基于玄武岩纤维布的在役简支板桥静动载试验研究

李红鸽， 李冰川， 张瀚誉， 李 勇

(1.石家庄市道桥设施管护中心桥涵管理所，河北 石家庄 050000；2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障教育部重点实验室，河北 石家庄 050043)

简支板桥由于建筑高度小、造价低廉等优势，在我国城市和公路桥梁中得到了普遍应用；但部分简支板桥受到使用荷载、环境以及结构本身缺陷等因素的影响，出现使用性能衰退、承载能力和耐久性降低等问题。为了保证桥梁安全，提高桥梁的耐久性，需要对此类桥梁进行提升加固。在桥梁加固措施中，粘贴复合纤维材料加固技术不仅能提高结构承载力抗拉强度和耐久性，而且其施工便捷、工期短、几乎不增加结构自重，在结构加固领域得到了广泛应用[1-3]，但目前对桥梁粘贴BFRP布加固技术的研究多处于试验研究阶段，实桥加固案例较少[4-5]。

基于此，本文以一座经BFRP布加固的在役简支板桥为工程依托，对加固前后的桥梁开展静载试验、环境激励试验和无障碍行车试验，分析桥梁强度、刚度、动力响应等技术指标，评价桥梁的承载能力及BFRP布的加固提升效果。

1 工程概况

汇新桥(7+8+7)m为在役简支板桥，桥宽12 m，桥梁纵坡为0.5%，桥面横坡为双向1.0%。每跨由12片矩形钢筋混凝土预制板组成。每片板宽0.99 m，板厚0.36 m。桥面铺装分为两层，上层为3 cm厚的沥青混凝土，下层为10 cm厚的水泥混凝土，全桥整体现浇。

该桥自1998年建成使用至今，使用时间较长，存在混凝土剥落露筋、钢筋锈蚀等病害，且跨越河道，在洪水发生时会出现水位高于板底造成板底浸泡的现象。为隔绝水汽，改善桥梁的耐久性，兼顾提高桥梁的承载能力，同时研究BFRP布的加固效果，拟采用板底满铺4层BFRP布的方法对桥梁第1孔进行加固。

2 桥梁静动载试验

2.1 测试方法

静载试验采用汽车荷载加载的方法，按最大试验荷载进行分级加载，测试该桥梁控制截面在各级荷载作用下的应变和变形情况。

动载试验利用单辆车以不同速度通过桥梁进行无障碍行车试验，测试桥梁加固前后的冲击系数、动挠度、动应变、竖向速度及竖向加速度等动力响应参数，同时采用环境振动激励法测量桥梁加固前后的自振频率。

2.2 试验荷载布置及试验工况

本次试验荷载按控制内力、应力或变位等效原则确定，其要求静力荷载试验效率宜介于0.95～1.05之间。利用有限元软件，采用梁格法建立桥梁边跨的有限元模型，并考虑桥面铺装的影响，设计荷载为汽车车道荷载，考虑冲击系数，桥梁边跨有限元模型如图1所示。由有限元模型计算可知，按偏载布置车道时，最不利工况为两车道布载。

图1 桥梁边跨的有限元模型

试验荷载依据等效设计原则，采用2辆车、在靠近人行道的2个车道加载。试验加载车辆信息如表1所示，加载车辆布置位置如图2所示。

表1 加载车辆信息

图2 加载车辆布置(单位：cm)

静动载试验测试第1孔，桥梁加固前后测试工况一致。试验共分为6个工况：其中静载2个工况，加载车辆1辆、2辆；动载4个工况，行车速度10、20、30、40 km/h。每种工况循环2次，测试结果以2次测量结果的平均值为准，此次静动载试验的控制截面为第1孔跨中截面。

2.3 测点布置

为对比加固前后桥梁结构的受力性能，测点布置位置在加固前后保持一致。该桥为在役普通钢筋混凝土简支板桥，故应变测点布置在跨中截面底板钢筋上，同时为尽量减少试验对梁体结构的破坏，选择受力最大的3片梁布置应变测点，每片梁布置2个测点；跨中位置布置5个挠度测点。图3为静态测点布置图。

图3 跨中截面静态测点布置(单位：cm)

动载试验测试孔跨为该桥第1孔，加固前后桥梁结构模态测试采用环境激励法，在桥梁跨中位置布置拾振器。其他动力响应参数利用无障碍行车试验测定，动态测点布置如图4所示。

图4 动态测点布置

3 试验结果分析

3.1 静载试验

3.1.1 挠度分析

在静载试验中，逐级施加试验荷载，得到桥梁加固前后不同试验工况下的跨中处测点挠度变化情况，如图5所示。由图5可知，在各级试验荷载作用下，桥梁经BFRP布加固后的挠度实测值均小于加固前的挠度实测值，其跨中截面实测挠度较加固前减少了约8%～14%。从试验结果可得，粘贴BFRP布可以提高桥梁的刚度，提高桥梁的抗冲击能力。

图5 静载试验跨中实测挠度

3.1.2 钢筋应力分析

根据静载试验中各应力测点的反馈情况，得到桥梁加固前后跨中底板钢筋的应力增量情况，如图6所示。由图6可得，在各级试验荷载作用下，经BFRP布加固的桥梁，其跨中底板钢筋应力增量较加固前减少了约7%～31%，而且应力减少幅度与外部荷载有关。由试验结果可知，BFRP布改善了桥梁的应力分布，提高了桥梁的承载能力。

图6 静载试验跨中实测底板钢筋应力增量

3.2 动载试验

一辆载重汽车分别以10、20、30、40 km/h的车速匀速通过桥跨，使结构发生强迫振动，测得桥梁动力响应与行车速度之间的关系，如图7所示。

由图7可以看出，经BFRP布加固桥梁的动挠度幅值、动应变幅值及竖向振动速度较未加固桥均有一定幅度的降低，而且其随行车速度进行平稳变化，没有出现急速的上升或下降。加固桥的竖向振动加速度在一定行车速度范围内比原桥低，其他速度范围内有所升高。动挠度及动应变的冲击系数与行车速度有关，行车速度较低时加固桥冲击系数较原桥有所提高，但都低于0.2的设计冲击系数，表明桥梁的平整度较好；而且随着行车速度的提高，加固梁的冲击系数会出现小于原桥的现象。综上所述，粘贴BFRP布对结构的动力响应有一定的影响，在以后的桥梁加固中要考虑结构动力作用的影响。

图7 动载试验实测动力响应

3.3 环境激励试验

在桥梁无交通荷载及桥址附近无规则振动源的情况下，利用高灵敏度动力测试仪测定桥梁因风、大地、水等随机荷载激励而产生的振动响应，测得桥梁加固的自振频率。桥梁加固前后的自振频率测试波形自谱分析见图8、图9。

图8 加固前自振频率自谱分析

图9 加固后自振频率自谱分析

原桥的竖向一阶自振频率为18.16 Hz，经BFRP布加固后的桥梁竖向一阶自振频率为20.70 Hz。桥梁经BFRP布加固后其自振频率变大，表明加固桥梁的结构整体刚度大于原桥的刚度，有较强的抗冲击能力。

4 结论

(1)由静载试验可以得出，经BFRP加固后的桥梁在荷载作用下的挠度与钢筋应力较原桥有所降低，表明BFRP布可以提高桥梁的刚度，进而提高桥梁的承载能力。

(2)从环境激励试验中可以看出，加固后的桥梁实测自振频率高于原桥，表明加固桥梁的整体刚度较大，为结构的刚度提供一定的安全储备。

(3)从无障碍行车试验中发现，BFRP布降低了动挠度幅值、动应变幅值及竖向振动速度，各项动力响应数值与行车速度有关，且随行车速度进行平稳变化，没有出现剧烈波动。