農村公路石拱橋FRP補強設計及效應探討

摘要：農村公路石拱橋是農村傳遞貨物的重要通道，長期受到雨水河道的沖刷與承載力，處于承受過往車輛壓力的惡劣環境與腐蝕作用中，很容易發生剝落和斷裂。文章分析利用碳纖維貼布圍束修補基樁的數值，使用纖維復合材料以包覆圍束的方式對基樁或橋柱進行補強修補，不僅提高基樁延展性和耐震性，并且可以避免發生脆性破壞導致橋梁倒塌。

關鍵詞：農村公路；石拱橋；FRP補強設計；強化纖維復合材料；預力基樁 文獻標識碼：A

中圖分類號：U441 文章編號：1009-2374（2016）02-0099-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.049

1 概述

目前，對FRP應用于經過河水腐蝕后的基樁或是橋柱的研究仍然不多，修補后的效果與其力學行為的改變仍有待研究。利用FRP的夾克修補方法應用在河水導致的腐蝕石基樁的補強也有良好效果。因此，本文藉由過去累積的研究成果利用美國加州大學柏克萊校區的太平洋地震工程研究中心所開發的有限元素分析軟體，其現有的對象對FRP補強的石基樁進行數值模擬，再跟原實驗結果比較討論，期望以較為簡化的方式將FRP補強的力學分析加入結構整體計算內，以求更有效率地建立出FRP修補的分析模型。本研究采用的試體為預力基樁，這些預力基樁等同橋柱一般提供棧橋承載力以及承受下壓力，因此在設計以及計算參數方面可參考RC橋柱的理論。

2 FRP簡介

強化纖維復合材料（Fiber Reinforced Plastic）是由纖維與樹脂所組成的復合材料，簡稱FRP，使用纖維種類為玻璃纖維者，稱為玻璃纖維復合補強材料（GFRP）；使用纖維種類為碳纖維者，稱為碳纖維復合補強材料（CFRP）。其中所謂復合材料是由兩種或兩種以上具有明顯不同化學成分及物理力學性質的組成相（constituent phase）所合成的固體介質物。一般而言，復合材料是由較強的脆性高模數增強材料（reinforcement）和較弱具延展性的低模數基體（matrix）所組成。在FRP中，纖維主要功能是承受力量，而樹脂基材的主要功能則是將纖維材料束結在一起并將外部荷重均勻分布到纖維上，同時也可保護纖維不受外部環境影響的能力。先進國家開始廣泛利用FRP補強石橋與鋼筋混凝土結構物，原因在于此種材料相較于其他補強方式擁有以下優點：（1）重量輕；（2）強度高與良好的抗疲勞特性；（3）耐腐蝕性強；（4）施工簡單、工期短；（5）施工成本較其余補強方法低廉，具有很高的強度/重量比值；（6）具有良好的抵抗電、化學腐蝕的能力；（7）纖維復合材料具有較大的塑造變形尺度，可配合各種結構形狀進行修補。上述這七點尤其考量到耐腐蝕性強的優點，非常適合在本研究中會受到河水侵蝕破壞的石基樁。

3 FRP補強的數值計算略述

參考Samaan等人（Samaan，et al.1998）的FRP模式，橋柱外包FRP補強可視為橫向鋼筋處理，其補強的剪力強度Vj計算如下：

（1）

式中：為橋柱FRP補強的厚度；D為圓形橋柱的直徑或矩形橋柱在受力方向的尺寸；為剪力裂縫與縱向鋼筋的夾角，設計時可采用=35°，為低于FRP降伏強度的設計應力。此外，為避免變形過大，設定FRP環向的設計應變（hoop strain）=0.004，所以=jd=0.004，為FRP材料的彈性模數。橫向箍筋比計算式為，D為圓形斷面混凝土直徑；S為箍筋間距；為橫向鋼筋面積。橋柱外包FRP通常視為連續性的橫向鋼筋，因此可將等效橫向箍筋量表示為，故橫向圍束鋼筋體積比如下所示：

（2）

除此之外，規定的圓形橋柱最小橫向鋼筋量比計算如下：

（3）

4 FRP補強后效應

由Mirmiran等人（1998）和張國鎮等（2000）的試驗可知經由FRP補強后的橋柱試體能大為改善遲滯循環緊縮（pitching）的現象產生，曲線飽滿，強度大幅提升30%～40%，并且衰減的速度也較為和緩，消能性也不錯，并且在破壞較輕微的試體使用FRP來補強，也擁有不遜色于原試體的強度。另外，FRP加強圍束效果之后，抗壓力有更趨加強的成效，且箍筋也可達到降伏，此外補強后搭接斷面以上的主筋應變，比未補強的斷面大很多，可知FRP造成的圍束力有不少貢獻。部分研究中會忽略補強后柱體的箍筋視為無效，但是根據應變計數據分析有部分箍筋應變值仍會達到降伏應變，顯示完全忽略補強后的箍筋過于保守，應考慮雙重圍束情形，關于箍筋以及FRP的雙重圍束關系在下面會有更詳細的說明。使用FRP來增加韌性，其效能優于鋼板補強。因為鋼板若在地震前段降伏，則因有殘余應變，圍束效果會降低。但是對FRP而言，在破壞前的行為永遠為線彈性，圍束效果不會降低。又因為FRP是以貼覆或是纏繞方式施工，對矩形柱的轉角要先修成弧狀。因此對矩形柱而言，角落以外的地方，混凝土的圍束效果會較差。圓形柱則沒有這方面的困擾。

5 分析模式之建立

5.1 前言

本部分旨在說明各項分析數值的建立以及中空鋼筋混凝土橋柱補強前后的模組建立。在運算之后，即可運算出應力-應變與力-位移關系，只是在分析之前，各項數值需經過適當的修正之后才能模擬FRP補強前后的預力混凝土基樁。

本研究中，FRP著重在基樁強度及韌性補強，強度和韌性的補強取決于圍束應力的大小，圍束應力大小就是圍束效果好壞的結果，而圍束效果取決于對鋼筋的圍束體積比的大小。理所當然的，越大代表圍束效果越大，補強后的基樁強度也越佳。基樁外包的復合材料FRP可視為間距等值的連續箍筋，因此補強后的橋柱的等值圍束鋼筋比會隨之增大，對基樁的圍束效果將有不小的提升，故韌性強度變佳。

5.2 分析試體介紹

5.2.1 基樁種類說明。所制作的基樁共有四種狀態，分別是：TYPE Ⅰ：完整基樁；TYPE Ⅱ：保護層部分剝落，剝落處之箍筋斷面為原來之半；TYPE Ⅲ：保護層部分剝落，剝落處之箍筋完全除去，模擬箍筋全部銹蝕，預力鋼棒完整；TYPE Ⅳ：保護層部分剝落，剝落處之箍筋全部銹蝕，預力鋼棒部分鋸斷，以模擬鋼棒銹斷。

5.2.2 基樁規格。基樁的尺寸如下說明：

斷面尺寸：外徑40cm，中空內徑24cm。

基樁長度：5m。

預力：采先拉法，施完預力之后再加以養護混凝土發展強度，以握裹預力鋼棒。

TYPE Ⅰ：完整基樁。

TYPE Ⅱ：保護層部分剝落，箍筋開始銹蝕。

制作：以保麗龍圓弧墊塊（90°圓弧）在制作時放入，完成后可使得預力鋼棒與箍筋外露，放置位置在距離基樁底部2m處。保麗龍內之箍筋斷面采用其余箍筋斷面約半。

TYPE Ⅲ：保護層部分剝落，箍筋銹蝕。

制作：同上方式，以保麗龍圓弧墊塊在制作時放入，放置位置在距離基樁底部2m處，保麗龍內之箍筋不放，但預力鋼棒不變。

TYPE Ⅳ：保護層部分剝落，箍筋完全銹蝕并且預力鋼棒也部分銹蝕。

制作：同上方式，以保麗龍圓弧墊塊在制作時放入，放置位置在距離基樁底部2m處，保麗龍內之箍筋不放，預力鋼棒于制作完成之后以砂輪機將露出的部分裁斷。

6 總結與建議

6.1 總結

FRP加強圍束效果之后，抗壓力有更趨加強的成效，且箍筋也可達到降伏，此外補強后搭接斷面以上的主筋應變，比未補強的斷面大很多，可知FRP造成的圍束力有不少貢獻。部分研究中會忽略補強后柱體的箍筋視為無效，但是應變計數據分析有部分箍筋應變值仍會達到降伏應變，顯示完全忽略補強后的箍筋過于保守，應考慮雙重圍束情形。

使用FRP來增加韌性，其效能優于鋼板補強。因為鋼板若在地震前段降伏，則因有殘余應變，圍束效果會降低。但是對FRP而言，在破壞前的行為永遠為線彈性，圍束效果不會降低。又因為FRP是以貼覆或是纏繞方式施工，對矩形柱的轉角要先修成弧狀。因此對矩形柱而言，角落以外的地方，混凝土的圍束效果會較差。圓形柱則沒有這方面的困擾。若以外包FRP補強剪力強度時，不能使用至極限強度。因為其時變形太大，混凝土斜裂縫太寬，降低界面互鎖力。

若以外包FRP補強剪力強度時，不能使用至極限強度。因為其時變形太大，混凝土斜裂縫太寬，降低界面互鎖力。若使用玻璃纖維強化塑料（GFRP），其彈性系數較低，因此厚度需要很厚。改善的方式是在貼FRP前在主筋上加上預力或是在混凝土與FRP間高壓灌注樹脂，使FRP產生預力。由于FRP長時間而言會有預力松弛的現象，因此預力產生應力盡可能不超過拉力強度25%為宜。

6.2 建議

6.2.1 基樁在實際制作時，在核心混凝土上會有些許的厚薄不一，造成瞬間壓力側混凝土碎掉，裂縫延伸至拉力側而整根基樁斷裂，這是在分析容易忽略的情形，建議未來研究應留意圓管厚薄不同時所造成的影響。

6.2.2 分析時破壞部位是假設單一角度上的損壞，但實際上的破壞應不會如此單純，未來研究破壞和修補的方式必須要多加檢討評估。

參考文獻

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[2]劉士林，向中富.特大跨徑石拱橋研究與實踐[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]蒙云，盧波.橋梁加固與改造[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003.

作者簡介：于曉鵬（1976-），男，供職于泰安市交通運輸局，中級職稱，研究方向：道路橋梁。

（責任編輯：黃銀芳）