基于玄武巖纖維布的在役簡支板橋靜動載試驗研究

李紅鴿， 李冰川， 張瀚譽， 李 勇

(1.石家莊市道橋設施管護中心橋涵管理所，河北 石家莊 050000；2.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043)

簡支板橋由于建筑高度小、造價低廉等優勢，在我國城市和公路橋梁中得到了普遍應用；但部分簡支板橋受到使用荷載、環境以及結構本身缺陷等因素的影響，出現使用性能衰退、承載能力和耐久性降低等問題。為了保證橋梁安全，提高橋梁的耐久性，需要對此類橋梁進行提升加固。在橋梁加固措施中，粘貼復合纖維材料加固技術不僅能提高結構承載力抗拉強度和耐久性，而且其施工便捷、工期短、幾乎不增加結構自重，在結構加固領域得到了廣泛應用[1-3]，但目前對橋梁粘貼BFRP布加固技術的研究多處于試驗研究階段，實橋加固案例較少[4-5]。

基于此，本文以一座經BFRP布加固的在役簡支板橋為工程依托，對加固前后的橋梁開展靜載試驗、環境激勵試驗和無障礙行車試驗，分析橋梁強度、剛度、動力響應等技術指標，評價橋梁的承載能力及BFRP布的加固提升效果。

1 工程概況

匯新橋(7+8+7)m為在役簡支板橋，橋寬12 m，橋梁縱坡為0.5%，橋面橫坡為雙向1.0%。每跨由12片矩形鋼筋混凝土預制板組成。每片板寬0.99 m，板厚0.36 m。橋面鋪裝分為兩層，上層為3 cm厚的瀝青混凝土，下層為10 cm厚的水泥混凝土，全橋整體現澆。

該橋自1998年建成使用至今，使用時間較長，存在混凝土剝落露筋、鋼筋銹蝕等病害，且跨越河道，在洪水發生時會出現水位高于板底造成板底浸泡的現象。為隔絕水汽，改善橋梁的耐久性，兼顧提高橋梁的承載能力，同時研究BFRP布的加固效果，擬采用板底滿鋪4層BFRP布的方法對橋梁第1孔進行加固。

2 橋梁靜動載試驗

2.1 測試方法

靜載試驗采用汽車荷載加載的方法，按最大試驗荷載進行分級加載，測試該橋梁控制截面在各級荷載作用下的應變和變形情況。

動載試驗利用單輛車以不同速度通過橋梁進行無障礙行車試驗，測試橋梁加固前后的沖擊系數、動撓度、動應變、豎向速度及豎向加速度等動力響應參數，同時采用環境振動激勵法測量橋梁加固前后的自振頻率。

2.2 試驗荷載布置及試驗工況

本次試驗荷載按控制內力、應力或變位等效原則確定，其要求靜力荷載試驗效率宜介于0.95～1.05之間。利用有限元軟件，采用梁格法建立橋梁邊跨的有限元模型，并考慮橋面鋪裝的影響，設計荷載為汽車車道荷載，考慮沖擊系數，橋梁邊跨有限元模型如圖1所示。由有限元模型計算可知，按偏載布置車道時，最不利工況為兩車道布載。

圖1 橋梁邊跨的有限元模型

試驗荷載依據等效設計原則，采用2輛車、在靠近人行道的2個車道加載。試驗加載車輛信息如表1所示，加載車輛布置位置如圖2所示。

表1 加載車輛信息

圖2 加載車輛布置(單位：cm)

靜動載試驗測試第1孔，橋梁加固前后測試工況一致。試驗共分為6個工況：其中靜載2個工況，加載車輛1輛、2輛；動載4個工況，行車速度10、20、30、40 km/h。每種工況循環2次，測試結果以2次測量結果的平均值為準，此次靜動載試驗的控制截面為第1孔跨中截面。

2.3 測點布置

為對比加固前后橋梁結構的受力性能，測點布置位置在加固前后保持一致。該橋為在役普通鋼筋混凝土簡支板橋，故應變測點布置在跨中截面底板鋼筋上，同時為盡量減少試驗對梁體結構的破壞，選擇受力最大的3片梁布置應變測點，每片梁布置2個測點；跨中位置布置5個撓度測點。圖3為靜態測點布置圖。

圖3 跨中截面靜態測點布置(單位：cm)

動載試驗測試孔跨為該橋第1孔，加固前后橋梁結構模態測試采用環境激勵法，在橋梁跨中位置布置拾振器。其他動力響應參數利用無障礙行車試驗測定，動態測點布置如圖4所示。

圖4 動態測點布置

3 試驗結果分析

3.1 靜載試驗

3.1.1 撓度分析

在靜載試驗中，逐級施加試驗荷載，得到橋梁加固前后不同試驗工況下的跨中處測點撓度變化情況，如圖5所示。由圖5可知，在各級試驗荷載作用下，橋梁經BFRP布加固后的撓度實測值均小于加固前的撓度實測值，其跨中截面實測撓度較加固前減少了約8%～14%。從試驗結果可得，粘貼BFRP布可以提高橋梁的剛度，提高橋梁的抗沖擊能力。

圖5 靜載試驗跨中實測撓度

3.1.2 鋼筋應力分析

根據靜載試驗中各應力測點的反饋情況，得到橋梁加固前后跨中底板鋼筋的應力增量情況，如圖6所示。由圖6可得，在各級試驗荷載作用下，經BFRP布加固的橋梁，其跨中底板鋼筋應力增量較加固前減少了約7%～31%，而且應力減少幅度與外部荷載有關。由試驗結果可知，BFRP布改善了橋梁的應力分布，提高了橋梁的承載能力。

圖6 靜載試驗跨中實測底板鋼筋應力增量

3.2 動載試驗

一輛載重汽車分別以10、20、30、40 km/h的車速勻速通過橋跨，使結構發生強迫振動，測得橋梁動力響應與行車速度之間的關系，如圖7所示。

由圖7可以看出，經BFRP布加固橋梁的動撓度幅值、動應變幅值及豎向振動速度較未加固橋均有一定幅度的降低，而且其隨行車速度進行平穩變化，沒有出現急速的上升或下降。加固橋的豎向振動加速度在一定行車速度范圍內比原橋低，其他速度范圍內有所升高。動撓度及動應變的沖擊系數與行車速度有關，行車速度較低時加固橋沖擊系數較原橋有所提高，但都低于0.2的設計沖擊系數，表明橋梁的平整度較好；而且隨著行車速度的提高，加固梁的沖擊系數會出現小于原橋的現象。綜上所述，粘貼BFRP布對結構的動力響應有一定的影響，在以后的橋梁加固中要考慮結構動力作用的影響。

圖7 動載試驗實測動力響應

3.3 環境激勵試驗

在橋梁無交通荷載及橋址附近無規則振動源的情況下，利用高靈敏度動力測試儀測定橋梁因風、大地、水等隨機荷載激勵而產生的振動響應，測得橋梁加固的自振頻率。橋梁加固前后的自振頻率測試波形自譜分析見圖8、圖9。

圖8 加固前自振頻率自譜分析

圖9 加固后自振頻率自譜分析

原橋的豎向一階自振頻率為18.16 Hz，經BFRP布加固后的橋梁豎向一階自振頻率為20.70 Hz。橋梁經BFRP布加固后其自振頻率變大，表明加固橋梁的結構整體剛度大于原橋的剛度，有較強的抗沖擊能力。

4 結論

(1)由靜載試驗可以得出，經BFRP加固后的橋梁在荷載作用下的撓度與鋼筋應力較原橋有所降低，表明BFRP布可以提高橋梁的剛度，進而提高橋梁的承載能力。

(2)從環境激勵試驗中可以看出，加固后的橋梁實測自振頻率高于原橋，表明加固橋梁的整體剛度較大，為結構的剛度提供一定的安全儲備。

(3)從無障礙行車試驗中發現，BFRP布降低了動撓度幅值、動應變幅值及豎向振動速度，各項動力響應數值與行車速度有關，且隨行車速度進行平穩變化，沒有出現劇烈波動。