夏立鵬　鄭愚

(1. 東莞理工學(xué)院　建筑工程系，廣東東莞　523808；2. 華南理工大學(xué)　土木與交通學(xué)院，廣州　510641)

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現(xiàn)有橋面板加固方法綜述

夏立鵬1,2鄭愚1

(1. 東莞理工學(xué)院建筑工程系，廣東東莞523808；2. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州510641)

摘要：橋面板在橋梁結(jié)構(gòu)中直接承受交通荷載是橋梁結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分。隨著重型車輛的增加和橋梁服役時(shí)間的增長，發(fā)現(xiàn)部分橋梁結(jié)構(gòu)中橋面板受損嚴(yán)重，因此針對橋面板發(fā)展出了一系列的加固修復(fù)方法。圍繞國內(nèi)外橋面板加固的技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了外貼鋼板加固，F(xiàn)RP材料加固(外貼FRP片材加固，外部FRP(筋)格柵加固，體外預(yù)應(yīng)力FRP筋加固和嵌入式FRP筋材)技術(shù)的應(yīng)用和研究發(fā)展情況，分析其優(yōu)點(diǎn)與不足，以促進(jìn)針對橋面板加固方法的研究工作的開展。

關(guān)鍵詞：橋面板；結(jié)構(gòu)加固技術(shù)；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

我國現(xiàn)有公路橋梁多為依據(jù)上世紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造，設(shè)計(jì)荷載較低。近年來，隨著重型車輛的逐步增加，公路橋梁的負(fù)荷日趨加重，原有設(shè)計(jì)荷載已不能滿足要求。同時(shí)隨著服役年限的增加，有些橋梁暴露出鋼筋或鋼材的腐蝕的問題，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早退化等問題[1]。橋面板作為橋梁結(jié)構(gòu)體系中直接承受交通荷載的構(gòu)件，其工作狀態(tài)決定橋梁能否正常使用，圖1為橋面板退化導(dǎo)致板底開裂。在橋梁結(jié)構(gòu)中，無論是混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合機(jī)構(gòu)，橋梁面板一般為鋼筋混凝土材料板[2]。因此尋找一種操作方便且有效提高橋面板承載力的加固方法十分必要，針對解決橋面板承載力問題的研究是具有實(shí)際意義的。

圖1　橋面板板底開裂[3]

板構(gòu)件由于受力情況較梁和柱等構(gòu)件更加復(fù)雜，破壞形式多樣化，針對板構(gòu)件加固效果的探索難度較大，因此針對板結(jié)構(gòu)開展的加固技術(shù)研究要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于梁柱等構(gòu)件。目前，針對橋面板的加固技術(shù)有：外貼鋼板加固和FRP材料加固。FRP材料加固又分為：外貼FRP片材(布)加固、FRP(筋材)格柵加固、預(yù)應(yīng)力FRP筋加固、嵌入式FRP筋加固。其中外貼鋼板加固和外貼FRP片材加固發(fā)展較成熟，我國規(guī)范已給出相關(guān)規(guī)定，但仍然存在較多問題。其余三種加固技術(shù)仍處在研究和部分工程試用階段，其中嵌入式FRP筋加固已經(jīng)在加固梁構(gòu)件研究中取得了很好的效果，美國規(guī)范(ACI 440.2R-02)中已給出嵌入式加固梁承載力計(jì)算方法。本文將具體介紹這兩類加固橋面板技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)展，對比不同加固技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，更好地促進(jìn)橋面板加固技術(shù)研究進(jìn)一步開展。

1外貼鋼板加固橋面板

外貼鋼板加固又稱粘鋼加固，通過膠結(jié)劑把鋼板粘貼在構(gòu)件受拉一側(cè)，以達(dá)到增強(qiáng)構(gòu)件抗彎、抗拉目的。在 20 世紀(jì) 60 年代中期，粘鋼加固技術(shù)最先出現(xiàn)在南非和法國。1967 年，南非的 Fleming 和 King 完成了素混凝土梁的外粘鋼板試驗(yàn)，這是將粘鋼法用于加固的首次嘗試[3]。70年代，各種新的結(jié)構(gòu)膠的出現(xiàn)使得該技術(shù)被應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)加固。1982年，英國謝菲爾德大學(xué)的R.Jones針對少筋梁和超筋梁粘鋼加固進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)得出始于鋼板端部的破壞裂縫會(huì)向梁跨中發(fā)展。隨后，針對鋼板與混凝土的粘結(jié)問題進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)加固鋼筋混凝土的鋼板端部存在應(yīng)力集中使得鋼板容易發(fā)生剝離破壞[5-6]。針對這種剝離破壞，在1988年英國R.Jones等通過在鋼板端部采取錨固措施的試驗(yàn)研究中分析了鋼板與混凝土之間的粘結(jié)關(guān)系，并對錨固措施提出了改進(jìn)方法[7]。我國從八十年代開始針對這一加固方式進(jìn)行研究。在1990年頒布的《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》[8]附錄中給出了關(guān)于構(gòu)件外部粘鋼加固的一些規(guī)定。

2003年，韓國學(xué)者JongsungSim等針對外貼鋼板加固橋面板進(jìn)行了試驗(yàn)研究[4]，由于板底整體加固面積較大，為避免發(fā)生粘結(jié)剝離失效采取錨固措施。先使用錨栓將加固鋼板與橋面板錨固，待錨固措施完成后將粘結(jié)劑注入鋼板和混凝土的接觸面，具體的加固方案如圖2所示，紅色圓部分為錨栓錨固區(qū)域。通過對比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)加固后橋面板荷載提高明顯，但破壞時(shí)比較突然且破壞前橋面板底部鋼筋未發(fā)生屈服。由此可以看出鋼板加固橋面板時(shí)，橋面板呈現(xiàn)出脆性破壞。目前國內(nèi)針對鋼板加固橋面板的研究尚未發(fā)現(xiàn)。

圖2　橋面板底部外貼鋼板加固[4]

外貼鋼板加固在建筑物的梁柱構(gòu)件加固中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。采用這種方法加固構(gòu)件，基本不增加構(gòu)件荷載，不改變原結(jié)構(gòu)體系和受力形式。膠粘劑硬化快，施工周期短，其強(qiáng)度高于混凝土強(qiáng)度保證了加固鋼板和原構(gòu)件共同工作。鋼板與鋼筋屬于同種材料，性質(zhì)相似，加固后相當(dāng)于增加原構(gòu)件配筋，從而提高了構(gòu)件承載力。鋼板加固后橋面板底平整，易于修飾。同時(shí)加固后鋼板能有效限制裂縫開展，提高構(gòu)件剛度和抗裂能力。

然而外貼鋼板加固本身存在著固有缺陷。從圖2的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盡管外貼鋼板加固對于提高橋面板承載力的作用非常明顯，但由于其加固過程中需要處理整塊橋面板底部，施工時(shí)需處理作業(yè)面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于梁柱構(gòu)件，工作量很大。鋼材易腐蝕一直是限制其耐久性的關(guān)鍵因素，實(shí)際中由于橋面板相對于梁構(gòu)件整體外貼鋼板加固面積很大，承受疲勞荷載，同時(shí)不可測因素較多，其耐久性還需進(jìn)一步長期試驗(yàn)研究。另外鋼板整體加固橋面板底部后，面板整體被覆蓋，這使得后期觀察橋面板底的損傷開裂變得困難，給后期橋面板的健康監(jiān)測帶來一定的難度，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)面板內(nèi)部產(chǎn)生的開裂破壞和裂縫發(fā)展等問題。

JongsungSim等采用的整體外粘鋼板加固橋面板底的方法雖然承載力提高很大但破壞突然，加固整體效果一般。在1995年Swamy R N等對粘鋼板梁進(jìn)行的長期的耐久性試驗(yàn)研究，這些加固后的梁在工業(yè)區(qū)暴露了11~12年，期間無任何保護(hù)措施，發(fā)現(xiàn)加固梁的耐久性令人滿意[9]。由此可看出減少加固鋼板使用面積更加有利于加固后橋面板的耐久性。因此通過上面的優(yōu)缺點(diǎn)對比，后期針對外貼鋼板加固橋面板進(jìn)行類似研究時(shí)可將鋼板裁成帶狀，在板底間隔一定距離粘貼，并在端部錨固。這種方法可保證耐久性，有效縮小作業(yè)面積，減少工作量。

2FRP材料加固橋面板

近二十年來纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer-FRP)由于具有耐腐、輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工便捷等特點(diǎn)已經(jīng)被廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域[10]。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由纖維材料與基體材料按一定比例混合并經(jīng)過一定工藝復(fù)合形成的高性能新型材料。常用的FRP的基體為樹脂、金屬、碳素、陶瓷等，纖維種類有玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、聚烯烴纖維、PBO(聚對亞苯基苯并雙啞唑)纖維以及金屬纖維等[11]。目前工程結(jié)構(gòu)中常用的 FRP 主要為碳纖維(carbon fiber)、玻璃纖維(glass fiber)、玄武巖纖維(basalt fiber)和芳綸纖維(aramid fiber)增強(qiáng)的樹脂基體，分別簡稱為GFRP、CFRP、BFRP、AFRP，具體參數(shù)見表1。

表1　常用纖維性能指標(biāo)對比[12]

從FRP材料具體采用形式上來看，常見的主要有片材(FRP纖維布和FRP板)、筋材、格柵。纖維布(如圖3a)是采用連續(xù)的長纖維編織而成的，通常為單向纖維布，使用前不浸潤樹脂。從用量上來說纖維布是目前應(yīng)用最為廣泛的形式，通常用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固，使用樹脂浸潤后貼于構(gòu)件表面。FRP板(如圖3b)通常是將纖維在工廠中經(jīng)過層鋪、浸潤樹脂、固化預(yù)成型而制成，施工中將其粘貼或錨固于結(jié)構(gòu)表面。FRP 筋(如圖3c)是采用單向成型工藝(如拉擠)，將單向長纖維與樹脂混合成型為棒材，可對其表面進(jìn)行處理，以增強(qiáng)其與混凝土的粘結(jié)作用。將長纖維束按照一定的間距相互垂直交叉編織，再用樹脂浸潤固化可形成FRP網(wǎng)格材或FRP格柵(圖3d)。

圖3　FRP材料的各種形式

2.1FRP片材加固橋面板

當(dāng)前對橋面板加固采用FRP片材的形式較多。將橋面板底部進(jìn)行表面清潔，要修補(bǔ)的部位混凝土打磨平整，涂刷特定環(huán)氧樹脂，然后粘貼纖維布，最后再涂一層環(huán)氧樹脂自然固化養(yǎng)護(hù)。針對不同強(qiáng)度的需要可以粘貼多層，但針對橋梁修補(bǔ)時(shí)不宜大量多層使用[14]。當(dāng)前針對纖維布加固橋面板的研究主要集中在承載力，破壞模式，延性方面。

2002年，JongsungSimb，Hongseob等[4,15]針對FRP外貼加固進(jìn)行了一系列的研究，主要針對碳纖維布、玻璃纖維布兩種不同材料，單向和雙向兩種不同加固方式以及不同加固率下橋面板的承載力和破壞模式對比分析。通過對比破壞模式和承載力發(fā)現(xiàn)碳纖維布加固效果好于玻璃纖維布，雙向粘貼FRP布好于單向粘貼FRP布，同時(shí)對加固后的面板引入理論分析建立了一套能比較準(zhǔn)確計(jì)算加固后承載力的計(jì)算方法。考慮到加固后橋面板直接承受交通荷載，Hongseob等進(jìn)一步對加固后的橋面板進(jìn)行疲勞加載，發(fā)現(xiàn)外貼FRP布加固橋面板可顯著提高橋面板的疲勞壽命，并且加固材料和混凝土表面的粘結(jié)特點(diǎn)是影響加固后橋面板疲勞壽命效果的主要因素[16]。

胡孔國等[17]使用FRP布加固橋面板來提高某高速公路匝道承載能力，對其進(jìn)行了以連續(xù)板為原型的加固前后承載力對比模型試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對橋面板采取加固措施時(shí)，若橋面板初始彎矩大于一定數(shù)值則隨著初始彎矩的增加極限承載力顯著降低，所以加固橋面板前應(yīng)盡可能卸載。同時(shí)，碳纖維布加固橋面板后，對鋼筋屈服前的橋面板剛度提高不大，對鋼筋屈服后的橋面板剛度提高相當(dāng)顯著。

陳碧亮等[18]對CFRP布加固后橋面板進(jìn)行了延性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)加固后構(gòu)件的延性系數(shù)不足未加固的一半。其原因是加固后構(gòu)件多發(fā)生粘結(jié)破壞而非強(qiáng)度破壞，這很大程度上影響了構(gòu)件延性。因此針對這一問題，該試驗(yàn)對構(gòu)件采用了端部錨固措施，分別為端部壓條錨固和端部螺栓錨固，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用壓條錨固后橋面板延性系數(shù)有所提高，而采用螺栓錨固相比未采用錨固措施加固后的橋面板延性系數(shù)略有降低。所以從延性角度來看壓條錨固性能要優(yōu)于螺栓錨固。

外貼FRP布加固在當(dāng)前的工程中應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，通過上面的研究和工程實(shí)例可以看出這種加固方式對于橋面板承載力的提高顯著。但這種加固方式也面臨著一些問題，如加固后面板延性降低，構(gòu)件多發(fā)生粘結(jié)破壞。在一些工程實(shí)例中也發(fā)現(xiàn)橋底通過的船只桅桿會(huì)刮破橋面板底部FRP片材(布)，造成加固材料的損壞，因此需要采取進(jìn)一步的保護(hù)措施。試驗(yàn)中加固橋面板與加固材料的粘結(jié)破壞是造成加固后橋面板延性系數(shù)降低的主要原因，所以針對如何避免加固材料的粘結(jié)失效和提高橋面板延性還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。采用不同錨固措施對加固橋面板的影響應(yīng)進(jìn)行更加詳細(xì)的試驗(yàn)對比分析。

2.2FRP(筋材)格柵加固橋面板

FRP格柵應(yīng)用之初主要用于惡劣環(huán)境下替代鋼筋網(wǎng)片，例如用作橋面板中的增強(qiáng)筋網(wǎng)片。其在結(jié)構(gòu)加固中一般較少使用。韓國JongsungSimb等[4]采用CFRP格柵和雙向CFRP筋對橋面板進(jìn)行加固，并對比了兩種方式加固橋面板后的承載力和延性。通過錨栓將加固筋材錨固于橋面板底部，并覆蓋一層砂漿(如圖4)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ途唧w的錨固細(xì)節(jié)見圖5。試驗(yàn)對比了CFRP格柵和外貼CFRP布的加固結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這兩種加固方式中CFRP格柵加固的橋面板延性和承載力均好于之前的雙向CFRP布加固。另外由于CFRP筋雙向布置其整體性不如CFRP格柵，所以試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)CFRP格柵加固的橋面板延性要好于雙向CFRP筋。

圖4　 CFRP筋加固橋面板板底處理[4]

圖5　CFRP筋加固方案和錨栓位置[4]

目前，在實(shí)際工程中尚未發(fā)現(xiàn)使用雙向FRP格柵和筋材的方式來加固橋面板的例子。從已有的試驗(yàn)?zāi)Ｐ图庸探Y(jié)果上來看其效果顯著。但這種體外錨固FRP格柵或筋材并覆蓋砂漿層的加固方法，需要處理幾乎整個(gè)板底，將筋材進(jìn)行錨固，然后覆蓋砂漿層，操作上較外貼鋼板加固更加復(fù)雜，工序繁瑣，施工的工作量很大，實(shí)際工程中推廣應(yīng)用難度較大。

2.3體外預(yù)應(yīng)力FRP筋加固橋面板

體外預(yù)應(yīng)力FRP筋加固是通過增設(shè)FRP筋對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，通過體外預(yù)應(yīng)力筋對結(jié)構(gòu)施加預(yù)壓應(yīng)力，用以全部或部分抵消結(jié)構(gòu)受彎矩作用引起的截面受拉區(qū)應(yīng)力。與其他加固方法最大的區(qū)別是這是一種主動(dòng)的加固方法，預(yù)應(yīng)力的施加使得原結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重新分布，降低結(jié)構(gòu)原有應(yīng)力水平，使其它加固方法中普遍存在的應(yīng)力應(yīng)變滯后現(xiàn)象的影響能有所降低。

目前，國外針對體外預(yù)應(yīng)力FRP筋的研究已經(jīng)相當(dāng)豐富，并大量用于實(shí)際工程中。體外預(yù)應(yīng)力的概念和方法起源于法國，由Eu-gene Freyssinet完成體外預(yù)應(yīng)力的首次應(yīng)用。1936年，德國Franz Dischinger工程師設(shè)計(jì)建造了世界上第一座預(yù)應(yīng)力混凝土橋—Aue橋，并獲得了體外無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的專利。20世紀(jì)70年代末，原聯(lián)邦德國首先對用玻璃纖維加勁塑料替代預(yù)應(yīng)力鋼材做了大量試驗(yàn)，并于1980年起開始用GFRP預(yù)應(yīng)力筋修建人行試驗(yàn)橋。日本是使用碳纖維塑料筋(CFRP)和芳綸纖維塑料筋(AFRP)較早的國家，1988、1996年預(yù)應(yīng)力CFRP筋和AFRP筋分別被用于公路橋梁和懸索板橋。20世紀(jì)90年代后期，用FRP預(yù)應(yīng)力筋修建的橋梁已達(dá)20余座[19]。

1993年T.Kato和N.Hayashida在對配置CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的抗彎性能試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)：將配置體內(nèi)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋改為配置體外無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋，梁的破壞形式由CFRP筋斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷帘粔核?，破壞時(shí)結(jié)構(gòu)的變形大大改善[20]。

1998年N.F.Grace等對配置體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁橋進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對4座試驗(yàn)橋分別進(jìn)行了靜載試驗(yàn)、循環(huán)加載試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)。研究表明：加大轉(zhuǎn)向塊半徑和轉(zhuǎn)向塊表面加墊層都可以減少體外筋在轉(zhuǎn)向塊處的摩擦損失，折線形體外預(yù)應(yīng)力筋、體內(nèi)縱向有粘結(jié)筋和體內(nèi)橫向無粘結(jié)筋混合配筋可以提高結(jié)構(gòu)的延性[21]。

我國針對這種方法已經(jīng)進(jìn)行了一些相關(guān)的工程和試驗(yàn)研究。王鵬等[22]在淮安市何圩橋中設(shè)計(jì)建設(shè)了一跨利用CFRP筋加工的碳絞線進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力的混凝土簡支梁(如圖6)，為該類橋梁的研究提供參考。試驗(yàn)探討了此類橋梁中撓度、延性和抗彎、抗剪的計(jì)算方法。結(jié)果表明：應(yīng)用的預(yù)應(yīng)力束、裂縫寬度、構(gòu)件的撓度、延性以及極限抗彎承載能力各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。

祝玉斌[23]針對水閘橋板采用體外預(yù)應(yīng)力GFRP筋進(jìn)行加固。由于所用的GFRP筋與傳統(tǒng)的鋼筋、鋼絞線等差別很大，屬于脆性材料，即其橫向抗壓能力較弱，所以GFRP筋錨具采用粘結(jié)型套筒式錨具，具體錨固措施見圖7。試驗(yàn)研究了體外預(yù)應(yīng)力GFRP筋加固量以及張拉力大小對試驗(yàn)板開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和短期剛度的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著GFRP筋用量的增加試驗(yàn)板的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載均有提高且在同等荷載下試驗(yàn)板撓度會(huì)變小，而提高張拉力對荷載和撓度的作用不明顯。最后通過試驗(yàn)結(jié)果分析并結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范，基于混凝土板受彎基本理論建立了體外預(yù)應(yīng)力GFRP筋加固單向板正截面承載力的計(jì)算公式。

圖6　碳絞線體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁[22]

圖7　體外預(yù)應(yīng)力FRP筋加固橋面板錨固措施[23]

目前，體外預(yù)應(yīng)力FRP筋加固橋面板仍然存在著一些問題，如應(yīng)力損失，部分試件錨固端發(fā)生破壞等，同時(shí)體外預(yù)應(yīng)力FRP筋直接裸露在橋面板一段距離外，更加容易受到外部因素的干擾作用，加固筋材更容易受到損傷，影響加固后的長期效果。

2.4表層嵌貼FRP加固橋面板

表層嵌貼FRP加固(Near-surface mounted，簡稱NSM)法是在原有FRP表層粘貼法基礎(chǔ)上的發(fā)展和創(chuàng)新，具體操作是在鋼筋混凝土構(gòu)件表面按照設(shè)計(jì)要求開槽，將FRP筋材或FRP板材嵌入槽中，利用粘結(jié)劑使其與構(gòu)件緊密粘結(jié)(見圖8)。與FRP表面外貼加固法相比嵌貼FRP可以避免磨損、碰撞等意外作用，筋材在槽內(nèi)與混凝土三面均有粘結(jié)，粘結(jié)效果更好，便于與相鄰構(gòu)件錨固，并且減少了對構(gòu)件表面的處理工作量，提高了施工效率。

圖8　表層嵌貼 FRP 加固法[24]

早在1948年，瑞典的Asplund[30]曾用此項(xiàng)技術(shù)加固瑞典一座橋梁。他把鋼筋置于混凝土結(jié)構(gòu)表面的槽中，在槽中灌入水泥漿，然后用噴漿混凝土覆蓋進(jìn)行表面處理。然而，由于水泥漿的粘結(jié)性能較差，所以加固部分與原結(jié)構(gòu)粘結(jié)效果不好，從而影響了加固效果。如今隨著FRP復(fù)合材料的深入研究利用其本身的高強(qiáng)防腐的特點(diǎn)來替代鋼筋，并采用新型的粘結(jié)劑替代水泥漿，使得嵌入式加固有著非常廣闊的應(yīng)用前景。此項(xiàng)技術(shù)在國外已被一些工程加固項(xiàng)目所采用。

1997年，Paolo Casadei等[31]分別采用了外貼FRP片材和表層嵌貼FRP筋的方法對美國密蘇里州的一座損壞橋梁(Martin Spring橋，如圖9所示)的不同區(qū)域面板進(jìn)行加固，并針對加固前后進(jìn)行了車輛荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種加固方式對于橋面板都十分有效。Tarek Alkhrdaji等[32]針對一座即將拆除的損壞的橋梁(Bridge J-857)同樣分別采用了外貼FRP片材和表層嵌貼FRP筋的方法進(jìn)行加固，發(fā)現(xiàn)外貼FRP片材加固橋面板破壞時(shí)伴隨著加固材料的斷裂和粘結(jié)層的剝離，而表層嵌貼FRP筋加固的橋面板破壞多為筋材的斷裂。試驗(yàn)結(jié)果表明表層嵌貼FRP筋加固的橋面板承載力要高于外貼FRP片材加固后的橋面板。

圖9　Martin Spring橋面板底部嵌入式加固[31]

Christina O’Neill[33]等使用不同種類筋材：玻璃纖維筋(glass FRP)、碳纖維筋(carbon FRP)和MMFX鋼(MMFX steel)對試驗(yàn)制作的橋面板板帶進(jìn)行加固，研究結(jié)果表明以MMFX鋼筋作為嵌入式筋材對約束構(gòu)件開裂的作用要比FRP筋嵌入式加固的板帶更為顯著。同時(shí)也對比不同類型粘結(jié)劑：環(huán)氧樹脂(Epoxy)、水泥漿(Cement grout)對加固效果的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑對加固后板帶承載力的提高程度要高于水泥漿作為粘結(jié)劑的板帶，并且采用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑加固后的板帶延性好于以水泥漿作為粘結(jié)劑的板帶。

2008年Foret和Liman開展了CFRP筋嵌入式加固混凝土雙向板在局部面積荷載作用下工作機(jī)理試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)FRP片材外貼加固技術(shù)，F(xiàn)RP筋嵌入式加固混凝土板結(jié)構(gòu)更具延性，F(xiàn)RP材料與混凝土粘結(jié)面積增加，不易發(fā)生加固材料剝離破壞，能有效提高結(jié)構(gòu)加固效果降低加固率[34]。

當(dāng)前國內(nèi)針對表層嵌貼FRP筋加固方法主要集中在加固鋼筋混凝土梁構(gòu)件的抗彎破壞[24-29]、抗剪破壞和粘結(jié)破壞研究，未發(fā)現(xiàn)針對板構(gòu)件尤其是針對橋面板的表層嵌貼FRP筋加固方法的研究。

圖10　外貼FRP板材及底部嵌入式FRP筋加固橋面板

從已有實(shí)際加固工程來看，橋面板表層嵌貼FRP筋加固方法與外貼FRP片材加固方法相比，加固材料和原構(gòu)件之間的粘結(jié)更加緊密，加固時(shí)板底處理的面積更小，施工更加方便。這種加固方法在加固橋面板方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。所以針對表層嵌入FRP筋加固橋面板，研究加固后橋面板的承載力提高程度，筋材與面板之間的粘結(jié)關(guān)系，橋面板的破壞模式和延性變化，橋面板在疲勞荷載下工作狀態(tài)，是當(dāng)前亟需進(jìn)行且非常有意義的一項(xiàng)工作。課題組現(xiàn)已針對這種加固橋面板方法展開了試驗(yàn)研究。為避免嵌入式加固橋面板過早發(fā)生混凝土剝離或粘結(jié)破壞，鄭愚提出了橋面板橫向采用嵌入式FRP筋加固，縱向采用外貼FRP片材起到約束錨固嵌入式筋材的作用(如圖10)。這種方法能有效提高橫向FRP筋材的穩(wěn)定性和錨固程度，而且雙向加固的效果對橋面的穩(wěn)定性和雙向抗剪抗彎性能均有提高，能較大程度提升加固效果。

3結(jié)語

本文介紹了橋梁結(jié)構(gòu)中橋面板加固技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用和研究情況。橋面板在橋梁結(jié)構(gòu)中直接承受交通荷載，并且荷載分布極不規(guī)律，其破壞的規(guī)律與其他構(gòu)件相比更加復(fù)雜。當(dāng)前，國內(nèi)在橋面板加固技術(shù)的應(yīng)用和研究相對國外較少。

從加固材料上來說FRP材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)耐腐蝕的特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)鋼材在加固領(lǐng)域有著更好的應(yīng)用前景。從加固方式上來說，外貼FRP片材在工程中的應(yīng)用最為廣泛，而嵌入式FRP筋材加固有著更加明顯的優(yōu)點(diǎn)并已開展了大量的研究。同時(shí)當(dāng)前已經(jīng)開展了針對加固技術(shù)中粘結(jié)問題的研究，錨固措施的應(yīng)用提高了FRP加固材料與混凝土的協(xié)同工作性能，從一定程度上緩解了這個(gè)難題。深入研究加固構(gòu)件的粘結(jié)破壞機(jī)理，針對橋面板加固材料提出更加合理的錨固措施將使這種技術(shù)得到更好的應(yīng)用。

當(dāng)前針對橋面板加固研究中，通常將橋面板取為板帶進(jìn)行抗彎性能研究，但實(shí)際中橋面板受到支撐梁的約束產(chǎn)生壓縮薄膜效應(yīng)。研究中有必要考慮面板邊界支撐條件因素對其抗彎加固性能作用。應(yīng)當(dāng)考慮加固后橋面板內(nèi)壓縮薄膜效應(yīng)來建立加固后橋面板承載力計(jì)算公式。另外橋面板通常承受局部面積區(qū)域荷載(輪胎荷載)，因此有必要分析加固橋面板結(jié)構(gòu)在局部輪載作用下的受力性能及相應(yīng)承載力和失效機(jī)理。在研究承載力和靜力加載破壞模式基礎(chǔ)上，結(jié)合橋面板實(shí)際使用狀態(tài)，應(yīng)對加固橋面板進(jìn)行疲勞荷載下的研究。

橋面板是橋梁結(jié)構(gòu)中的重要組成構(gòu)件，提出合理有效的加固技術(shù)來更好更快修復(fù)破損的橋面板，提高現(xiàn)有橋面板的承載力，使舊橋梁結(jié)構(gòu)更好的服務(wù)于交通運(yùn)輸，會(huì)帶來不可忽視的綜合經(jīng)濟(jì)效益。希望通過本文，能夠使研究人員對橋梁面板的加固技術(shù)有更多的認(rèn)識，積極參與橋面板加固研究，提升我國土木建筑加固技術(shù)水平。

參 考 文 獻(xiàn)

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Strengthening Methods for Bridge Deck Structures

XIA Lipeng1, 2ZHENG Yu1

(1. Department of Civil Engineering, Dongguang University of Technology, Dongguan 523808, China;

2. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

AbstractBridge deck in bridge structure bearing directly the traffic load is an important part of the bridge structure system. With the increase of heavy vehicles and the bridge service time, bridge decks in part of the bridge structure are found severely damaged, so a series of strengthening and repairing methods have been developed. This paper reveals the research and development of different strengthening design procedures, which are applied to improve the structural performance of bridge decks, discussing and presenting the advantage and limitation of those strengthening methods by studying the application of different strengthening methods, including external bonding steel plates and FRP material strengthening method(external FRP sheets, external FRP grid, external prestressed FRP tendons and the near surface mounted FRP rods), which can improve the researches related to strengthening technology in bridge deck structures.

Key wordsconcrete bridge deck; structural strengthening method; fiber reinforced polymer plastic

文章編號：1009-0312(2016)01-0080-10

中圖分類號：U445. 7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：夏立鵬(1991—)，男，河北刑臺人，碩士生，主要從事結(jié)構(gòu)復(fù)合材料加固，結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究。

基金項(xiàng)目：廣東省優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃(Yq2013155)；廣東省交通廳科技計(jì)劃(2013-02-029)。

收稿日期：2015-09-21