新型結構膠加固橋梁的性能研究

徐旭東 李健

摘要：通過室內試驗研究了新型纖維增強結構膠加固前后交通荷裁對鋼筋混凝土橋梁性能的影響。8根橫梁被測試為失效。其中7根梁用一種代表實際橋梁所用材料的預制單向碳纖維層壓板加固。試驗變量包括環氧固化期間施加荷裁循環的強度和頻率、環氧層厚度和FRP帶厚度。所有加固試件在最大彎矩區均發生FRP脫粘破壞。對于安裝期間和安裝后應用的所有交通荷載方案，未觀察到加固效果降低。采用ACI 440.2R-02設計建議，對失效時的FRP應變和FRP引起的強度增加進行了非保守預測。

關鍵詞：結構膠;纖維增強;橋梁;性能

中圖分類號：TQ436+.2;U444

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0025-05

0 引言

作為一個示范項目，阿拉巴馬州交通部（AL-DOT）與奧本大學（Auburn University）的研究人員于2001年11月對阿拉巴馬州馬肯縣（ Macon Coun-ty）的戰爭紀念橋進行了加固，加固材料為纖維增強結構膠（FRP）。Swenson和Bames1描述了1945年建造的鋼筋混凝土橋梁和FRP加固系統的設計。在安裝FRP之前，制造商建議在加固期間和加固后將橋梁關閉幾個小時，以便環氧樹脂固化。這座橋的交通量不大，但可能繞行的路線很長。因此，奧爾多特的工作人員認為，關閉橋梁的任何時間都是不可行的，因此，通過每天將車輛從FRP裝置正上方的車道上分流來實現的。而且禁止卡車在在加固內梁的日子里上橋。

2 試驗方案

2.1 實驗程序

除了少數例外，所有梁的測試程序都是相同的。環氧樹脂固化期間，一根梁未加固，兩根FRP加固梁未暴露在交通荷載循環中。試驗變量包括加固期間的循環荷載強度、環氧層厚度tb和FRP厚度tf。

因此，在所有8個樣本的測試中，混凝土強度將保持大致恒定，測試延遲至鑄造后llOd。為了模擬實際使用中的橋梁條件，執行了以下步驟：

步驟1：加載試樣以誘發彎曲開裂;

步驟2：施加預加固工作荷載循環;

步驟3：配制混凝土基層進行加固;

步驟4：開始FRP安裝的交通荷載循環;

步驟5：在混凝土表面涂環氧底漆;

步驟6：施涂環氧粘結層并將FRP帶粘結到成員;

步驟7：環氧樹脂固化48h交通荷載循環;

步驟8：停止荷載循環和將應變計連接到FRP;

步驟9：施加加固后工作荷載循環;

以下是對該程序的詳細描述。

試件開裂（步驟1），為了將彎曲開裂分布在每個試件上，其程度與戰爭紀念橋相當，單調施加14kip（62kN）荷載，然后移除。該負載對應于未增強試樣的容量的大約70%。彎曲裂紋的間距約為9英寸（230mm）間隔。正如預期的那樣，在截面處形成的裂縫與箍筋位置一致。因此，鋼應變計成功地定位在彎曲裂紋處或非常接近彎曲裂紋的位置。

應用預強化工作荷載循環（步驟2），為了模擬多年的交通暴露，每個試樣暴露在頻率為1Hz的100000個正弦波循環中。選擇循環量，以在受拉鋼中產生10.6KSl （73MPa）的活載應力范圍。根據戰爭紀念橋的活載測試結果，該應力范圍大致對應于法定負載限制卡車引起的范圍。為了使鋼筋的應力范圍達到該值，需要施加5.6kip （24.9kN）的荷載。所施加的荷載循環包括以3.3kip （14.7kN）為中心的正弦波，振幅為2.3kip （10.2kN）。由于戰爭紀念橋的交通量相對較低，據估計，這種規模的10萬個周期比該橋10年以上的使用壽命要長。

混凝土基底表面處理（步驟3），根據ACI440.2R，局部平面外變化（包括模板線）不得超過1/32in （lmm）。任何空隙都應該用環氧樹脂填充，所有的浮渣、灰塵、污垢、油、固化化合物、現有涂層和任何其他可能干擾FRP與混凝土之間的粘結的因素都應該被去除。

由于試樣是在實驗室環境中澆鑄和固化的，因此表面的污染物量很小。用磨石去除梁表面的模板線。在梁B5上，使用與FRP粘結相同的環氧樹脂填充一小塊蜂窩。使用異丙醇去除浮漿和成型油，并用硬毛刷擦洗表面。然后用中和劑重復此過程。然后讓表面干燥。

環氧固化期間的循環應用（步驟4-7），為了研究FRP安裝期間橋梁開放交通的影響，在加固和環氧固化期間，5根試驗梁暴露在荷載循環中。玻璃鋼安裝后，循環持續48h。模擬了3種不同等級的交通周期。描繪了“低”、“中”和“高”的3種周期類型的相對強度和頻率。無論是否在環氧樹脂固化期間經受荷載循環，所有加固試樣的FRP安裝和極限強度試驗之間經過的時間相同。

選擇“低”強度循環來代表戰爭紀念大橋實際加固操作期間經歷的卡車載荷。由于交通從正在加固的外部大梁上方的車道轉向，因此每個循環的峰值強度約為加強前循環所用強度的一半。該循環的目標是在4.8KSI （33MPa）的鋼張力增強件中引起活載應力范圍。盡管出于本研究的目的，此載荷水平表示為“低”，但其特征是環氧樹脂一混凝土界面處的應變超過了先前討論的Bames和Mays5混凝土梁樣本的應變。每個加載事件的返回時間為5min （300s）。

“中等”強度循環由“低”循環中的同一波組成，但發生頻率增加到每分鐘一個。同樣，每1/5的載荷大約是強度的2倍，并且被選擇為在鋼筋10.6ksi（73MPa）中引起活載應力范圍。制定這種裝載方案的目的是代表一系列較輕的車輛穿插其中，而偶爾的重型車輛則在戰爭紀念大橋上行駛，而沒有采取緩解交通措施。

“高”強度周期是由于“中”周期的頻率增加了20倍。因此，每3s發生一次低強度事件（4.8KSI），每15s發生一次大強度事件（10.6KSI）。選擇這種“高”強度負載模式，每天有5700多次重型卡車事件和23000多個輕事件的發生，被選為假想的橋梁，其交通量很大。

FRP的安裝（步驟5和步驟6），除了兩個具有較厚粘結層的試樣之外，FRP增強件均根據制造商的建議進行安裝。FRP安裝過程的第一步是用作為底漆的飽和環氧樹脂對梁拱腹進行涂覆。這樣做是為了填充混凝土中的小空隙，并為FRP的應用提供光滑的表面。使用油漆輥將環氧樹脂均勻地涂在混凝土表面上。底漆發粘后，將使用較厚的粘性涂料環氧樹脂將FRP粘結到混凝土上。首先，使用無絨抹布清潔FRP試紙，該抹布用甲基乙基酮（MEK）飽和。然后將粘性涂料環氧樹脂混合并散布在FRP條和梁表面上。

如前所述，在這項研究中研究的變量之一是粘結層的厚度。按照FRP制造商的指示安裝了5個加固梁。為了將環氧樹脂涂到FRP上，使用了帶有V形缺口的割膠刀。調整切口的大小，以便可以將刀拖到FRP板上，留下一定量的具有三角形橫截面的環氧樹脂。新鮮的環氧樹脂沿FRP的中心線的厚度為0.125英寸（ 3.2mm），沿邊緣的厚度為零。在混凝土表面，使用了帶有多個V形槽口的抹子。the刀上的槽口深度為0.125英寸（3.2mm）。這樣可以將均勻的環氧深度施加到混凝土表面。對于具有較厚粘結層的樣品，使用相同的步驟，只是在將FRP條帶粘結到玻璃板上之前，將直徑范圍在0.079-0.091英寸（ 2.0-2.2mm）的玻璃珠撒在環氧樹脂中。

如前所述，本研究中研究的變量之一是粘結層的厚度。5根加固梁按照FRP制造商的指示安裝。為了將環氧樹脂涂在玻璃鋼上，使用了帶有v形切口的膠帶刀。v形切口的尺寸是這樣的：刀可以被拖到玻璃鋼帶上，留下一個三角形截面的環氧樹脂體積。新環氧樹脂的厚度為0.125英寸（3.2mm）。沿FRP中心線，沿邊緣為零。在混凝土表面，使用多個v形切口的抹子。泥刀上的缺口是0.125英寸（3.2mm）深。這允許在混凝土表面施加均勻的環氧樹脂深度。對于粘結層較厚的試樣，除直徑在0.079-0.09 lin范圍內的玻璃珠外，采用相同的程序。（ 2.0-2.3mm）在將FRP帶粘結到梁上之前灑人環氧樹脂中。引入這些玻璃珠以確保獲得所需的環氧樹脂厚度。

粘結層環氧樹脂變粘后，將FRP帶放置在梁下側的對齊標記上。用一個J型輥把鋼帶壓在橫梁上。這樣可以擠出多余的環氧樹脂，產生均勻的環氧樹脂厚度，并去除所有空隙。然后去除多余的環氧樹脂，并用浸透MEK的抹布擦拭FRP外表面。開始之前，使用小型彎曲試樣在實驗室條件下確定環氧樹脂的必要固化時間。通過這些試驗，確定環氧樹脂在室溫下固化48h后完全有效。因此，梁試件上的環氧樹脂可以固化2d。在這48h內，5根加固梁暴露在荷載循環中，2根未暴露在荷載循環中。

FRP儀器和加固后循環（步驟8和步驟9），在48h養護期結束時，停止荷載循環，以便FRP應變計能夠可靠地粘合。此時梁上保持0.5kip （2.2kN）的恒定荷載。梁在該荷載下保持24h，以便應變計粘合劑固化。除了在FRP帶的每一端緊密隔開的地方，應變計直接粘貼在彎曲裂縫下方的FRP上。記錄并比較24h保持期前后的加載循環數據，以驗證系統中沒有明顯的剛度增益。

為了模擬加固后的使用年限，再對每個試樣施加20000次荷載循環。這些循環的頻率、大小和形狀與用于表示預應力荷載循環的循環相同（步驟2）。完成這些循環后，對試樣進行加載，以確定其行為和極限強度。加載至破壞，以選定的荷載增量單調加載梁試樣，直到鋼筋屈服;以位移增量進一步加載，直到破壞。除了未加固的試件外，荷載增量被用于22kip （97.9kN）的施加荷載，其中鋼筋屈服從荷載一撓度行為中明顯可見。受拉鋼筋屈服時，跨中位移在0.4-0.5英寸之間（10.2和12.7mm）。受拉鋼筋屈服后，對加固梁施加荷載，直至跨中位移為0.65和0.9in。分別為16.5和22.9mm。隨后的位移增量導致所有加固梁的失效，原因是每條帶一端的FRP錨固完全喪失。

3 結果

3.1 未加固試樣的性能

圖1描述了未拉伸試樣和第一系列強化試樣（0.055英寸）的實測荷載與跨中位移響應。[1.4mm]根據制造商建議安裝玻璃鋼）。未加固的試件加固不足，韌性很強。液壓執行器的全行程已耗盡，但未喪失承載能力。當跨中撓度達到8.82英寸時，測試停止。（ 224mm）。實驗彎矩承載力Mn，exp為829kipin。（ 93.7kn-m）被確定為鋼筋應變硬化開始前梁屈服平臺對應的總力矩。該方法符合傳統的設計實踐，即在計算標稱彎矩承載力時忽略應變硬化的任何好處。

3.2 FRP加固試件的性能

FRP帶與混凝土梁分離后，所有加固試件均失效。除少數小區域外，如圖2所示，剝離后，一薄層表面混凝土仍粘結在FRP帶上。因此，破壞實際上發生在混凝土內部，而不是粘結界面。然而，由于整個覆蓋層并未與梁分離，本文將這種類型的破壞稱為“FRP脫粘”，而不是“覆蓋層分層”。在所有情況下，FRP脫粘都是在一個荷載點下方開始的，并最終傳播到帶材的端部。

每個系列代表施加荷載特定值下的FRP應變，并根據失效前施加到加固梁上的最大荷載Pmax的分數進行標記。所有的玻璃鋼應變計都在45英寸以內。（ 1140mm）中跨位于具有彎曲裂紋的橫截面處。 對于試樣B4，鋼應變測量表明，鋼筋在+18英寸處首先屈服。（+460mm）橫截面（在一個荷載點下），施加的最大荷載為0.89P。中跨部分的鋼材不久就屈服了。一旦鋼在橫截面處屈服，FRP必須抵抗由于施加在該截面上的附加力矩而產生的大部分張力。因此，可以看出，這兩個截面上的FRP應變在下一個相對較小的荷載增量（最大0.95P）下迅速增加。鋼在-18英寸處屈服。（460mm）橫截面（在其他荷載點下方），施加的最大荷載為0.96P。當荷載稍有增加時，該截面的FRP應變也開始迅速增加。

超過0.96P最大荷載水平后，隨著荷載增加到0.97P最大值，跨中FRP應變開始略有減小。在該荷載水平下，試驗短暫暫停，對應于0.9英寸的跨中位移（22.9mm）。如圖3所示，局部FRP脫粘可從跨中和荷載點下方的開裂部分看到。

隨著荷載從0.97Pmax增加到Pmax，最大彎矩區FRP應變繼續增大。然而，一旦達到該峰值荷載，梁的進一步位移（約0.10英寸）。[2.5mm]對于該試樣）導致該區域的FRP應變恒定或減少，同時向帶材一端延伸的FRP應變急劇增加。這表明，一旦局部脫粘長度在荷載點附近的開裂截面之間合并，脫粘迅速擴展到FRP的一端。在記錄的最終應變后不到0.5s，FRP帶完全脫粘，沿包括整個最大力矩區域并延伸到帶材一端的長度。將FRP錨固破壞對應的總峰值彎矩作為加固試件的試驗彎矩承載力。FRP脫粘后，加固試件的性能與未加固試件的性能非常吻合。

3.3 環氧樹脂固化期間荷載循環的影響

測試了4個試樣，B1到B4，其FRP厚度為0.055英寸（ 1.4mm）。和環氧樹脂厚度，通過遵循制造商的安裝說明實現。這些試件的設計代表了在戰爭紀念橋上提供的玻璃鋼加固的實際數量。這4個試樣僅在強化過程中施加的荷載循環強度方面有所不同。

通過比較加固期間暴露于荷載循環的試件（B2 -B4）與未暴露于荷載循環的加固試件（BI）的性能，很明顯荷載循環不會導致FRP加固的有效性降低。相反，與未循環的試樣相比，低強度和高強度循環的試樣實際上稍強（在4%以內）。沒有趨勢將梁的極限強度與荷載循環的強度聯系起來。同樣，在加固過程中暴露在循環中的每個試樣在破壞時的FRP應變εfe，exp比未循環的試樣大。低、中、高強度循環梁的破壞應變分別增加了16%、12%和22%。

盡管循環試件的極限強度并不明顯大于非循環試件，但循環試件在破壞前都達到了較大的撓度。破壞時撓度增加8-10%。這很可能是由于這3個試樣的FRP能夠在剝離前的最大力矩區域承受較大的應變。因此，本研究中梁試樣在環氧固化期間的環境溫度沒有顯著差異。實驗室裝有空調，液壓泵位于一個單獨的外殼內。因此，循環試樣強度的輕微增加不能歸因于溫度變化。該系列試驗結果表明，在FRP安裝期間和之后保持戰爭紀念橋通車不會降低加固效果。

4 結語

實驗研究結果支持以下主要結論：

1） FRP加固混凝土橋梁，即使在加固過程中保持通車狀態，也能有效地加固;

2）目前ACI 440.2R關于計算FRP極限有效應變的設計建議，導致了對7根加固梁中的6根梁的承載力增加的非保守預測。

盡管這些結果支持本研究中使用的特定材料的第一個結論，但交通荷載可能會對其他類型的FRP或粘合劑產生不利影響。盡管如此，這些系統中至少有一部分可以在不關閉橋梁的情況下安裝，這一事實大大增加了FRP作為加固替代方案的吸引力。需要進一步研究，以建立玻璃鋼系統的性能規范，以確保在這些條件下具有足夠的性能。理想情況下，這樣的性能規范只需要廉價、小規模的材料測試來驗證合規性。

參考文獻

[1]郭炳錕，增韌劑的種類與用量對橋梁加固用結構膠拉伸性能的影響[J].山西交通科技，2019（04）：75-77.

[2]常誠，固化溫度對橋梁加固用結構膠性能的影響[J].公路交通科技（應用技術版），2016，12（04）：1-3.

[3]劉紀艷.環氧樹脂建筑結構膠的改性與力學性能研究[D].泰安：山東農業大學，2018.

[4]蒲瑜，姚文娟.低溫環氧樹脂建筑結構膠的制備和性能研究[J].中國膠粘劑，2017，26（06）：26-30.

[5]郭麗君，陸方舟，李想，等.碳纖維/環氧樹脂復合材料纏繞接頭拉伸失效機制[J/OL].復合材料學報，2020：1-11.

[6]孔俊嘉，明皓，吳尚鋒.碳纖維/改性環氧樹脂復合材料的制備與表征[J].遼寧化工，2019，48 （11）：1077-1079.

[7]宣博文.葉瀚棽，卓東賢，等.改性環氧樹脂膠粘劑的研究進展[J].粘接，2015，36（12）：82-88.

[8]竇遠明，張碩，刁碩，等.預應力鋼絞線和CFRP布加固橋梁結構后對疲勞性能的影響[J].四川建筑科學研究，2017，43（02）：59-64.

作者簡介：徐旭東（1974-），男，上海人，大學本科，高級工程師，主要研究方向：公路工程施工圖設計及圖審。