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预应力纤维增强复合材料(FRP)桥梁结构加固应用进展

预应力纤维增强复合材料(FRP)桥梁结构加固应用进展

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PART-1 引言


目前桥梁结构仍以混凝土、钢材和砌体材料为主,纤维增强复合材料(Fibre-reinforced plastic,FRP)被认为能够解决既有桥梁腐蚀、实现长寿命和高性能的第四种结构材料,因此复合材料结构在新建桥梁和旧桥加固等工程领域具有广阔的应用前景,呈现迅猛的发展态势。近几十年来,国内外相关研究人员已在复合材料桥梁结构的制造工艺、基本力学性能、体系创新、受力行为、长期性能等方面进行了大量的基础研究与产品研发工作,解决了一些FRP与传统材料不能长期合理协同工作的工程难题,形成了系列成果[1],FRP桥梁已成为桥梁领域的研究热点。由于公路和铁路桥梁结构的安全性要求高,活载作用效应突出及相关规范滞后等原因,FRP主要应用于新建小跨人行桥,在新建大跨桥梁工程应用实例不多,如2020年德国斯图加特市一座跨高速公路的主跨124m城市轨道交通拱桥全部采用CFRP吊杆[2](图1)及一些具有耐腐、质轻、施工快捷、维护方便特点的FRP组合桥面板应用[1,3](图2)。由于目前已经有大量的工程实践和一些专门的结构设计规范与施工指南指导,FRP作为一种加强和改善既有桥梁结构性能的优良材料,在桥梁工程维修、加固中已得到了广泛的应用,特别是在体外预应力技术基础上,充分利用FRP高强度特点以提高加固效率发展而来的预应力FRP加固桥梁技术。



本文基于近两年来的最新研究成果,通过系统梳理,主要从混凝土和钢结构桥梁加固两方面对近年来预应力FRP方法在桥梁加固实践中的研究和应用进行回顾,以期促进FRP在我国桥梁加固中的应用与发展,满足工程运维多样化需求,所引用文献主要为核心及以上期刊如《Composite Structures》、《Engineering Structures》、《Journal of composites for construction》、《土木工程学报》、《工程力学》、《工业建筑》、《复合材料学报》等。本研究进展的错误和遗漏在所难免,敬请同行批评指正。


PART-2 预应力FRP加固桥梁方法


2.1  老旧桥梁加固的特点

桥梁结构在长期服役期间,受到车辆荷载和环境等作用,不可避免的产生结构损伤,结构性能劣化,需要加固维修。与新建桥梁工程不同,老旧桥梁加固工程具有如图3所示的三个特点:

(1)阻止损伤恶化。老旧桥梁不可避免的存在结构损伤,如材料性能降低,开裂、腐蚀、挠度过大,支座变形等。桥梁加固的目标须在既有桥梁结构体系基础上,分析损伤机理及其对结构性能的影响(诊断),采取有针对性的方法和措施(治疗),消除损伤或阻滞其恶化,且不能引入新损伤或其他不利影响。


(2)交通需求急迫。出现问题的老旧桥梁往往位于重要的交通线上,交通量及车辆荷载不断增加,老旧桥梁承受的交通压力日益明显,为满足急迫的交通需求,桥梁结构的性能需要尽可能快的提升,因此桥梁加固施工时间要避免长期影响干扰交通。


(3)新旧结构长期协同工作。桥梁加固后形成的新旧组合结构需要长期、有效的协同工作,其合理的荷载分配机制既要考虑原结构的受力特性,又要平衡新旧连接构造的传力效率及有效性。因此桥梁加固效果取决于加固结构能否合理、有效、长期的分担桥梁的作用



综上可见,以上三点往往是相互矛盾和相互制约的,桥梁加固方法需要在有限空间和有限时间条件下最大限度提升桥梁结构性能。在传统方法基础上,如体外预应力,纤维增强复合材料的广泛应用为桥梁加固工程提供了新型材料和新思路,组合形成的预应力FRP加固方法可最大限度满足上述桥梁加固的三个要求。


2.2  预应力FRP材料性能

桥梁现阶段工程常用的FRP主要是树脂基的纤维增强聚合物,如玻璃纤维(GFRP)、玄武岩纤维(BFRP)、芳纶纤维(AFRP)及碳纤维(CFRP)等。与前几种相比,碳纤维(CFRP)弹性模量和抗拉强度高,耐久性能优异[4],是理想的预应力材料,CFRP筋和片材广泛应用于桥梁加固工程中。在片材中,CFRP板相比CFRP布能提供更大的加固量,同时CFRP板的制造工艺能保证其质量、性能更稳定。因此,预应力CFRP筋和CFRP板成为主流的桥梁加固用FRP材料。由于CFRP为线弹性材料,其张拉后的持力水平一般不超过其抗拉强度的50%,实际加固工程中常用的永存应力水平约为1000MPa。郭馨艳[5]从砼抗拉强度、砼-CFRP界面抗剪强度及CFRP抗拉强度等三方面出发,也证明预应力CFRP增强RC梁的容许张拉预应力值不超过CFRP抗拉强度的50%。预应力CFRP的持力稳定性非常优异,Li[6]等通过试验研究加固混凝土梁的预应力CFRP板在800MPa(抗拉强度的40%)持力水平下分别进行干湿环境下的长期预应力损失(170天),结果表明,其长期预应力损失不超过2%。张永兆等人[7]的试验研究表明,我国国产预应力CFRP板具有高的静态力学性能(抗拉强度高于2900MPa)、优异的疲劳性能(600万次以上疲劳试验后状态完好)、低的应力松弛率(500kN、1000h 条件下的应力松弛率仅为2.2%)、极小的热膨胀系数和良好的温度适应性,完全可满足桥梁预应力加固应用的技术要求。


2.3  预应力FRP锚固系统

预应力FRP锚固系统为FRP提供锚固力的关键构件,是预应力FRP加固技术的前提条件和瓶颈。由于FRP大多是单向拉伸材料,抗剪性能差,对其锚固容易使FRP产生横向或纵向剪切破坏。根据锚固力来源可将FRP锚具体系分为机械夹持式和粘结型两类。机械夹持式锚具一般应用于FRP片材,基于摩阻锚固原理主要利用预压力下的碳纤维板与夹片互相挤压形成的摩擦力作为锚固力[8];粘结型锚具主要应用于FRP筋材,利用树脂与树脂或树脂与水泥浆体间的化学胶结力来传递剪力实现锚固[9,10]。因此,提供给预应力FRP构件的锚固力存在于FRP与锚具系统的接触界面处,只有深入理解这种界面力学行为,才能提高锚固效率。作为FRP锚固力来源的摩擦力或化学胶结力,取决于不同的材料匹配,由于产品专利保护或商业保密等原因,已有数据只是一些FRP的抗拉或抗剪的基础性能参数,缺乏具有针对性的锚具设计参数,如FRP-钢摩擦系数等。由于关键参数缺乏,采用有限元真实模拟锚固及滑移机理很困难,因此叶华文[11-12]针对存在接触压力条件下对CFRP板与粗糙夹片之间的摩擦行为及破坏模式开展了大量的试验研究,结果表明:接触压力,CFRP板厚和板宽对摩擦行为均有影响,由此提出了可供参考的摩擦系数。总体而言,对FRP-锚具界面力学行为的研究,特别是在持力状态下的界面性能仍然缺乏,导致实际工程中应用的锚固力水平偏低。


PART-3 预应力FRP加固混凝土结构桥梁


FRP因其耐腐和质轻高强的优势,最早被广泛应用于混凝土桥梁加固领域,解决老旧混凝土桥存在的抗弯、抗剪承载能力不足,挠度过大和开裂等病害。与非预应力FRP的被动加固方法相比,预应力FRP加固系统充分发挥了材料高强度优势,提高了FRP材料利用率(由低于抗拉极限强度的20%提高到 30%~50%)、有效性和经济性得到极大提高,加上已经有一些相关指导规范,近年来在一些工程上得到应用,如图4所示。以下从抗弯、抗剪和抗压加固三方面来阐述预应力FRP加固混凝土桥梁结构的成果:



3.1 抗弯加固

数量众多的空心板梁和T梁因各种原因导致抗弯承载能力和刚度不足及开裂等病害,大量试验和工程应用经验[13]表明:预应力FRP引入体外预应力,可明显改善混凝土梁的使用性能,有效减小挠度,明显抑制裂缝的开展,提高了其极限承载力。近年来,在逐渐趋于完善的短期性能研究基础上,预应力FRP加固混凝土梁的长期性能研究成为热点。王涛[14]等通过试验研究了长周期干湿交替环境对预应力CFRP加固RC梁的抗弯性能影响,结果表明长周期的干湿交替会对预应力CFRP加固RC梁的抗弯性能造成显著损害。Xie等[15]对预应力CFRP加固的RC梁在氯化物侵蚀环境中的受力性能,结果表明:氯化物侵蚀造成的混凝土开裂会导致CFRP锚固区失效和抗弯性能降低,如图5所示。赵少伟等[16]对有粘结预应力CFRP板加固混凝土梁进行疲劳试验研究,表明预应力水平对疲劳性能的影响最大。综合这些研究可以看出,活载和环境因素,特别是腐蚀环境,对预应力FRP锚具、加固梁体承载能力的不利影响不可忽视。在预应力FRP技术基础上,可引入传感器,如光纤,形成智能复合材料。周智、欧进萍等[17]采用自主研发的满足拉挤成型工艺的OFBG-CFRP智能预应力CFRP板对混凝土梁进行加固,并利用实时监测CFRP板应变,试验结果证明了CFRP-OFBG板在智能监测方面有良好的适用性,为今后结构加固与监测一体化提供了重要基础。



3.2 抗剪加固

混凝土T梁因各种原因导致抗剪承载能力不足,腹板形成斜裂缝。与抗弯加固相比,抗剪加固无论技术手段还是理论基础都较为薄弱。周朝阳等[18]提出一种预应力U形CFRP条带端锚与黏贴并用(简称混锚)的抗剪加固方法并进行试验研究,结果表明:混锚预应力加固在抑制主斜裂缝开展、延缓箍筋屈服和提高箍筋塑性利用率等方面的表现均优于纯黏贴加固,能够防止CFRP端部剥离并大幅提高纤维强度利用率,显著提高梁的抗剪承载力。周畅等[19]开发了用于抗剪加固的CFRP片材预应力张拉和锚固系统,试验发现:预应力CFRP片材对混凝土梁斜裂缝的产生和发展有明显的抑制作用,加固后钢筋混凝土梁的抗剪承载力得到大幅提升。由于混凝土梁高有限,给预应力FRP的锚固、张拉及预应力损失控制带来很大挑战,且混凝土梁的剪切破坏机理及抗力评估一直是一个复杂的问题,因此需要从传力机理和施工工艺上研究预应力FRP的抗剪加固问题。


3.3 轴心抗压加固

当既有混凝土桥墩柱的受压承载力和延性不足时,可以在外围沿环向包裹高强度和高模量的FRP材料,加强对核心混凝土的约束,提高既有混凝土柱的承载力和延性,增强其耗能能力和抗震性能。在加固施工时预张FRP片材,对核心混凝土提供主动约束,从而促使FRP片材与既有混凝土墩柱更好地协同工作,将会显著提高FRP片材的利用率,大幅度增强加固效果。周长东等[20]对直径800mm混凝土柱进行预应力FRP加固后的承载能力进行研究,提出了一个预应力FRP约束混凝土的应力-应变关系模型。预应力FRP片材加固桥梁混凝土墩柱技术尚处于探索阶段,尚未有实际工程应用案例报道。


PART-4 预应力FRP加固钢结构桥梁


钢结构桥梁由于存在各种缺陷和损伤,在车辆荷载、腐蚀环境等作用下,很可能导致开裂或结构失稳,影响桥梁结构安全服役。采用预应力FRP加固钢构件可有效降低应力水平、减小裂纹发展速率、提高稳定承载能力,是近年来成为广大研究者关注的焦点。


4.1 疲劳加固

预应力FRP加固以改善钢桥的疲劳行为在于两方面:1)消减无损伤钢构件的拉应力水平。Ghafoori等[21]采用预应力CFRP板对澳大利亚一座运营了122年的钢桥横梁进行了加固,如图6所示,并通过远程无线监测系统实时测量CFRP板的应力情况,监测结果表明:控制张拉预应力980MPa情况下,钢梁应力水平消减50%,CFRP活载应力最大为62MPa。Hosseini等[22]对粘接高弹模CFRP板及无粘结预应力CFRP板加固的受拉钢板的对比研究表明:无粘结预应力CFRP板加固效果远超过前者。2)阻滞受损钢构件的裂纹扩展速率。陈涛等[23]对预应力CFRP加固受损方形钢管的裂纹扩展及疲劳寿命进行试验研究,裂纹阻滞效果很好。叶华文[24]采用自主研发的预应力CFRP板锚固系统,研究多预应力水平CFRP板加固受损工字钢梁的疲劳寿命,根据试验结果,提出了预应力水平对裂纹阻滞机制的效果图,如图7所示,预应力CFRP板产生的预压应力须超过加固构件的最小名义应力σmin,使得应力比为负,才能得到较好的加固效果,并在此基础上提出裂纹扩展双参数驱动力模型[25]。



4.2 稳定加固

直接粘贴FRP片材虽然可以提高钢柱受压承载力,但因粘贴的FRP刚度较小且易发生界面剥离破坏,承载能力提高的幅度有限。针对此问题,冯鹏等[26]基于自平衡的概念提出了预应力CFRP加固钢压杆的方法,如图8所示,结果表明:该方法能显著提高受压钢构件轴压承载力。当然,预应力FRP加固钢柱的研究还是很少,其加固机理和工程应用等方面仍需继续研究。



总结与展望


预应力FRP因其加固效果明显,施工速度快,已经在桥梁加固领域成为一种重要的加固方法得到一些工程应用。目前,预应力FRP加固的发展仍局限于作为钢索或钢板的补充或替代品,与大规模应用仍有较大差距,面临一些亟待解决的问题,主要表现在锚固系统的长期可靠性和标准化,加固结构的长期性能和可检测性,缺乏完善的、针对性的行业规范标准。因此还应进行以下方面的研究工作:


(1) 长期可靠的标准化锚固系统的研发。目前桥梁工程常用的预应力FRP筋材和片材基本上都是标准化规格,但锚具产品和施工工艺差异很大,难以实现规模化生产以提高质量和降低造价,阻碍了其在桥梁加固中的推广应用。如果类似于预应力钢丝或钢绞线,针对典型的FRP,研发几类标准化的高效、可靠的、尺寸小的锚固系统,可极大推动预应力FRP加固的发展。


(2) 预应力FRP加固结构行为的可监测性。桥梁结构加固后其性能的演化,特别是FRP预应力变化和损伤状态,需要加以实时监测,以确保加固结构的服役安全,目前针对加固后桥梁的状态监测还处于探索阶段。


(3) 预应力FRP加固结构的专门规范体系。目前已发布的复合材料加固规范基本上针对粘贴非预应力FRP或是体外预应力加固方法,关于预应力FRP加固的内容散布在这些规范中。按既有规范进行预应力FRP设计和施工,应用的FRP预应力水平很难有明显提高,影响FRP高强性能利用,因此发展趋势是逐步改变传统加固理念(如无粘结加固),基于全寿命周期建立专门的预应力FRP加固结构的规范体系,方便知道预应力FRP加固的不同条件和情况。


   

   

   (编辑:奚雅青)

   

   

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