意大利帕多瓦文物橋的frp維修加固

意大利帕多瓦文物橋的frp維修加固

1高強纖維復合材料加固工橋梁數(shù)百年來，項目工程技術(shù)一直是意大利最常用的建筑方法。橋梁、歷史悠久的教會和塔樓等建筑仍然存在。20世紀,鋼和混凝土逐漸取代圬工成為了橋梁結(jié)構(gòu)的主要建筑材料。然而,即使在21世紀,一些小跨徑橋梁仍然采用圬工材料建造。對于橋梁結(jié)構(gòu),自建成之日起,承載的交通負荷不斷增加,這是造成橋梁出現(xiàn)缺陷的主要原因。由于負責橋梁維修、更換的機構(gòu)在預算方面受限,替換每一座存在缺陷的橋梁是不可能的,但是可以通過加固維修確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全。本文介紹了使用高強纖維復合材料加固圬工拱橋的方法。纖維復合材料最初是為航空航天工業(yè)研發(fā)的,現(xiàn)在更為廣泛地用于土木工程建筑的維修加固。通過環(huán)氧膠接,纖維復合材料層壓板能夠與混凝土梁和鋼梁的下部粘接,從而達到主要提高主梁的強度及附帶提高主梁剛度的目的。經(jīng)過纖維復合材料的包裹,混凝土柱在地震中的變形能力及承載力增強。將碳纖維材料用于橋面外緣無需拆除任何結(jié)構(gòu);此外,由于難以察覺碳纖維的存在,也不會影響文物橋梁的美觀。采用這種方法無需在建筑維修加固期間搭建臨時支架支撐橋梁。本文對意大利卡斯塔格納拉橋(CastagnaraBridge)的維修加固進行了研究,該橋維修加固有以下特點:(1)采用恰當且無擾動工藝對有150余年歷史的圬工拱橋進行維修加固;(2)應(yīng)用一種不僅能提高既有建筑結(jié)構(gòu)強度,而且能提高其變形能力的方法。2利部的木橋鐵路圖16意大利卡斯塔格納拉橋(見圖1)是連通帕多瓦地區(qū)的一座重要橋梁。該橋建于1859年,修建當初是為了讓大批奧匈帝國的部隊能夠從意大利東北部到達周邊有4個堡壘防衛(wèi)的地區(qū)以及預期到達波河河岸。在布倫塔河上還有一座于1856年建成的木橋。當時,帕多瓦地區(qū)第一間鑄造廠建成,生產(chǎn)意大利北部的費迪南德(Ferdinandea)鐵路線的設(shè)備,該鐵路1841年始建,1852年在米蘭竣工。同年,該鐵路線經(jīng)盧比亞納(Lubijana)把維也納和的里雅斯特連接起來。由于卡斯塔格納拉橋兩側(cè)有斜坡,造成通行不便,1883年重建斜坡。3當前結(jié)構(gòu)的評估3.1幾何模型卡斯塔格納拉橋為圬工結(jié)構(gòu),長15.50m,寬7.00m。去除瀝青路面和填充物后,露出鋼筋混凝土橫梁,橫梁外伸形成挑臂,使道路寬度增加到9.30m。去除橋梁填充物后露出了一個大型圬工拱形支撐體,拱的整個外緣厚度不一致,跨中厚度為0.50m,拱座處厚度為3.50m(設(shè)計文件上的拱肋厚為0.55m)。因此,很難確定拱上方的混凝土梁是否具有承載能力或是否是橋梁結(jié)構(gòu)的一部分。橋梁立面及平面示意如圖2所示。基于橋梁實際幾何線形建立了2個幾何模型(見圖3),模型外形都采用了橢圓形。采用有限元軟件進行分析,圬工拱橋二維有限元模型如圖4所示,橋臺用二維彈性單元模擬,橋拱用二維非彈性單元模擬。通過在拱跨中作用100kN初始荷載,對加固前后拱結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進行研究。非線性問題需要采用迭代-增量法求解,本文采用的是牛頓-拉夫森迭代法。加固后的橋梁有限元分析中,FRP模擬成位于拱結(jié)構(gòu)頂層的一維單元,并與二維單元節(jié)點相連。橋梁非線性平面應(yīng)力分析采用8節(jié)點四邊形殼單元(QPM8)及6節(jié)點三角形殼單元(TPM6)模擬,QPM8和TPM6單元采用二次插值及3×3高斯積分。這些單元可有效防止材料達到其彈塑性極限時出現(xiàn)的鎖定效應(yīng)。每個節(jié)點有2個自由度,代表了平面上2個正交方向上的位移。圬工拱模擬成各向同性的連續(xù)體,為了模擬石材的低抗拉強度,材料特性基于Drucker-Prager完全塑性準則。石圬工采用彈性模量和泊松系數(shù)模擬其彈性特性,采用粘聚力和摩擦角模擬其塑性特性。模型的邊界條件由施加于一些節(jié)點上的平動約束來實現(xiàn),橋臺底部的節(jié)點不能豎向移動,固定橋臺地下部分的垂直外緣節(jié)點不能水平移動。3.2碳化硅材料carbostruudhm400石材性質(zhì)根據(jù)《意大利結(jié)構(gòu)規(guī)范》(ItalianStructuralCode,NTC2008)給出,FRP、環(huán)氧樹脂和砂漿特性由生產(chǎn)商提供。所有材料特性均得到實驗室和現(xiàn)場測試確認。需要分析考慮的圬工材料特性如下:抗壓強度fFRPCarbostruUDHM400是一種用于濕法處理的單向高模量碳纖維無紡布,兩面均有薄熱塑網(wǎng)格以保證其幾何穩(wěn)定。該FRP材料可以用于提高鋼筋混凝土及木結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力,以應(yīng)對彎曲和剪切載荷增加、建筑用途發(fā)生改變或需要滿足新標準等情形。FRP具有強度高,纖維排列佳,用途廣泛(可增強抗彎抗剪承載力),表面幾何形狀靈活多變(可用于梁、柱、煙囪、樁、墻),化學物耐受性及環(huán)境適應(yīng)力強(不腐蝕)等優(yōu)點。維修加固設(shè)計中采用的單向彎曲高模量碳纖維的力學特性如下:厚度W=0.225mm,纖維密度γ=18.10kN/m用環(huán)氧樹脂使碳纖維與石橋在結(jié)構(gòu)上相連,所用環(huán)氧樹脂的力學特性如下:抗彎強度f粘貼碳纖維前,需要使用特定砂漿修復所有裂縫,填平所有砂漿接縫。加固預處理所用的表面砂漿力學特性如下:抗壓強度f4靜載試驗方法橋梁加固前,首先進行現(xiàn)場靜、動載試驗。此外,從拱座墻中鉆取2份石制芯樣進行壓力測試。所取芯樣位置及鉆取過程如圖5所示。壓力測試表明,所取樣品強度分別為30.00MPa和29.50MPa。石材的強度可能相對高估,因為所取的長方形芯樣較短,高徑比很小。靜載試驗中主要測量結(jié)構(gòu)承受均布荷載或相對集中荷載下的橋梁撓度。施加荷載過程中,監(jiān)測殘余撓度與最大撓度的比值,并進行統(tǒng)計處理。使用“dim12”級電子自動光學儀監(jiān)測沉降,精度達百分之一毫米。試驗用2輛車分2個工況進行加載(見圖6、圖7)。工況1:車輛后軸位于跨中;工況2:車輛后軸位于L/4。試驗所用車輛重量如表1所示,試驗觀測所得撓度如表2所示?，F(xiàn)場動力試驗的目的是評估橋梁的主頻。測試采用跑車試驗。動態(tài)測試儀器包括:3個PCB393M19加速度計,平均輸出500mV/g,頻響范圍0.025~800Hz,靈敏度為1×105橋臺地錨、預應(yīng)力錨安裝施工步驟及注意事項預測碳纖維加固后圬工結(jié)構(gòu)剛度和強度的增加程度是一個復雜的問題。該橋的FRP設(shè)計、加固以及加固后的驗證由多位學者進行。耳墻存在裂縫是橋梁破壞的主要表現(xiàn),產(chǎn)生原因包括受到外部壓力(側(cè)向土壓力)和圬工材料抗剪強度的降低。橋臺耳墻加固設(shè)計采用地錨(見圖10、圖11),將作用于壁上的側(cè)向水平土壓力轉(zhuǎn)移到堅實的土體,避免水平方向發(fā)生變形。四面耳墻全部用地錨加固,施工步驟如圖12所示。根據(jù)文獻資料,單錨的抗力可由以下公式計算得到:式中,D為錨的直徑;L為錨的長度;d為了了解開裂造成的結(jié)構(gòu)破壞過程,按以下步驟在橋臺處安裝地錨。(1)步驟1:在橋臺附近插打拉森型鋼板樁并填筑松散顆粒料形成鉆孔作業(yè)斜坡面。(2)步驟2:進行近水平鉆孔(傾斜20℃),直徑100~125mm,長25m。(3)步驟3:放置由7根ue7885mm鋼絲組成、外包PVC防腐層的鋼絞線,注入砂漿,砂漿成分為100kg水泥(425型)、50L水、1kg抗收縮外加劑。(4)步驟4:安放錨桿的錨頭,擰緊螺栓。地錨安裝完成后,水力沖洗圬工表面直到橋臺壁和拱表面的磚顯現(xiàn)出來;更換破損的磚塊,在東北及東南橋臺壁更換新磚塊;采用水泥砂漿填補裂縫,砂漿配比為每立方米砂用400kg水泥,水灰比為0.8∶1;替換劣化的砂漿。拱是橋梁中最重要的單元,拱的修復按以下步驟進行。(1)進行荷載試驗以確定加固前的結(jié)構(gòu)性能。(2)拆除瀝青路面,移除填充材料,露出拱結(jié)構(gòu)。(3)清理拱穹的外表面,進行碳纖維加固準備工作。(4)研究拱的材料組成,以確定結(jié)構(gòu)性能及纖維粘結(jié)力。(5)結(jié)構(gòu)加固前后的計算分析。(6)確定纖維的質(zhì)量、數(shù)量和位置。此步驟包含以下要點:(1)清理表面使其無塵、無脂、無油,以使纖維和支撐間的粘結(jié)力達到最大;(2)修補存在的所有縫隙,填平砂漿連接縫;(3)涂刷環(huán)氧雙組分底膠;(4)涂刷1層環(huán)氧粘結(jié)層,保證加固物的粘結(jié)力和線形;(5)涂刷第一層環(huán)氧樹脂,需使環(huán)氧膠浸透碳纖維布;(6)粘貼碳纖維布,必須使其保持潔凈、無塵、無磨損;(7)涂刷第二層環(huán)氧樹脂;(8)沿橋臺和跨中布置邊界錨固筋,以避免加固材料提前破壞,即使發(fā)生巨大位移也能保證其功能性和整體性;(9)澆筑50mm厚的混凝土板以保護纖維。(7)完成粘貼纖維加固(見圖13)。6橋梁加固前后剛度變化加固完成后進行了現(xiàn)場靜、動載試驗。靜載試驗中測量得到撓度如表3所示。為便于比較,橋梁上方卡車的位置及撓度觀測點的位置與第一次靜載試驗相同。為評估加固后剛度及結(jié)構(gòu)的整體動態(tài)響應(yīng)的變化進行了動載試驗。與維修前相同,輸入信號由車輛通過橋面時產(chǎn)生。得到豎向頻譜如圖14所示,該頻譜由傳感器Ch1信號的離散傅立葉變換得到,主頻為13.67Hz。試驗結(jié)果顯示:橋梁加固后,撓度數(shù)值小于維修前;主頻也發(fā)生了變化,加固前為6.54Hz,加固后為13.67Hz。靜、動載試驗均表明加固后橋梁剛度明顯增大。7frp加固后的穩(wěn)定性分析及試驗結(jié)果對橋梁現(xiàn)狀進行分析,主要結(jié)果如下:第1荷載步(荷載系數(shù)1對應(yīng)100kN)應(yīng)力如圖15所示,與荷載對應(yīng)的橋梁內(nèi)緣拉應(yīng)力較大,符合經(jīng)典穹拱力學原理,此階段結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為彈性狀態(tài)。第1000步(荷載系數(shù)11.558對應(yīng)1155.80kN)應(yīng)力如圖16所示,此時外部荷載保持不變,而結(jié)構(gòu)向5個塑性鉸的狀態(tài)演變,此階段結(jié)構(gòu)處于非線性狀態(tài)。橋梁維修后的模型使用一維單元模擬FRP。分析顯示加固并未改變橋梁的彈性行為,說明加固維修不會改變正常使用狀態(tài)的荷載分布。第20荷載步(荷載系數(shù)10.567對應(yīng)1056kN)應(yīng)力如圖17所示,從圖17中可以看到只有在外部節(jié)點開裂后,拱外緣處的加固才會使外荷載繼續(xù)增加。FRP加固決定了荷載的增加,以及達到極限荷載時開裂區(qū)附近拉應(yīng)力區(qū)的擴展(見圖18)。將FRP粘在圬工樣品上進行粘結(jié)力測試,測試表明40mm的纖維上有約10000N的脫層荷載。由于使用了10條寬150mm纖維進行加固,可以推測總脫層荷載等于375000N。加固纖維的軸力如圖19所示,從圖19中可看出,維修后的FEM分析中,當荷載系數(shù)為12.06,纖維上的拉力達到375000N的極限,根據(jù)前文計算結(jié)果,此時到達了脫層極限。纖維縱向斷裂狀態(tài)如圖20所示,荷載系數(shù)為12.38,因為加固纖維經(jīng)機械固定于結(jié)構(gòu)端部,使之能為結(jié)構(gòu)繼續(xù)提供極限強度,荷載系數(shù)12.06即達到了脫層極限狀態(tài)。采用非線性FEM分析方法對所提出的橋梁加固方法進行了性能評估。在FEM模型中,橋臺采用二維彈性單元,橋拱采用二維非彈性單元,FRP采用一維線性單元。邊界條件為施加在橋臺地下部位的平動約束。作用的外力設(shè)為100kN,作用于橋梁跨中,考慮到圬工拱橋的非線性特性,荷載逐步地增加,直到破壞。從前文分析可以明顯看出FRP提高了拱橋的承載能力,錨固筋吸收了拱外表面塑性鉸區(qū)的拉應(yīng)力;如果沒有布置錨固筋,圬工拱很難吸收這部分壓應(yīng)力。就圬工拱橋的承載能力而言,加固后載荷最大達到1205kN,沒有加固時,最大載荷只有1155kN。采用FRP條加固圬工拱的最大優(yōu)勢并非增加其承載力,而是增加了坍塌前的變形能力。因為圬工材料是較脆的材料,結(jié)構(gòu)延性的增加尤其重要。橋梁跨中的荷載~位移曲線如圖21所示,可用于說明和比較2種不同的結(jié)構(gòu)行為。由圖21可知,沒有采用FRP加固時,拱曲線在第61荷載步停止,結(jié)構(gòu)進入5鉸狀態(tài);加固后的拱的曲線表現(xiàn)出相同的彈性行為,然后達到脫層狀態(tài),此時荷載和位移均增大,之后橋梁的彈性剛度基本保持不變。曲線繼續(xù)延長直至加固纖維的斷裂點。試驗也觀察到該現(xiàn)象,加固使結(jié)構(gòu)在垮塌之前在塑性狀態(tài)上支撐更久。橋梁加固且填充完畢、鋪好瀝青后,再次進行了靜、動載試驗。靜載試驗結(jié)果表明,加固后相同靜荷載下橋梁的撓度減少(見表4)?，F(xiàn)場動載試驗表明維修后橋梁主