凱爾薩爾·吐爾迪

(新疆維吾爾自治區(qū)交通運輸工程質(zhì)量監(jiān)督局 烏魯木齊市 830000)

0 引言

鋼筋銹蝕引起的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的劣化，限制了其使用壽命，增加了維修成本。由于直接暴露于環(huán)境，橋面是最容易損壞的橋梁構(gòu)件之一，使用非腐蝕性玻璃鋼復(fù)合材料作為混凝土橋面的鋼筋，有可能提高使用壽命、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益[1-3]。

一種新型的FRP復(fù)合材料已用于橋梁的混凝土橋面加固[4-5]。其中可能影響橋梁使用壽命的元素包括碳纖維加固鋼筋的類型、配筋率、玻璃鋼加固橋面的面積和橋梁的位置。因此在橋梁關(guān)鍵位置安裝了相關(guān)儀器，以監(jiān)測從施工開始到施工完成數(shù)年后橋梁的性能。這些測試的主要目標是玻璃鋼復(fù)合加固技術(shù)和設(shè)計的實施，并證明其能夠滿足橋梁施工的所有要求。此外，總結(jié)了該工程的施工細節(jié)以及現(xiàn)場試驗和遠程監(jiān)測的一些成果，在不同的使用荷載和環(huán)境條件下，評估FRP加固的短期和長期性能以及改進當前的設(shè)計準則。

1 項目概況

新橋為梁式橋，四根主梁簡支，跨度30.60 m。橋面為200mm厚的混凝土板，連續(xù)三個跨度，每個跨度2.65 m，每側(cè)懸伸1.15 m。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁。一半橋梁的路緣、人行道和橋面板頂層用玻璃鋼復(fù)合鋼筋加固(GFRP)。在橋的同半部分，橋面板底層5m寬的部分用碳纖維增強復(fù)合筋加固(CFRP)。橋的另一半，包括路緣石、人行道、橋面板頂層以及橋面板底層的其余部分，用15m鋼筋加固(圖1)。

圖1 橋面加固

2 橋梁設(shè)計及施工

2.1 FRP鋼筋混凝土橋面板設(shè)計

使用平均28d抗壓強度為27～40MPa的普通混凝土。在這些橋梁中用作加固的玻璃鋼和碳纖維加固鋼筋都是涂砂鋼筋。表1列出了用于加固板的這些FRP桿的性能。為了開發(fā)新一代碳纖維增強聚合物和改善玻璃纖維增強聚合物的性能，對其性能進行了專門的研究。

對于混凝土橋面板的設(shè)計采用彎曲設(shè)計方法用鋼筋制成。然后，根據(jù)底部鋼筋層的等效剛度和頂部鋼筋層的等效強度替換鋼筋。這種設(shè)計方法最終在底部使用碳纖維增強聚合物，在頂部使用玻璃纖維增強聚合物?；炷翗蛎姘宓脑O(shè)計是根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計指南進行的。這種設(shè)計方法規(guī)定在頂部和底部使用相同數(shù)量的玻璃鋼棒。

表1 鋼筋性能

為了驗證設(shè)計，建造了幾座厚度和鋼筋與每座橋梁的實際混凝土橋面板相同的板原型，以鋼加固的板原型為對照進行了試驗，實驗結(jié)果對今后的實際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

2.2 橋梁施工和細節(jié)

(1)玻璃鋼棒安裝

由于玻璃鋼重量輕，可以在更短的時間內(nèi)處理和放置更多的玻璃鋼棒，在兩個方向上間隔0.9m，以支撐FRP鋼筋并保持所需的凈混凝土保護層。

(2)橋梁儀表

類似地，在關(guān)鍵位置使用光纖傳感器(FOS)對橋梁進行內(nèi)部溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，如圖2所示。不同類型的光纖傳感器安裝在鋼筋上，嵌入混凝土中，或粘在混凝土或鋼梁表面。此外，在測試過程中，使用尺子和經(jīng)緯儀系統(tǒng)測量混凝土板和梁的撓度，并使用固定在路邊的加速計測量橋梁的整體振動。每座橋的儀器都連接到一個32通道傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)配有一個調(diào)制解調(diào)器，允許通過遠程監(jiān)測和傳輸數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可以評估每種應(yīng)力類型(動態(tài)、振動、沖擊、熱等)的影響，以及引起橋梁最大應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù)。

圖2 嵌入式光纖傳感器

3 現(xiàn)場試驗

對橋梁進行了使用性能測試。按照相關(guān)的規(guī)定，使用兩個標準卡車荷載進行試驗，使用兩輛卡車在靜態(tài)和動態(tài)荷載下對橋梁進行測試。采用兩種不同速度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：1000Hz高速采集系統(tǒng)采集動態(tài)試驗數(shù)據(jù)，10Hz勻速采集系統(tǒng)采集靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝在橋下，以便在測試期間從光纖傳感系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)。

3.1 靜態(tài)試驗

橋上標出了在每個方向上的三個不同路徑。確定這些位置，以使所測量的鋼筋和混凝土截面中的應(yīng)變最大。測試是同時使用一輛卡車或兩輛卡車進行的。

圖3顯示了底部鋼筋(FRP和鋼筋)相對于橋梁沿線卡車位置的最大測量應(yīng)變之間的比較。在該圖中，水平軸上的零值表示前軸縱向中點直接位于給定儀表上的點。由于雙后軸總成和前軸對應(yīng)變讀數(shù)的影響，最大應(yīng)變值與橫坐標零值不一致。應(yīng)變值取決于裝載情況，即卡車位置和路徑。因此，對于每個圖表，考慮給出最大應(yīng)變讀數(shù)的卡車路徑。

圖3 不同鋼筋的最大拉伸應(yīng)變

可以看出，當卡車通過測試點時，在底部為碳纖維增強聚合物時只測量到12個微應(yīng)變的應(yīng)變變化。頂部玻璃鋼棒的拉伸應(yīng)變?yōu)?5個微應(yīng)變。這些應(yīng)變值小于材料極限應(yīng)變的0.12%，混凝土的最大拉伸應(yīng)變約為45個微應(yīng)變。當卡車通過計量器時，底層中測量到34個微應(yīng)變的變化。此處注意到，混凝土計量器嵌入在兩條鋼筋之間，與頂部和底部鋼筋處于同一水平?；炷另斆婧偷酌娴睦鞈?yīng)變分別達到最大值15、45和12、34微應(yīng)變。橋面板混凝土表面的這些應(yīng)變值遠低于混凝土的開裂應(yīng)變。

在靜態(tài)試驗中，測量了混凝土板和梁的撓度。在整個荷載期間，記錄的橋面和大梁撓度分別小于2 mm和10 mm。

3.2 動態(tài)試驗

使用靜態(tài)試驗中描述的相同的兩輛標準卡車進行動態(tài)試驗?？ㄜ囈?km/h、30km/h、50km/h和70km/h四種不同速度在每個方向上通過相同的三條路徑。在每種速度下，卡車在同一條道路上行駛，間隔30s。對于所有光纖傳感器，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)整為每秒1000個讀數(shù)。而對于加速度計，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被調(diào)整為每秒500個讀數(shù)。

FRP筋的最大應(yīng)變值與靜力試驗的最大應(yīng)變值順序相同。圖4顯示了試驗車輛以5km/h的速度行駛時底部鋼筋測得的最大應(yīng)變。

圖4 底部鋼筋的應(yīng)變分布(卡車速度5km/h)

3.3 遠程監(jiān)控

現(xiàn)場測試完成后，通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配備了調(diào)制解調(diào)器。然后它被固定在橋下一個受保護的地方。利用計算機軟件，我們的研究人員定期通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集的讀數(shù)。圖5顯示了自鋼筋放置之日起FRP鋼筋的最大測量應(yīng)變。所測的變化范圍為500με，是卡車運輸引起的25～33倍，這些變化基本上是由于劇烈的溫度變化[6]。

圖5 應(yīng)變隨時間變化

4 結(jié)論

根據(jù)施工細節(jié)、現(xiàn)場試驗結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

(1)由于使用了玻璃鋼棒，施工沒有遇到任何障礙。FRP鋼筋經(jīng)受住了正常的現(xiàn)場處理和放置問題。

(2)FRP筋的性能與鋼筋非常相似。在整個試驗過程中，F(xiàn)RP筋的最大拉伸應(yīng)變?yōu)?5個微應(yīng)變。該值小于材料極限應(yīng)變的0.12%。

(3)由于卡車裝載，混凝土中的最大拉伸應(yīng)變值非常小，10～25με，因為卡車裝載移動超過儀表。這些應(yīng)變遠低于混凝土的開裂應(yīng)變(舊混凝土為125με)。

(4)在實際使用條件下，由于溫度變化，F(xiàn)RP筋的應(yīng)變是卡車荷載的25～33倍。然而，這些最大應(yīng)變約為500με，約占材料極限應(yīng)變的3%～4%。