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FRP层板在钢筋混凝土T梁桥结构加固中的应用
摘要
本文介绍了纤维增强聚合物（FRP）复合材料层合板在纽约伦斯勒县南特洛伊地区加固钢筋混凝土T梁桥的应用。该地区单跨结构的端部接头处的渗漏导致桥梁上部结构中大量的水分和盐分渗透，风化的影响使梁上的某些位置冻融开裂和混凝土分层。由于缺乏关于桥梁设计的任何文件，如钢筋尺寸、钢类型、混凝土强度和设计荷载，提高钢桥的完整性和桥梁的整体安全性的问题都产生了难度。因此，决定使用加固FRP层合板的桥梁。并进行了荷载试验，评价加固体系的有效性，对加固效果进行了研究，对结构性能和测试结果与使用经典分析得到的结果进行了比较。
关键词：先进复合材料；FRP材料；桥梁修复；桥梁恢复；T梁桥；桥梁加固；新型材料
1、引言
虽然运输机构在资源有限情况下面临着持续的挑战仍保持运输桥梁良好的运行状态。然而桥梁结构正在迅速恶化，修理和更换的成本不断上升。即使在资源可用的情况下，也需要延长时间来执行所需的补救措施，造成交通中断和公众出行的不便。面对这些挑战，运输机构有了一种解决方案，在桥梁修复中应用纤维增强聚合物（FRP）材料。虽然这些材料最近才被引入土木工程应用中，但由于其性能优良和安装方便，未来几年的使用可能会有显著的提高。使用这些材料的桥梁加固通常比更换成本低，并且更好的承担较低的载荷。FRP材料的使用显著缩短了修复的时间，减少了对公众出行的不便和对所在服务地区的经济损失。复合材料也有助于直接提高桥梁等级，通过加强劣化部件或间接地通过更换现有的混凝土板与更轻的玻璃钢复合材料甲板。
早在20世纪60年代，环氧树脂偶尔被用于将钢板连接到建筑物和桥梁的挠性混凝土构件的张拉区。然而，由于钢的腐蚀会导致粘结损失和由此导致的构件失效，焦点已经转移到复合材料作为替代材料。玻璃纤维（GFRP）、芳纶（AFRP）和嵌入聚合物树脂中的碳纤维（CFRP）纤维现在被替代钢板。复合材料除了具有非腐蚀性外，还具有比钢更高的强度和更轻的重量。
Ritchie等人对FRP（玻璃、碳、芳纶）板与拉应力区加固混凝土梁性能的研究表明，FRP加固梁的刚度增加了17-79%，梁的极限强度提高了40-97 %。Orsquo;Conner等人采用粘结FRP层合板来有效地加固盖梁，并总结了桥梁修复技术的可行性。Mayo等人应用粘贴FRP层合板加固和提升密苏里某钢筋混凝土板桥的荷载限制。Spadea等人研究粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受力性能。他们的研究强调了在设计中考虑端部锚固应力的重要性，并指出当使用外锚具时承载能力增加了70%。Saadatmanesh和 Ehsani研究了GFRP板加固钢筋混凝土梁试件的极限承载力和挠度。FRP层压粘结混凝土梁的失效是由Meier和Winistorfer研究的，指出了在层压板系统的失效模型中由于剪切裂纹的发展，CFRP层合板剥离。其他报告类型的故障包括钢筋屈服，混凝土破碎，层合板破裂，以及在加固表面分层。Hag-Elsafi等人研究了FRP复合材料在钢筋混凝土桥梁修复中的有效载荷试验。Sharif等人研究了用GFRP板加固预加载钢筋混凝土梁，并总结了附加的破坏机理。Hag- Elsafi菲等人讨论了FRP材料在加固钢筋混凝土桥梁构件中的应用，Hag Elsafi和Alampalli研究了预应力混凝土桥梁构件的相似应用。研究人员包括Mukhopadhyaya、Swamy、Neubaurer、Rostasy、Ueda等人研究了在层合板与混凝土之间的锚固应力和连接，BRONSES和Van Gemert、Rabinovitch和FROSTIG。这些努力的一些结果导致方程估计锚固长度，并都强调了适当锚固的重要性和考虑层合板在设计中的重要性。采用Muszynski和Sielkoksw研究了碳纤维复合材料加固混凝土梁的疲劳强度。这些努力的一些结果导致方程估计锚固长度，并都强调了适当锚固的重要性和考虑层合板在设计中的重要性。Muszynski和Sierakowski研究了碳纤维布加固混凝土梁（加筋和非加固）的疲劳强度。Khalifa，Lees，Kachlakev和Hutchinson，Rizkalla等人研究了纳米复合材料加固混凝土构件的抗剪性能。
最近，纽约州交通部在一个示范工程中使用了粘结FRP层合板来修复混凝土T梁桥的梁，以增加其弯曲和剪切能力。修复的总成本估计为300000美元，而完全结构置换所需的费用为120万美元。因此，本文研究了在役荷载作用下桥梁加固T形梁加固体系的有效性并对在“FRP层压系统”安装之前和之后两次对桥梁进行测试和负载进行了测试。
2、背景和目标
本文中所讨论的桥位于纽约伦斯勒县南特洛伊市温纳特里克河上的378号公路。这个钢筋混凝土简支T梁结构是1932年建立的桥长12.19m，宽约36.58米，由26根梁在1.3-7米的中心与中心隔开。图1显示了桥面和横跨甲板的横截面的平面图。这座桥在没有重量限制的情况下已经通车，平均每天的交通量约为30000辆。它有五条车道，是连接南特洛伊城和哈得逊河以西地区的重要路线。在常规检查中，桥梁上部结构中观察到过多的水分和盐分浸润。许多梁的大面积覆盖着风化、冻融开裂，少数梁表现出混凝土分层的迹象。由于没有可靠的结构评估所需的完整信息的任何文件，提高了钢筋的截面损失对腐蚀和结构的整体安全性的关注。纽约州运输部（NYSDOT）选择重新配置该结构，而不是替换或装载过帐。基于FRP层压板加固系统的应用是最不受交通影响的，是最实用的。修复工作，包括在桥下架设一个全尺寸的平台，在1999八月至十一月期间完成了层合板的表面准备和安装。本文的研究目的是评估在工程中使用的加固FRP系统的有效性，并研究其对桥梁结构行为的影响，得到使用荷载试验在使用前后进行层压系统安装的结果。
图1 桥梁平面图和横剖面图 图2 典型的内梁截面
2.1、估算服务负荷应力
图2示出了内部梁的典型截面，主梁为当暴露于器械时，测量钢筋的大小为8.32mm的加固钢筋。主要钢筋的数量和布局以及腹板和桥面加固的细节在车间图中显示，但这可能不代表施工的最终细节。在设计和修复阶段，混凝土和钢筋的强度是不能确定的。
大致地假定钢屈服强度为206.84MPa，混凝土抗压强度为20.68MPa，同时忽略受压钢筋的受力情况，估计了美国国家公路运输协会（AASHTO）M18和MS18的最大工作负荷应力呈现在表1中。计算的主要钢筋和混凝土应力也与同一表中的相应允许值进行了比较。注意，在分析中使用标称钢筋区域，不考虑腐蚀引起的任何退化。在分析的基础上，虽然在役荷载应力相对较低，但也有必要加强桥梁的挠曲和抗剪，并利用FRP层合板来抑制裂缝。
表1 服务负荷应力总结
设计荷载(MPa) M18 MS18 容许应力(MPa)
钢筋应力 85.63 97.15 113.76
混凝土应力 4.21 4.76 8.27
3、FRP层压板系统的设计与安装
在下一节中讨论了加强系统的设计、表面准备和层压安装。层合板的设计是由第三方与层压板制造商签订的合同。这个设计是保修协议的一部分，在部门和制造商之间涉及到系统的整体性能，根据制造商推荐的程序进行表面准备和层压安装。
3.1、玻璃钢层板设计
该系统的弯曲和剪切设计是基于在钢筋区域的由于腐蚀带来的的15%假定损失。根据该方法，根据以下方程计算层合板A1的所需面积：
其中和分别是钢筋的面积和屈服应力，而是叠层材料的设计应力。重要的是要注意，这种方法不考虑应变兼容性并使用简单。在补偿钢筋锈蚀区域的前提下，更为实际的对层板尺寸的计算方法需要基于：
其中d是梁的有效深度，beta;1c是惠特尼等效矩形应力块的深度，H是梁的总深度。腹板用U形保温套加强剪切以包含分层和冻融开裂的进一步传播，并提供附加锚固的主层板。这些保温套的设计也是基于类似的百分比损失的剪切加强箍筋。然而，这种方法也不精确，并且估计层合板对剪切强度贡献的方法更合适。在设计（图3）中假定的叠层系统是Replark系统reg;，由Replark 30reg;单向碳纤维和三种类型的环氧材料、底漆、腻子和树脂组成，全部由日本三菱化学公司制造。在表2中总结了Replark 30reg;层压板的性能。3400MPa的极限强度对应于1.5%的保证极限应变。设计强度为2/3的极限强度。与大多数材料不同，FRP层合板的应力-应变曲线通常表现出弹性（线性）行为直至达到失效。在图3中，位于梁腹板底部的层合板和横梁之间的横梁，表示为全跨度长度，平行于梁定向。那些在凸缘之间的横梁，在横梁之间以与梁成直角的方向定向。U型保温套应用于梁的底部和侧面，平行于U形保温套的腿。
图3 推荐的加强FRP层压板方法
3.2、玻璃钢层压系统的安装
根据层合板生产商推荐的工艺进行表面准备和层合板安装，首先对可见裂缝梁进行修补（拆除松散混凝土并用新修补混凝土代替），并用CE填充裂缝。灌浆材料和不平整表面被磨光成光滑的表面。梁腹板的尖锐边缘被平滑。然后在下面的桥上喷砂，用水压洗，去除任何可能导致层压板剥离的松散表面材料。表面干燥后，层压板位置清晰可见。在FRP层合板安装的位置施加底漆，然后用腻子（图4（a））。环氧树脂被施加到表面，然后放置层压板。根据制造商的规格，采用辊压力浸渍层压制品，并使用加热器来控制固化温度。底漆、腻子和树脂的性能在参考文献1.2中给出。最后，对玻璃钢层压制品进行了紫外光保护和美学保护（图4（b））。安装后10天进行后负荷试验，制造商建议7天的最小硫化时间。
表2
玻璃钢层压材料性能
特性 数值
弹性模量 (El ) (MPa) 2.3 times; 105
极限应变(%) 1.5
最大应变(%) 1.8
极限强度(MPa) 3400
设计强度(MPa) 2267
图4（a）底漆和油灰在标记位置应用（b）安装FRP层压板系统（油漆与混凝土颜色相匹配）。
4、载荷试验和仪器计划
测试程序的主要目的是通过在“载荷测试”之前和之后评估层叠系统在降低桥梁梁和甲板中的活载应力方面的有效性，并提供用于研究系统对系统的影响的信息。当两个车道直接位于梁的上方时被判断为足以反映横向活荷载分布桥梁性能仅在26个梁中加载九个梁。这些是图1中的带梁的7号和15号梁。对于弯曲评价，仅在这些梁的中间跨度获得钢筋和层压板应变，以提供活载分布的信息。中心梁上的另外两个位置也被检测：在支撑附近观察加固系统对剪力的影响，以及在四分之一中跨处，以评估层合板粘结对混凝土和层合板的应力。用于测量钢筋、混凝土和层压板上这些应变的仪器的位置如图5 7所示。基于此方案，可以确定钢筋和叠层应力，以及有效的翼缘宽度和中心轴上的中性轴的位置。此外，还可以确定中心梁一端的混凝土剪切应力。
图5应变片在钢筋上的安装位置
图6应变片在混凝土上的安装位置
图7应变片在FPR层板上的安装位置
4.1仪器和数据采集
两两种常规应变仪用于测量应变，这两种方法都是由测量组在北卡罗莱纳的罗利公司reg;制造的。一般350 Q（EA 06250AE-350型），自温度补偿，康铜应变片，直接安装在钢筋和FRP层合板上。关于混凝土，120 Q（EA 0620CBW-120型）用环氧树脂将具有大测量网格的康斯坦坦应变片粘接。在安装前的试验中，在钢筋上安装了10个应变计，13个安装在混凝土上，另外18个与层合板结合用于后安装测试（图5 7）。两种试验中使用的所有计量器都是防水的，并且长期不受环境保护。系统4000由测量组reg;制造通用应变计测量系统也用于数据采集。
4.2、负荷试验车
我们在负载测试中使用的卡车，每个典型的配置如图8所示。这些卡车的平均重量大约是196千克。通过给四辆卡车中的每一辆指定一个唯一的字母D（图9），测试顺序如下：卡车A，卡车A C，卡车A B C，卡车A B C D，卡车B C D，卡车B D，卡车D。基于先前的分析，确定了图9中的卡车位置〔3.66、4.11、4.42 m〕，以假设简单支撑条件而导致安全应力水平。在测试过程中，连续监测菌株以确定是否将卡车推进到下一个临界位置是安全的。在此基础上，在“后”安装试验中，增加了一个新的序列，其中卡车在4.42米位置背靠背停放，以最大限度地提高桥梁的荷载效应。由于此配置，桥上的总力矩约为MS18加载的2.75倍。
图8 载重测试车构造 图9 用于前、后安装载荷试验的卡车位置
5、载荷试验和计算结果
给出了试验结果，并与基于工作应力法的计算机程序进行了比较。该程序可用于钢筋混凝土和矩形截面钢筋混凝土梁的设计/分析。为了完整性，在测试过程中，使用其他读数来估计一些测试过程中出现的故障的读数，并在其他情况下忽略。
5.1、一般弯曲性能
在图10中示出了在梁的7 15（图5）中的钢制钢筋的“前”和“后”安装应变，对于在桥上的3.66、4.11和4.42m位置的各种卡车组合。这些结果清楚地证实了测试计划对九个
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