农村公路石拱桥FRP补强设计及效应探讨

摘要：农村公路石拱桥是农村传递货物的重要通道，长期受到雨水河道的冲刷与承载力，处于承受过往车辆压力的恶劣环境与腐蚀作用中，很容易发生剥落和断裂。文章分析利用碳纤维贴布围束修补基桩的数值，使用纤维复合材料以包覆围束的方式对基桩或桥柱进行补强修补，不仅提高基桩延展性和耐震性，并且可以避免发生脆性破坏导致桥梁倒塌。

关键词：农村公路；石拱桥；FRP补强设计；强化纤维复合材料；预力基桩 文献标识码：A

中图分类号：U441 文章编号：1009-2374（2016）02-0099-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.049

1 概述

目前，对FRP应用于经过河水腐蚀后的基桩或是桥柱的研究仍然不多，修补后的效果与其力学行为的改变仍有待研究。利用FRP的夹克修补方法应用在河水导致的腐蚀石基桩的补强也有良好效果。因此，本文藉由过去累积的研究成果利用美国加州大学柏克莱校区的太平洋地震工程研究中心所开发的有限元素分析软体，其现有的对象对FRP补强的石基桩进行数值模拟，再跟原实验结果比较讨论，期望以较为简化的方式将FRP补强的力学分析加入结构整体计算内，以求更有效率地建立出FRP修补的分析模型。本研究采用的试体为预力基桩，这些预力基桩等同桥柱一般提供栈桥承载力以及承受下压力，因此在设计以及计算参数方面可参考RC桥柱的理论。

2 FRP简介

强化纤维复合材料（Fiber Reinforced Plastic）是由纤维与树脂所组成的复合材料，简称FRP，使用纤维种类为玻璃纤维者，称为玻璃纤维复合补强材料（GFRP）；使用纤维种类为碳纤维者，称为碳纤维复合补强材料（CFRP）。其中所谓复合材料是由两种或两种以上具有明显不同化学成分及物理力学性质的组成相（constituent phase）所合成的固体介质物。一般而言，复合材料是由较强的脆性高模数增强材料（reinforcement）和较弱具延展性的低模数基体（matrix）所组成。在FRP中，纤维主要功能是承受力量，而树脂基材的主要功能则是将纤维材料束结在一起并将外部荷重均匀分布到纤维上，同时也可保护纤维不受外部环境影响的能力。先进国家开始广泛利用FRP补强石桥与钢筋混凝土结构物，原因在于此种材料相较于其他补强方式拥有以下优点：（1）重量轻；（2）强度高与良好的抗疲劳特性；（3）耐腐蚀性强；（4）施工简单、工期短；（5）施工成本较其余补强方法低廉，具有很高的强度/重量比值；（6）具有良好的抵抗电、化学腐蚀的能力；（7）纤维复合材料具有较大的塑造变形尺度，可配合各种结构形状进行修补。上述这七点尤其考量到耐腐蚀性强的优点，非常适合在本研究中会受到河水侵蚀破坏的石基桩。

3 FRP补强的数值计算略述

参考Samaan等人（Samaan，et al.1998）的FRP模式，桥柱外包FRP补强可视为横向钢筋处理，其补强的剪力强度Vj计算如下：

（1）

式中：为桥柱FRP补强的厚度；D为圆形桥柱的直径或矩形桥柱在受力方向的尺寸；为剪力裂缝与纵向钢筋的夹角，设计时可采用=35°，为低于FRP降伏强度的设计应力。此外，为避免变形过大，设定FRP环向的设计应变（hoop strain）=0.004，所以=jd=0.004，为FRP材料的弹性模数。横向箍筋比计算式为，D为圆形断面混凝土直径；S为箍筋间距；为横向钢筋面积。桥柱外包FRP通常视为连续性的横向钢筋，因此可将等效横向箍筋量表示为，故横向围束钢筋体积比如下所示：

（2）

除此之外，规定的圆形桥柱最小横向钢筋量比计算如下：

（3）

4 FRP补强后效应

由Mirmiran等人（1998）和张国镇等（2000）的试验可知经由FRP补强后的桥柱试体能大为改善迟滞循环紧缩（pitching）的现象产生，曲线饱满，强度大幅提升30%～40%，并且衰减的速度也较为和缓，消能性也不错，并且在破坏较轻微的试体使用FRP来补强，也拥有不逊色于原试体的强度。另外，FRP加强围束效果之后，抗压力有更趋加强的成效，且箍筋也可达到降伏，此外补强后搭接断面以上的主筋应变，比未补强的断面大很多，可知FRP造成的围束力有不少贡献。部分研究中会忽略补强后柱体的箍筋视为无效，但是根据应变计数据分析有部分箍筋应变值仍会达到降伏应变，显示完全忽略补强后的箍筋过于保守，应考虑双重围束情形，关于箍筋以及FRP的双重围束关系在下面会有更详细的说明。使用FRP来增加韧性，其效能優于钢板补强。因为钢板若在地震前段降伏，则因有残余应变，围束效果会降低。但是对FRP而言，在破坏前的行为永远为线弹性，围束效果不会降低。又因为FRP是以贴覆或是缠绕方式施工，对矩形柱的转角要先修成弧状。因此对矩形柱而言，角落以外的地方，混凝土的围束效果会较差。圆形柱则没有这方面的困扰。

5 分析模式之建立

5.1 前言

本部分旨在说明各项分析数值的建立以及中空钢筋混凝土桥柱补强前后的模组建立。在运算之后，即可运算出应力-应变与力-位移关系，只是在分析之前，各项数值需经过适当的修正之后才能模拟FRP补强前后的预力混凝土基桩。

本研究中，FRP着重在基桩强度及韧性补强，强度和韧性的补强取决于围束应力的大小，围束应力大小就是围束效果好坏的结果，而围束效果取决于对钢筋的围束体积比的大小。理所当然的，越大代表围束效果越大，补强后的基桩强度也越佳。基桩外包的复合材料FRP可视为间距等值的连续箍筋，因此补强后的桥柱的等值围束钢筋比会随之增大，对基桩的围束效果将有不小的提升，故韧性强度变佳。

5.2 分析试体介绍

5.2.1 基桩种类说明。所制作的基桩共有四种状态，分别是：TYPE Ⅰ：完整基桩；TYPE Ⅱ：保护层部分剥落，剥落处之箍筋断面为原来之半；TYPE Ⅲ：保护层部分剥落，剥落处之箍筋完全除去，模拟箍筋全部锈蚀，预力钢棒完整；TYPE Ⅳ：保护层部分剥落，剥落处之箍筋全部锈蚀，预力钢棒部分锯断，以模拟钢棒锈断。

5.2.2 基桩规格。基桩的尺寸如下说明：

断面尺寸：外径40cm，中空内径24cm。

基桩长度：5m。

预力：采先拉法，施完预力之后再加以养护混凝土发展强度，以握裹预力钢棒。

TYPE Ⅰ：完整基桩。

TYPE Ⅱ：保护层部分剥落，箍筋开始锈蚀。

制作：以保丽龙圆弧垫块（90°圆弧）在制作时放入，完成后可使得预力钢棒与箍筋外露，放置位置在距离基桩底部2m处。保丽龙内之箍筋断面采用其余箍筋断面约半。

TYPE Ⅲ：保护层部分剥落，箍筋锈蚀。

制作：同上方式，以保丽龙圆弧垫块在制作时放入，放置位置在距离基桩底部2m处，保丽龙内之箍筋不放，但预力钢棒不变。

TYPE Ⅳ：保护层部分剥落，箍筋完全锈蚀并且预力钢棒也部分锈蚀。

制作：同上方式，以保丽龙圆弧垫块在制作时放入，放置位置在距离基桩底部2m处，保丽龙内之箍筋不放，预力钢棒于制作完成之后以砂轮机将露出的部分裁断。

6 总结与建议

6.1 总结

FRP加强围束效果之后，抗压力有更趋加强的成效，且箍筋也可达到降伏，此外补强后搭接断面以上的主筋应变，比未补强的断面大很多，可知FRP造成的围束力有不少贡献。部分研究中会忽略补强后柱體的箍筋视为无效，但是应变计数据分析有部分箍筋应变值仍会达到降伏应变，显示完全忽略补强后的箍筋过于保守，应考虑双重围束情形。

使用FRP来增加韧性，其效能优于钢板补强。因为钢板若在地震前段降伏，则因有残余应变，围束效果会降低。但是对FRP而言，在破坏前的行为永远为线弹性，围束效果不会降低。又因为FRP是以贴覆或是缠绕方式施工，对矩形柱的转角要先修成弧状。因此对矩形柱而言，角落以外的地方，混凝土的围束效果会较差。圆形柱则没有这方面的困扰。若以外包FRP补强剪力强度时，不能使用至极限强度。因为其时变形太大，混凝土斜裂缝太宽，降低界面互锁力。

若以外包FRP补强剪力强度时，不能使用至极限强度。因为其时变形太大，混凝土斜裂缝太宽，降低界面互锁力。若使用玻璃纤维强化塑料（GFRP），其弹性系数较低，因此厚度需要很厚。改善的方式是在贴FRP前在主筋上加上预力或是在混凝土与FRP间高压灌注树脂，使FRP产生预力。由于FRP长时间而言会有预力松弛的现象，因此预力产生应力尽可能不超过拉力强度25%为宜。

6.2 建议

6.2.1 基桩在实际制作时，在核心混凝土上会有些许的厚薄不一，造成瞬间压力侧混凝土碎掉，裂缝延伸至拉力侧而整根基桩断裂，这是在分析容易忽略的情形，建议未来研究应留意圆管厚薄不同时所造成的影响。

6.2.2 分析时破坏部位是假设单一角度上的损坏，但实际上的破坏应不会如此单纯，未来研究破坏和修补的方式必须要多加检讨评估。

参考文献

[1]张树仁，王宗林.桥梁病害诊断与改造加固设计[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]刘士林，向中富.特大跨径石拱桥研究与实践[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]蒙云，卢波.桥梁加固与改造[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

作者简介：于晓鹏（1976-），男，供职于泰安市交通运输局，中级职称，研究方向：道路桥梁。

（责任编辑：黄银芳）