農(nóng)村公路石拱橋FRP補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)及效應(yīng)探討

摘要：農(nóng)村公路石拱橋是農(nóng)村傳遞貨物的重要通道，長(zhǎng)期受到雨水河道的沖刷與承載力，處于承受過(guò)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(bǔ)基樁的數(shù)值，使用纖維復(fù)合材料以包覆圍束的方式對(duì)基樁或橋柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)，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(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)；強(qiáng)化纖維復(fù)合材料；預(yù)力基樁 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

1 概述

目前，對(duì)FRP應(yīng)用于經(jīng)過(guò)河水腐蝕后的基樁或是橋柱的研究仍然不多，修補(bǔ)后的效果與其力學(xué)行為的改變?nèi)杂写芯俊＠肍RP的夾克修補(bǔ)方法應(yīng)用在河水導(dǎo)致的腐蝕石基樁的補(bǔ)強(qiáng)也有良好效果。因此，本文藉由過(guò)去累積的研究成果利用美國(guó)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(kāi)發(fā)的有限元素分析軟體，其現(xiàn)有的對(duì)象對(duì)FRP補(bǔ)強(qiáng)的石基樁進(jìn)行數(shù)值模擬，再跟原實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較討論，期望以較為簡(jiǎn)化的方式將FRP補(bǔ)強(qiáng)的力學(xué)分析加入結(jié)構(gòu)整體計(jì)算內(nèi)，以求更有效率地建立出FRP修補(bǔ)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(jì)以及計(jì)算參數(shù)方面可參考RC橋柱的理論。

2 FRP簡(jiǎn)介

強(qiáng)化纖維復(fù)合材料（Fiber Reinforced Plastic）是由纖維與樹(shù)脂所組成的復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱FRP，使用纖維種類為玻璃纖維者，稱為玻璃纖維復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)材料（GFRP）；使用纖維種類為碳纖維者，稱為碳纖維復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)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(qiáng)的脆性高模數(shù)增強(qiáng)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(shù)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(shí)也可保護(hù)纖維不受外部環(huán)境影響的能力。先進(jìn)國(guó)家開(kāi)始廣泛利用FRP補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)方式擁有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）重量輕；（2）強(qiáng)度高與良好的抗疲勞特性；（3）耐腐蝕性強(qiáng)；（4）施工簡(jiǎn)單、工期短；（5）施工成本較其余補(bǔ)強(qiáng)方法低廉，具有很高的強(qiáng)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(jìn)行修補(bǔ)。上述這七點(diǎn)尤其考量到耐腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合在本研究中會(huì)受到河水侵蝕破壞的石基樁。

3 FRP補(bǔ)強(qiáng)的數(shù)值計(jì)算略述

參考Samaan等人（Samaan，et al.1998）的FRP模式，橋柱外包FRP補(bǔ)強(qiáng)可視為橫向鋼筋處理，其補(bǔ)強(qiáng)的剪力強(qiáng)度Vj計(jì)算如下：

（1）

式中：為橋柱FRP補(bǔ)強(qiáng)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(jì)時(shí)可采用=35°，為低于FRP降伏強(qiáng)度的設(shè)計(jì)應(yīng)力。此外，為避免變形過(guò)大，設(shè)定FRP環(huán)向的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算如下：

（3）

4 FRP補(bǔ)強(qiáng)后效應(yīng)

由Mirmiran等人（1998）和張國(guó)鎮(zhèn)等（2000）的試驗(yàn)可知經(jīng)由FRP補(bǔ)強(qiáng)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(qiáng)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(cuò)，并且在破壞較輕微的試體使用FRP來(lái)補(bǔ)強(qiáng)，也擁有不遜色于原試體的強(qiáng)度。另外，F(xiàn)RP加強(qiáng)圍束效果之后，抗壓力有更趨加強(qiáng)的成效，且箍筋也可達(dá)到降伏，此外補(bǔ)強(qiáng)后搭接斷面以上的主筋應(yīng)變，比未補(bǔ)強(qiáng)的斷面大很多，可知FRP造成的圍束力有不少貢獻(xiàn)。部分研究中會(huì)忽略補(bǔ)強(qiáng)后柱體的箍筋視為無(wú)效，但是根據(jù)應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)分析有部分箍筋應(yīng)變值仍會(huì)達(dá)到降伏應(yīng)變，顯示完全忽略補(bǔ)強(qiáng)后的箍筋過(guò)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(huì)有更詳細(xì)的說(shuō)明。使用FRP來(lái)增加韌性，其效能優(yōu)于鋼板補(bǔ)強(qiáng)。因?yàn)殇摪迦粼诘卣鹎岸谓捣?，則因有殘余應(yīng)變，圍束效果會(huì)降低。但是對(duì)FRP而言，在破壞前的行為永遠(yuǎn)為線彈性，圍束效果不會(huì)降低。又因?yàn)镕RP是以貼覆或是纏繞方式施工，對(duì)矩形柱的轉(zhuǎn)角要先修成弧狀。因此對(duì)矩形柱而言，角落以外的地方，混凝土的圍束效果會(huì)較差。圓形柱則沒(méi)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(shuō)明各項(xiàng)分析數(shù)值的建立以及中空鋼筋混凝土橋柱補(bǔ)強(qiáng)前后的模組建立。在運(yùn)算之后，即可運(yùn)算出應(yīng)力-應(yīng)變與力-位移關(guān)系，只是在分析之前，各項(xiàng)數(shù)值需經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男拚蟛拍苣MFRP補(bǔ)強(qiáng)前后的預(yù)力混凝土基樁。

本研究中，F(xiàn)RP著重在基樁強(qiáng)度及韌性補(bǔ)強(qiáng)，強(qiáng)度和韌性的補(bǔ)強(qiáng)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(duì)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(bǔ)強(qiáng)后的基樁強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)后的橋柱的等值圍束鋼筋比會(huì)隨之增大，對(duì)基樁的圍束效果將有不小的提升，故韌性強(qiáng)度變佳。

5.2 分析試體介紹

5.2.1 基樁種類說(shuō)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(hù)層部分剝落，剝落處之箍筋斷面為原來(lái)之半；TYPE Ⅲ：保護(hù)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(hù)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(shuō)明：

斷面尺寸：外徑40cm，中空內(nèi)徑24cm。

基樁長(zhǎng)度：5m。

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

TYPE Ⅰ：完整基樁。

TYPE Ⅱ：保護(hù)層部分剝落，箍筋開(kāi)始銹蝕。

制作：以保麗龍圓弧墊塊（90°圓?。┰谥谱鲿r(shí)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(hù)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(shí)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(hù)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(shí)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(jī)將露出的部分裁斷。

6 總結(jié)與建議

6.1 總結(jié)

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

使用FRP來(lái)增加韌性，其效能優(yōu)于鋼板補(bǔ)強(qiáng)。因?yàn)殇摪迦粼诘卣鹎岸谓捣瑒t因有殘余應(yīng)變，圍束效果會(huì)降低。但是對(duì)FRP而言，在破壞前的行為永遠(yuǎn)為線彈性，圍束效果不會(huì)降低。又因?yàn)镕RP是以貼覆或是纏繞方式施工，對(duì)矩形柱的轉(zhuǎn)角要先修成弧狀。因此對(duì)矩形柱而言，角落以外的地方，混凝土的圍束效果會(huì)較差。圓形柱則沒(méi)有這方面的困擾。若以外包FRP補(bǔ)強(qiáng)剪力強(qiáng)度時(shí)，不能使用至極限強(qiáng)度。因?yàn)槠鋾r(shí)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(bǔ)強(qiáng)剪力強(qiáng)度時(shí)，不能使用至極限強(qiáng)度。因?yàn)槠鋾r(shí)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(qiáng)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(shù)脂，使FRP產(chǎn)生預(yù)力。由于FRP長(zhǎng)時(shí)間而言會(huì)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(guò)拉力強(qiáng)度25%為宜。

6.2 建議

6.2.1 基樁在實(shí)際制作時(shí)，在核心混凝土上會(huì)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(lái)研究應(yīng)留意圓管厚薄不同時(shí)所造成的影響。

6.2.2 分析時(shí)破壞部位是假設(shè)單一角度上的損壞，但實(shí)際上的破壞應(yīng)不會(huì)如此單純，未來(lái)研究破壞和修補(bǔ)的方式必須要多加檢討評(píng)估。

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

（責(zé)任編輯：黃銀芳）