CFRP布加固鋼箱梁的疲勞試驗設計研究*

蘇　林，陳雄飛，楊朝輝，于超凡，張　劍，艾　軍

(1.江蘇揚子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.浙江交工高等級公路養護有限公司，浙江 杭州 310019；3.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

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CFRP布加固鋼箱梁的疲勞試驗設計研究*

蘇林1，陳雄飛1，楊朝輝2，于超凡3，張劍3，艾軍3

(1.江蘇揚子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.浙江交工高等級公路養護有限公司，浙江 杭州 310019；3.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

摘要：鋼箱梁長期運營后，不可避免地出現疲勞裂紋，疲勞裂紋出現后使得鋼箱梁運營具有一定的安全隱患。鋼箱梁疲勞裂紋處治包括補焊法、鉆孔法和CFRP布加固法等，其中CFRP布加固法充分利用了復合材料的優越性，是一種較為有效的加固方法。根據某節段式鋼箱梁構件，選擇了CFRP布加固材料，確定了CFRP布加固的5個步驟(表面處理、配膠、涂膠、粘貼CFRP布及錨固)，并設計了疲勞加固試驗的裝置和加載方案。通過對加固構件進行疲勞試驗，可研究加固構件的疲勞性能，驗證加固構件的加固效果，并對疲勞損傷演化過程進行理論分析。

關鍵詞：鋼箱梁；疲勞；碳纖維布；加固

我國從20世紀80年代開始發展鋼箱梁橋梁結構，目前建成的大跨徑鋼箱梁橋已超過20座，但隨著橋梁服役時間的增長，加之有些地區的氣候條件惡劣、交通量的迅速增長和重載和超載車輛增加等因素，車輛對橋梁構件的沖擊力增加、應力超限和疲勞工作的影響都越來越大[1]；因此，作為道路橋梁的承受荷載和應力最大構件之一的橋面板與鋪裝層、伸縮縫一起，都直接承受汽車車輪荷載的作用，應力集中顯著，也導致鋼橋面鋪裝及橋面板本身出現破壞在實際工程中時有發生[2]。國內已建的江陰長江大橋、海滄大橋和虎門大橋主梁均采用鋼箱梁結構形式，經運行后，目前鋼箱梁(含橋面板系)均出現了不同程度的疲勞損傷、裂縫病害，甚至破壞，致使許多橋梁的承載能力大大降低，不得不采取限重、限速等通行措施，同時其使用壽命也大大縮短。

因此，及時地針對此類鋼箱梁橋病害進行維修加固是當前急需解決的問題[3]。本文設計CFRP布加固鋼箱梁疲勞試驗，通過對加固構件進行疲勞試驗，可研究加固構件的疲勞性能，驗證加固構件的加固效果[4]，對疲勞損傷演化過程進行理論分析，不僅具有較高的科學研究價值，也有突出的現實意義與應用價值。

1鋼箱梁構件

鋼箱梁頂板尺寸為900 mm×240 mm×14 mm；縱肋U形槽上口長為300 mm，底長為170 mm，其厚度為8 mm，詳細試件尺寸數據如圖1所示。其中，試件所用鋼材為Q345C鋼。U肋與頂板為坡口熔透焊(單側焊縫)，焊縫有效高度為7 mm，單邊V形焊縫，熔深大于U肋板厚的0.8倍，小于U肋板厚的0.85倍。

圖1　試件尺寸

2鋼箱梁計算模型和數據分析

采用上海悍馬建筑有限公司所生產的碳纖維布，其力學性能見表1。

表1　碳纖維力學性能指標

3鋼箱梁加固設計

采用CFRP纖維材料對損傷后試件進行加固，選用環氧樹脂作為CFRP布和鋼箱梁之間的粘結材料。CFRP布選擇整體式單層雙面浸漬加固，同時考慮實際正交異性板的結構特點以及工程實際情況，應在近焊縫進行錨固以避免纖維布脫離。依據支座布設條件，錨固用夾具距焊趾邊緣40 mm，其實物圖如圖2所示。

圖2　CFRP布加固布置圖

CFRP加固基本環節包含表面處理、配膠、涂膠、粘貼CFRP布及錨固等5個部分。具體步驟如下。

1)表面處理。鋼結構表面處理需先用角磨機除去試件表面的銹與涂層后，用干布擦去打磨殘留物，最后用丙酮清洗需要粘貼CFRP布的表面區域。CFRP表面處理則需用干凈的布將其表面灰塵擦凈。若表面沾有油污，則應用脫脂棉浸蘸丙酮等進行擦洗。

2)配膠。按環氧樹脂使用說明所要求的質量比(1∶1)將浸漬膠和浸漬膠固化劑配在一起，并混合拌勻。

3)涂膠。將配好的膠均勻地涂抹在已經處理好的鋼構表面，在粘貼區域的中部涂多些，邊緣略少些。

4)粘貼CFRP布。將CFRP布粘貼于鋼構表面。在粘貼CFRP布時，應采用可靠的工具以保證CFRP布表面平整，使得CFRP布與鋼構表面之間接觸充分，避免形成空鼓。

5)錨固。為了盡可能避免試驗初始時出現CFRP布脫落破壞，在粘貼CFRP布后，應在其兩端和U形肋上加裝錨具，同時纖維布兩側末端設置1道U形箍。

4疲勞加載試驗設計

試件兩端鉸支，中心部位單點加載，作動器與試件頂板之間放置尺寸為300 mm×200 mm的鋼板(含橡膠墊)，用以模擬均布作用的車輪荷載。荷載作用中心位于試件頂板的中心位置，具體布置情況如圖3所示。

圖3　試件安裝布置圖

1)預加載階段。對試件施以一定作用力，其值為極限荷載的20%，循環加載3次以消除支座、鋼板、橡膠墊與試件之間的空隙，避免產生松動現象。

2)疲勞加載階段。疲勞試驗荷載譜參數應依據各試件設計情況設定，并在循環作用期間應保持荷載上、下限值穩定，其誤差波動值不應超過最大荷載的±3%。可記錄試件在各整數萬荷載次數下的應變、撓度等數值。

5結語

疲勞裂紋的出現使得鋼箱梁運營存在重大隱患，CFRP布加固法充分利用了復合材料的優越性，是一種較為有效的加固方法。本文根據節段式鋼箱梁構件，確定了CFRP布加固的5個步驟，并設計了疲勞加載裝置，疲勞試驗結果可供疲勞損傷演化過程理論分析應用。

參考文獻

[1] 周太全. 橋梁構件局部熱點應力分析及其疲勞損傷累積過程模擬[D]. 南京: 東南大學, 2003.

[2] 李立峰. 正交異性鋼箱梁局部穩定分析理論及模型試驗研究[D]. 長沙: 湖南大學, 2005.

[3] 陶永亮. 新型正交異性鋼橋面板疲勞性能研究與壽命評估[D]. 廣州: 廣州大學, 2013.

[4] 韋全余，歐世坤，朱金華，等. 預應力混雜CFRP/GFRP纖維布加固橋梁結構的工程應用與評估[J]. 新技術新工藝，2014(9)：46-51.

* 江蘇揚子大橋股份有限公司資助項目(GCJS2014-37)

交通運輸部建設科技項目(2013318J19590)

責任編輯鄭練

The Research of Fatigue Test Design of Steel Box Girder Reinforced with CFRP Sheet

SU Lin1, CHEN Xiongfei1, YANG Chaohui2, YU Chaofan3, ZHANG Jian3, AI Jun3

(1.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd., Nanjing 214521, China; 2.Zhejiang Jiaogong Advace-Grade Highway Maintenance Co., Ltd., Hangzhou 310019, China; 3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract：After a long-term operation of the steel box girder, it inevitably occurs in the appearance of fatigue crack, which may take the operation with a certain security risk. Repairing welding, hole drilling and CFRP reinforcement are the main methods to maintain fatigue crack of the steel box girder. Besides, CFRP reinforcement method makes full use of the advantage of composite materials, and it can be regarded as a more effective maintenance method. According to a segmental steel box girder component, the carbon fiber cloth reinforcement material is selected in five links which contain surface modification, mixed gum, rubber coating, paste CFRP sheets and anchorage, are determined and the devices of fatigue test and the test schemes are designed. Through the fatigue test, it points out the fatigue performance of the strengthened members and the effect of the verified reinforcement, which leads to theoretical analysis of the evolution of fatigue damage.

Key words:steel box girder, fatigue, CFRP sheet, reinforcement

收稿日期：2015-07-12

作者簡介：蘇林(1970-)，男，高級工程師，主要從事工程管理等方面的研究。

中圖分類號：U 441

文獻標志碼:A