FRP加固圬工拱橋的性能研究

孔德祥

摘 要 我國存在較多年代久遠但仍然發揮作用的圬工拱橋，它們是重要的歷史文化遺產，對其維護加固非常重要。基于FRP復合材料具有自重輕、體積小、抗拉強度高等優點，FRP較多的應用于加固混凝土橋梁的研究，但對加固圬工拱橋的研究比較少。本文通過已有的實驗，分析了FRP加固圬工拱橋的破壞模式以及極限承載力研究，為FRP加固圬工拱橋的研究提供理論基礎。

關鍵詞 圬工拱橋 FRP加固 破壞模式 極限承載力

中圖分類號：U441.4 文獻標識碼：A

1 概述

圬工拱橋是世界橋梁史上出現較早的橋梁形式，至今已有幾千年的歷史，其具有就地取材、跨度大、耐久性好、構造簡單以及圬工材料具有較高的抗壓強度等優點，是一種具有歷史價值和現實意義的橋梁。在圬工拱橋中，一方面，很大一部分由于歷史條件的限制，其設計荷載不能滿足等級要求；另一方面，由于材料老化、結構損傷等原因導致圬工拱橋承載力不足。

基于FRP復合材料具有自重輕、體積小、施工方便、抗拉強度高以及耐久性好等特點，FRP較多的應用于加固混凝土橋梁的研究，但對加固圬工拱橋的研究比較少。本文通過已有的實驗，分析了FRP加固圬工拱橋的破壞模式以及極限承載力研究，為FRP加固圬工拱橋的研究提供理論基礎。

2 未加固圬工拱橋的破壞模式

圬工拱橋是通過磚、石建造，由砂漿粘結而成。圬工拱橋表現出復合性的力學行為。單拱圈圬工拱橋的有四種坍塌模式，分別為鉸機制、抗剪機制、剪力—鉸機制和壓壞模式。

結構的幾何形狀和組成材料的力學性能很大程度上決定了圬工拱橋在受荷情況下的穩定和安全性。由于砌體結構的抗拉強度可以忽略不計，所以只有推力線和索狀多邊形都在砌體拱界面內時，砌體結構才能保持安全性。當合力沒有作用在中間核心區內時，砌體拱截面將發生傾斜進而導致幾何形狀劇烈改變。之后，塑性鉸將在受力位置形成，在受力位置附近砌塊會在受壓邊被壓碎。砌體拱上出現四個包括四個以上塑性鉸的情況是結構發生偏移之后發生坍塌的條件。

3 FRP加固后圬工拱橋的破壞模式

根據FRP參數的改變，加固后的圬工拱橋有四種破壞方式：砌塊壓碎、砌體滑移、FRP剝離和FRP斷裂。

3.1 壓碎破壞

FRP加固的圬工拱橋，裂縫被FRP約束的區域也是砌塊與砂漿壓碎破壞出現的區域。粘貼在圬工拱橋上的FRP受到拉力作用時，粘貼位置的砌體會在粘貼面的對面形成鉸并繞著鉸轉動。鉸位于砌塊之間，隨轉角的增加，其應力隨之增加，從而導致砌塊壓碎。

3.2砌塊滑移

當砌塊內的剪切力大于砌塊間的抗剪強度時產生滑移破壞。未加固的圬工拱橋的抗剪能力是由砌塊間接觸面的摩擦和壓力提供的。用FRP加固的圬工拱橋，FRP布條的銷栓作用是考慮砌塊間抗滑能力的必要因素。以下是極有可能出現砌塊滑移模式的情況：FRP粘貼在拱背或荷載明顯不對稱。

3.3 FRP剝離

施加在圬工拱橋上的荷載會產生垂直于FRP方向的分力，當其大于FRP和砌體的粘附力時，FRP將剝離于砌體表面。剝離前，當垂直于FRP粘貼位置切線方向的拉力大于砌塊的抗拉強度時，粘貼位置砌塊的表面將被拉脫層。

3.4 FRP斷裂

在FRP的剝離行為受到限制時，FRP將發生斷裂。當FRP與砌體粘貼非常牢固時，FRP將承受很大的拉力以至于FRP被拉斷。

4 試驗方案

為了驗證不同形式的加固效果，本試驗分別采用不同寬度的GFRP對圬工拱的拱背和拱腹進行加固，實驗如下：

試驗采用跨度1.5m，寬度0.45m，圓心角156€埃刖？.75的圓形圬工拱橋，黏土磚尺寸100mm€？0mm€？5mm。將寬度為2€？0mm，2€？0mm，2€？00mm的GFRP分別粘貼在圬工拱橋的拱背和拱腹（如圖所示）。在1/4拱跨度處施加作用在拱背上的荷載，分析圬工拱橋的破壞模式以及極限承載力。

5 試驗結果

拱背或拱腹加固均避免了四鉸拱的發生。

FRP加固圬工拱橋拱背時，圬工拱橋的極限承載力提高了89%，其延性也有了顯著提高。在拱腳處，拱圈沿灰縫發生滑移錯位。但FRP寬度的改變對圬工拱橋加固效果幾乎沒有影響。FRP寬度的改變并沒有改變圬工拱橋的破壞模式，也沒有改善圬工拱橋的延性。雖然隨著FRP粘結寬度的增加其極限承載能力有所增加，但增加的幅度很小。

FRP加固圬工拱橋拱腹時，圬工拱橋的變形能力和極限承載能力有了顯著提高。但隨著FRP粘結寬度的增加，圬工拱橋的破壞模式不再是單純的FRP剝離，而是同時出現砌塊壓碎和FRP剝離現象。

6 結論

（1）未加固圬工拱橋的破壞模式是典型的“四鉸拱”機理，屬于脆性破壞。

（2）GFRP加固拱圈的各種加固方式均能提高圬工拱橋的極限承載力以及延長了破壞前的變形能力，從而避免了脆性破壞。

（3）用GFRP對圬工拱橋拱背進行加固時，在拱腳處發生剪切滑移，拱圈沿灰縫發生錯位。

（4）當GFRP的面積為拱圈面積的0.06%時，在拱腹加固對提高極限承載力最有效，而在拱背加固提高了圬工拱橋的變形能力，同時也改善了圬工拱橋的破壞模式。

參考文獻

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