砂輪機將露出的部分裁斷。

6 總結(jié)與建議

6.1 總結(jié)

FRP加強圍束效果之后，抗壓力有更趨加強的成效，且箍筋也可達到降伏，此外補強后搭接斷面以上的主筋應(yīng)變，比未補強的斷面大很多，可知FRP造成的圍束力有不少貢獻。部分研究中會忽略補強后柱體的箍筋視為無效，但是應(yīng)變計數(shù)據(jù)分析有部分箍筋應(yīng)變值仍會達到降伏應(yīng)變，顯示完全忽略補強后的箍筋過于保守，應(yīng)考慮雙重圍束情形。

使用FRP來增加韌性，其效能優(yōu)于鋼板補強。因為鋼板若在地震前段降伏，則因有殘余應(yīng)變，圍束效果會降低。但是對FRP而言，在破壞前的行為永遠為線彈性，圍束效果不會降低。又因為FRP是以貼覆或是纏繞方式施工，對矩形柱的轉(zhuǎn)角要先修成弧狀。因此對矩形柱而言，角落以外的地方，混凝土的圍束效果會較差。圓形柱則沒有這方面的困擾。若以外包FRP補強剪力強度時，不能使用至極限強度。因為其時變形太大，混凝土斜裂縫太寬，降低界面互鎖力。

若以外包FRP補強剪力強度時，不能使用至極限強度。因為其時變形太大，混凝土斜裂縫太寬，降低界面互鎖力。若使用玻璃纖維強化塑料（GFRP），其彈性系數(shù)較低，因此厚度需要很厚。改善的方式是在貼FRP前在主筋上加上預(yù)力或是在混凝土與FRP間高壓灌注樹脂，使FRP產(chǎn)生預(yù)力。由于FRP長時間而言會有預(yù)力松弛的現(xiàn)象，因此預(yù)力產(chǎn)生應(yīng)力盡可能不超過拉力強度25%為宜。

6.2 建議

6.2.1 基樁在實際制作時，在核心混凝土上會有些許的厚薄不一，造成瞬間壓力側(cè)混凝土碎掉，裂縫延伸至拉力側(cè)而整根基樁斷裂，這是在分析容易忽略的情形，建議未來研究應(yīng)留意圓管厚薄不同時所造成的影響。

6.2.2 分析時破壞部位是假設(shè)單一角度上的損壞，但實際上的破壞應(yīng)不會如此單純，未來研究破壞和修補的方式必須要多加檢討評估。

參考文獻

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[4]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

作者簡介：于曉鵬（1976-），男，供職于泰安市交通運輸局，中級職稱，研究方向：道路橋梁。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）