FRP鋼筋混凝土橋梁的施工、測試與監測

凱爾薩爾·吐爾迪

(新疆維吾爾自治區交通運輸工程質量監督局 烏魯木齊市 830000)

0 引言

鋼筋銹蝕引起的橋梁混凝土結構的劣化，限制了其使用壽命，增加了維修成本。由于直接暴露于環境，橋面是最容易損壞的橋梁構件之一，使用非腐蝕性玻璃鋼復合材料作為混凝土橋面的鋼筋，有可能提高使用壽命、經濟效益和環境效益[1-3]。

一種新型的FRP復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。因此在橋梁關鍵位置安裝了相關儀器，以監測從施工開始到施工完成數年后橋梁的性能。這些測試的主要目標是玻璃鋼復合加固技術和設計的實施，并證明其能夠滿足橋梁施工的所有要求。此外，總結了該工程的施工細節以及現場試驗和遠程監測的一些成果，在不同的使用荷載和環境條件下，評估FRP加固的短期和長期性能以及改進當前的設計準則。

1 項目概況

新橋為梁式橋，四根主梁簡支，跨度30.60 m。橋面為200mm厚的混凝土板，連續三個跨度，每個跨度2.65 m，每側懸伸1.15 m。主梁采用預應力混凝土梁。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復合筋加固(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 橋梁設計及施工

2.1 FRP鋼筋混凝土橋面板設計

使用平均28d抗壓強度為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。為了開發新一代碳纖維增強聚合物和改善玻璃纖維增強聚合物的性能，對其性能進行了專門的研究。

對于混凝土橋面板的設計采用彎曲設計方法用鋼筋制成。然后，根據底部鋼筋層的等效剛度和頂部鋼筋層的等效強度替換鋼筋。這種設計方法最終在底部使用碳纖維增強聚合物，在頂部使用玻璃纖維增強聚合物?；炷翗蛎姘宓脑O計是根據相關規范和設計指南進行的。這種設計方法規定在頂部和底部使用相同數量的玻璃鋼棒。

表1 鋼筋性能

為了驗證設計，建造了幾座厚度和鋼筋與每座橋梁的實際混凝土橋面板相同的板原型，以鋼加固的板原型為對照進行了試驗，實驗結果對今后的實際應用具有一定的指導意義。

2.2 橋梁施工和細節

(1)玻璃鋼棒安裝

由于玻璃鋼重量輕，可以在更短的時間內處理和放置更多的玻璃鋼棒，在兩個方向上間隔0.9m，以支撐FRP鋼筋并保持所需的凈混凝土保護層。

(2)橋梁儀表

類似地，在關鍵位置使用光纖傳感器(FOS)對橋梁進行內部溫度和應變數據采集，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，在測試過程中，使用尺子和經緯儀系統測量混凝土板和梁的撓度，并使用固定在路邊的加速計測量橋梁的整體振動。每座橋的儀器都連接到一個32通道傳感器數據采集系統，該系統配有一個調制解調器，允許通過遠程監測和傳輸數據。根據相關數據可以評估每種應力類型(動態、振動、沖擊、熱等)的影響，以及引起橋梁最大應力的關鍵參數。

圖2 嵌入式光纖傳感器

3 現場試驗

對橋梁進行了使用性能測試。按照相關的規定，使用兩個標準卡車荷載進行試驗，使用兩輛卡車在靜態和動態荷載下對橋梁進行測試。采用兩種不同速度的數據采集系統：1000Hz高速采集系統采集動態試驗數據，10Hz勻速采集系統采集靜態試驗數據。數據采集系統安裝在橋下，以便在測試期間從光纖傳感系統收集數據。

3.1 靜態試驗

橋上標出了在每個方向上的三個不同路徑。確定這些位置，以使所測量的鋼筋和混凝土截面中的應變最大。測試是同時使用一輛卡車或兩輛卡車進行的。

圖3顯示了底部鋼筋(FRP和鋼筋)相對于橋梁沿線卡車位置的最大測量應變之間的比較。在該圖中，水平軸上的零值表示前軸縱向中點直接位于給定儀表上的點。由于雙后軸總成和前軸對應變讀數的影響，最大應變值與橫坐標零值不一致。應變值取決于裝載情況，即卡車位置和路徑。因此，對于每個圖表，考慮給出最大應變讀數的卡車路徑。

圖3 不同鋼筋的最大拉伸應變

可以看出，當卡車通過測試點時，在底部為碳纖維增強聚合物時只測量到12個微應變的應變變化。頂部玻璃鋼棒的拉伸應變為15個微應變。這些應變值小于材料極限應變的0.12%，混凝土的最大拉伸應變約為45個微應變。當卡車通過計量器時，底層中測量到34個微應變的變化。此處注意到，混凝土計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。混凝土頂面和底面的拉伸應變分別達到最大值15、45和12、34微應變。橋面板混凝土表面的這些應變值遠低于混凝土的開裂應變。

在靜態試驗中，測量了混凝土板和梁的撓度。在整個荷載期間，記錄的橋面和大梁撓度分別小于2 mm和10 mm。

3.2 動態試驗

使用靜態試驗中描述的相同的兩輛標準卡車進行動態試驗。卡車以5km/h、30km/h、50km/h和70km/h四種不同速度在每個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。對于所有光纖傳感器，將數據采集系統調整為每秒1000個讀數。而對于加速度計，數據采集系統被調整為每秒500個讀數。

FRP筋的最大應變值與靜力試驗的最大應變值順序相同。圖4顯示了試驗車輛以5km/h的速度行駛時底部鋼筋測得的最大應變。

圖4 底部鋼筋的應變分布(卡車速度5km/h)

3.3 遠程監控

現場測試完成后，通道數據采集系統配備了調制解調器。然后它被固定在橋下一個受保護的地方。利用計算機軟件，我們的研究人員定期通過數據采集系統收集的讀數。圖5顯示了自鋼筋放置之日起FRP鋼筋的最大測量應變。所測的變化范圍為500με，是卡車運輸引起的25～33倍，這些變化基本上是由于劇烈的溫度變化[6]。

圖5 應變隨時間變化

4 結論

根據施工細節、現場試驗結果和監測結果，可得出以下結論：

(1)由于使用了玻璃鋼棒，施工沒有遇到任何障礙。FRP鋼筋經受住了正常的現場處理和放置問題。

(2)FRP筋的性能與鋼筋非常相似。在整個試驗過程中，FRP筋的最大拉伸應變為15個微應變。該值小于材料極限應變的0.12%。

(3)由于卡車裝載，混凝土中的最大拉伸應變值非常小，10～25με，因為卡車裝載移動超過儀表。這些應變遠低于混凝土的開裂應變(舊混凝土為125με)。

(4)在實際使用條件下，由于溫度變化，FRP筋的應變是卡車荷載的25～33倍。然而，這些最大應變約為500με，約占材料極限應變的3%～4%。