凱爾薩爾·吐爾迪

(新疆維吾爾自治區(qū)交通運(yùn)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(jì)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(cè)從施工開始到施工完成數(shù)年后橋梁的性能。這些測(cè)試的主要目標(biāo)是玻璃鋼復(fù)合加固技術(shù)和設(shè)計(jì)的實(shí)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(xì)節(jié)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的一些成果，在不同的使用荷載和環(huán)境條件下，評(píng)估FRP加固的短期和長(zhǎng)期性能以及改進(jìn)當(dāng)前的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1 項(xiàng)目概況

新橋?yàn)榱菏綐?，四根主梁?jiǎn)支，跨度30.60 m。橋面為200mm厚的混凝土板，連續(xù)三個(gè)跨度，每個(gè)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(qiáng)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(jì)及施工

2.1 FRP鋼筋混凝土橋面板設(shè)計(jì)

使用平均28d抗壓強(qiáng)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(qiáng)聚合物和改善玻璃纖維增強(qiáng)聚合物的性能，對(duì)其性能進(jìn)行了專門的研究。

對(duì)于混凝土橋面板的設(shè)計(jì)采用彎曲設(shè)計(jì)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(qiáng)度替換鋼筋。這種設(shè)計(jì)方法最終在底部使用碳纖維增強(qiáng)聚合物，在頂部使用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物?；炷翗蛎姘宓脑O(shè)計(jì)是根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)指南進(jìn)行的。這種設(shè)計(jì)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(yàn)證設(shè)計(jì)，建造了幾座厚度和鋼筋與每座橋梁的實(shí)際混凝土橋面板相同的板原型，以鋼加固的板原型為對(duì)照進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)今后的實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

2.2 橋梁施工和細(xì)節(jié)

(1)玻璃鋼棒安裝

由于玻璃鋼重量輕，可以在更短的時(shí)間內(nèi)處理和放置更多的玻璃鋼棒，在兩個(gè)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(hù)層。

(2)橋梁儀表

類似地，在關(guān)鍵位置使用光纖傳感器(FOS)對(duì)橋梁進(jìn)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(cè)試過程中，使用尺子和經(jīng)緯儀系統(tǒng)測(cè)量混凝土板和梁的撓度，并使用固定在路邊的加速計(jì)測(cè)量橋梁的整體振動(dòng)。每座橋的儀器都連接到一個(gè)32通道傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)配有一個(gè)調(diào)制解調(diào)器，允許通過遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和傳輸數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可以評(píng)估每種應(yīng)力類型(動(dòng)態(tài)、振動(dòng)、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(chǎng)試驗(yàn)

對(duì)橋梁進(jìn)行了使用性能測(cè)試。按照相關(guān)的規(guī)定，使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)卡車荷載進(jìn)行試驗(yàn)，使用兩輛卡車在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)荷載下對(duì)橋梁進(jìn)行測(cè)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(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，10Hz勻速采集系統(tǒng)采集靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝在橋下，以便在測(cè)試期間從光纖傳感系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)。

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)

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

圖3顯示了底部鋼筋(FRP和鋼筋)相對(duì)于橋梁沿線卡車位置的最大測(cè)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(diǎn)直接位于給定儀表上的點(diǎn)。由于雙后軸總成和前軸對(duì)應(yīng)變讀數(shù)的影響，最大應(yīng)變值與橫坐標(biāo)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(duì)于每個(gè)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(dāng)卡車通過測(cè)試點(diǎn)時(shí)，在底部為碳纖維增強(qiáng)聚合物時(shí)只測(cè)量到12個(gè)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(gè)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(gè)微應(yīng)變。當(dāng)卡車通過計(jì)量器時(shí)，底層中測(cè)量到34個(gè)微應(yīng)變的變化。此處注意到，混凝土計(jì)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(dá)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(yuǎn)低于混凝土的開裂應(yīng)變。

在靜態(tài)試驗(yàn)中，測(cè)量了混凝土板和梁的撓度。在整個(gè)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(dòng)態(tài)試驗(yàn)

使用靜態(tài)試驗(yàn)中描述的相同的兩輛標(biāo)準(zhǔn)卡車進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?？ㄜ囈?km/h、30km/h、50km/h和70km/h四種不同速度在每個(gè)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(duì)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(gè)讀數(shù)。而對(duì)于加速度計(jì)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被調(diào)整為每秒500個(gè)讀數(shù)。

FRP筋的最大應(yīng)變值與靜力試驗(yàn)的最大應(yīng)變值順序相同。圖4顯示了試驗(yàn)車輛以5km/h的速度行駛時(shí)底部鋼筋測(cè)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(yuǎn)程監(jiān)控

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(gè)受保護(hù)的地方。利用計(jì)算機(jī)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(cè)量應(yīng)變。所測(cè)的變化范圍為500με，是卡車運(yùn)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(shí)間變化

4 結(jié)論

根據(jù)施工細(xì)節(jié)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果和監(jiān)測(cè)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(chǎng)處理和放置問題。

(2)FRP筋的性能與鋼筋非常相似。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，F(xiàn)RP筋的最大拉伸應(yīng)變?yōu)?5個(gè)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?yàn)榭ㄜ囇b載移動(dòng)超過儀表。這些應(yīng)變遠(yuǎn)低于混凝土的開裂應(yīng)變(舊混凝土為125με)。

(4)在實(shí)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%。