橋梁加固中自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板的應(yīng)用

摘要 為評(píng)測橋梁加固過程中碳纖維板應(yīng)力損失程度，推進(jìn)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用，文章提出將纖維增強(qiáng)塑料和光纖光柵耦合的設(shè)計(jì)思路，在分析自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)原理及監(jiān)測原理的基礎(chǔ)上，展開預(yù)應(yīng)力碳纖維板性能試驗(yàn)過程分析及工程應(yīng)用探討。結(jié)果表明，自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板具備較好的溫度、應(yīng)力感知性能，監(jiān)測精度高，可對(duì)不規(guī)范施工起到較好的監(jiān)督，還能對(duì)橋梁加固材料內(nèi)部應(yīng)力變化有效施測，在橋梁加固實(shí)踐中具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 橋梁；加固；自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板；光纖光柵

中圖分類號(hào) U445.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B文章編號(hào) 2096-8949（2024）02-0108-03

0 引言

在橋梁加固中引入預(yù)應(yīng)力碳纖維板這種材料，必定會(huì)造成應(yīng)力持續(xù)衰減，相應(yīng)結(jié)構(gòu)承載力水平必然持續(xù)衰退。此外，若此種加固材料恰好長時(shí)間保持低頻振動(dòng)，則必定引發(fā)材料以及相應(yīng)部位應(yīng)力衰減的持續(xù)發(fā)生、疲勞積累、長期蠕變，十分不利于固件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而固件加固施工期間應(yīng)力損失發(fā)生的原因及作用機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，所得出的理論結(jié)果也會(huì)與實(shí)際值存在較大差距，無法作為固件運(yùn)行狀況評(píng)測的依據(jù)。為此，該文嘗試使纖維增強(qiáng)處理后的塑料和光纖光柵形成加固體系，在取得加固處治效果的同時(shí)引入檢測功能，伴隨橋梁運(yùn)行的同時(shí)展開預(yù)應(yīng)力損失情況及程度的監(jiān)測，為橋梁結(jié)構(gòu)良好運(yùn)行提供判定依據(jù)。

1 自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)概述

1.1 加固原理

借助錨具系統(tǒng)，按照設(shè)計(jì)張拉力展開該橋梁加固過程中所用到的預(yù)應(yīng)力碳纖維板的張拉施工，從而得到加固后承載力提高的預(yù)應(yīng)力組合體系。以上過程中按照設(shè)計(jì)要求所施加的預(yù)應(yīng)力主要發(fā)揮著平衡和穩(wěn)定橋梁自重、外部荷載、結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及結(jié)構(gòu)變形等重要作用[1]，從而充分發(fā)揮出碳纖維材料自身強(qiáng)度以及加固處治后結(jié)構(gòu)的極限承載力。

按照以上原理所設(shè)計(jì)出的預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固結(jié)構(gòu)體系中板材的兩端主要借助錨固系統(tǒng)裝置，起到較好的錨固效果，此外還應(yīng)將膠黏劑均勻涂抹于附近的梁底結(jié)構(gòu)表面，借助千斤頂設(shè)備向相應(yīng)部位施加設(shè)計(jì)應(yīng)力。最終保證預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固病害橋梁結(jié)構(gòu)的效果得以充分發(fā)揮。

1.2 監(jiān)測過程作用原理

按照以上設(shè)計(jì)思路，預(yù)應(yīng)力碳纖維板對(duì)應(yīng)力變化的感知和監(jiān)測，通過碳纖維板內(nèi)所嵌入的光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測開始后，既定數(shù)量的光譜光束直接從光纖解調(diào)儀的相應(yīng)探頭中發(fā)射而出，進(jìn)而順著設(shè)計(jì)路徑傳遞，直至被碳纖維板內(nèi)部所預(yù)設(shè)的傳感器所接收。這一過程中，特定屬性的光波主要表現(xiàn)出反射趨勢(shì)，其余屬性的光波則表現(xiàn)出透射趨勢(shì)。考慮碳纖維板材料應(yīng)力應(yīng)變所表現(xiàn)出的趨勢(shì)規(guī)律，應(yīng)借助光柵中心波長進(jìn)行相關(guān)過程反應(yīng)。

2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過程

為驗(yàn)證自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固性能，結(jié)合加固技術(shù)原理及工程實(shí)際，制備長500 mm、寬100 mm、厚2 mm的碳纖維板試樣，對(duì)該試樣展開溫度變化影像傳感器運(yùn)行性能及測值精度的檢驗(yàn)，以便為測試結(jié)果的準(zhǔn)確性提供可靠保證。試驗(yàn)開始后，進(jìn)行碳纖維板光柵中心波長等基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)測值的記錄，再將試樣置入烘箱持續(xù)作用30 min，其間保持對(duì)碳纖維板光柵中心波長基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)的采集與記錄。為便于記錄結(jié)果的橫向比較以及溫度影響程度的量化確定，應(yīng)依次按照30 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃的次序調(diào)整和改變測試溫度。此后，制備一條長3 300 mm、寬100 mm、厚2 mm的三柵點(diǎn)碳纖維板，標(biāo)定后展開可能的應(yīng)力損失程度的測算。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將光柵中心波長和溫度值進(jìn)行擬合，所得出的兩個(gè)變量的關(guān)系見圖1。由圖1可知，光柵中心波長隨著溫度的升高而不斷增加，兩變量的關(guān)系方程為y=0.008 08x+1 540.319，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 7，具備較好的相關(guān)性[2]。根據(jù)光纖光柵中心波長變化與應(yīng)力和溫度的關(guān)系可以推求出耦合光柵傳感器碳纖維板溫度系數(shù)為808 nm/℃，說明溫度每變化1 ℃，傳感器波長變動(dòng)808 nm。

按照設(shè)備配置及設(shè)計(jì)要求校準(zhǔn)好千斤頂設(shè)備后，必須對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板展開相配套的測量標(biāo)定，根據(jù)相應(yīng)結(jié)果繪制出不同柵點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的光柵中心波長與應(yīng)力關(guān)系曲線。據(jù)此能夠看出，不同柵點(diǎn)中心波長與相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值之間存在較好的線性相關(guān)性；以上相應(yīng)柵點(diǎn)的斜率依次取0.074 9、0.074 3、0.077 1，取值十分接近，意味著該研究所提出的預(yù)應(yīng)力碳纖維板具備較好的應(yīng)力傳遞性能。此外，根據(jù)各柵點(diǎn)斜率值的取定情況，能夠進(jìn)一步量化得出光柵中心波長值和碳纖維板應(yīng)變、環(huán)境溫度等參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系。整個(gè)試驗(yàn)過程在60 min內(nèi)完成，故溫度對(duì)試驗(yàn)過程及結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。

根據(jù)測試結(jié)果可知，預(yù)應(yīng)力碳纖維板模量取

160 000 MPa時(shí)，根據(jù)自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板測試原理，可以求得各柵點(diǎn)處應(yīng)變系數(shù)分別為1.21、1.20和1.23；將該結(jié)果與1.2的傳感器自身應(yīng)變系數(shù)相比，結(jié)果相差并不大。為便于展開工程計(jì)算，可直接以傳感器自身應(yīng)變系數(shù)值為各柵點(diǎn)處的應(yīng)變系數(shù)。

為展開力值損失計(jì)算，以規(guī)范中力值損失計(jì)算方法為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實(shí)際作出以下兩種變通，并得出兩種力值損失計(jì)算方法。方法Ⅰ：根據(jù)測量和計(jì)算，碳纖維板模量為160 000 MPa，寬100 mm，厚2 mm，截面積為200 mm2，參考相關(guān)文獻(xiàn)推求力值損失[3]。方法Ⅱ：結(jié)合該研究開始前所掌握到的應(yīng)力值和波長等相關(guān)關(guān)系及線性相關(guān)程度，能夠展開波長變幅量化計(jì)算以及力值損失程度的推求。

待實(shí)際預(yù)應(yīng)力張拉至設(shè)計(jì)水平時(shí)，張拉力施加期間以及卸除之后波長的取值情況見表1。由此可以看出，不同柵點(diǎn)按照設(shè)計(jì)要求展開相應(yīng)數(shù)量的張拉施工后所對(duì)應(yīng)的波長損失均能夠進(jìn)行量化表示，進(jìn)而可以推算出不同柵點(diǎn)應(yīng)力損失。結(jié)果顯示，方法Ⅰ下各柵點(diǎn)應(yīng)力損失分別為0.456 kN、0.448 kN、0.466 kN；方法Ⅱ下各柵點(diǎn)應(yīng)力損失分別為0.458 kN、0.452 kN、0.458 kN。方法Ⅰ所對(duì)應(yīng)的最大、最小力值損失分別達(dá)到0.466 kN和0.448 kN；方法Ⅱ所得到的最大、最小力值損失依次取0.458 kN和 0.452 kN。造成這種差異的原因在于所使用的纖維材料模量方面的微小差異。根據(jù)以上結(jié)果，方法Ⅰ和方法Ⅱ所得到的各柵點(diǎn)應(yīng)力損失均值分別為0.229%和0.228%，差值非常小。

將預(yù)應(yīng)力碳纖維板持荷14 d，各柵點(diǎn)中心波長均隨時(shí)間變化的規(guī)律基本一致，充分說明不同柵點(diǎn)碳纖維板在遭受溫度作用后基本表現(xiàn)出一致的收縮。造成這種情況的原因在于預(yù)應(yīng)力按照設(shè)計(jì)要求施加后，混凝土材料表現(xiàn)出一定的載荷作用，錨固系統(tǒng)相應(yīng)表現(xiàn)出一定程度的位移[4]。第3 d時(shí)光柵中心波長變?yōu)? 538.341 nm，溫度增至26 ℃。

3 自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固實(shí)例

3.1 溫度系數(shù)標(biāo)定

該研究主要選用高低溫試驗(yàn)箱、溫度計(jì)、光纖光柵解調(diào)儀等作為預(yù)應(yīng)力碳纖維板溫度系數(shù)標(biāo)定設(shè)備。為確保溫度標(biāo)定結(jié)果的可靠性，這一過程對(duì)應(yīng)的測試溫度應(yīng)從20 ℃起步，逐次升高至50 ℃，待達(dá)到最高溫度水平且基本恒定后，展開以上設(shè)備監(jiān)測結(jié)果的讀取與記錄。具體見表2。

按照統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行以上值的擬合處理，所測出的溫度系數(shù)值取890 nm/℃，據(jù)此可以寫出光柵波長與相關(guān)影響因素之間的量化關(guān)系，即Δλ=1.2Δε+8.9ΔT，其中Δλ為自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板光柵波長，Δε為碳纖維板應(yīng)變，ΔT為環(huán)境溫度。反推出碳纖維板應(yīng)變值后，根據(jù)《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T3354—2014）可以計(jì)算出自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板力學(xué)指標(biāo)，其規(guī)格為50×2 mm，抗拉強(qiáng)度2 400 MPa，彈性模量170 000 MPa，斷裂伸長率為1.6%。

3.2 張拉裝置及結(jié)構(gòu)膠

試驗(yàn)過程中主要采用的是設(shè)計(jì)思路新穎、張拉過程中施力以及受力兩方面均較為均勻、錨固效果良好的ZX-PC-502型楔形擠壓錨具。為取得理想的加固處治效果，必須將其靜載期間對(duì)應(yīng)的錨固效率控制在90%及以上；為確保達(dá)到規(guī)范要求的應(yīng)幅，應(yīng)當(dāng)展開200×104次的疲勞試驗(yàn)。此試驗(yàn)還應(yīng)當(dāng)配置相應(yīng)型號(hào)的碳纖維板結(jié)構(gòu)膠，其性能參數(shù)值見表3。

3.3 預(yù)應(yīng)力監(jiān)測

3.3.1 初始數(shù)據(jù)采集

某病害橋梁自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板凈長12.8 m，每條碳纖維板均在其1/4和1/2處各布設(shè)1個(gè)測點(diǎn)，相應(yīng)展開加固梁1/4跨和1/2跨加固效果的監(jiān)測。兩塊預(yù)應(yīng)力碳纖維板設(shè)計(jì)張拉力分別為12 t和9 t，設(shè)置于2片不同的板梁底部。

3.3.2 預(yù)應(yīng)力測試

使預(yù)應(yīng)力碳纖維板處于水平狀態(tài)，使相應(yīng)部位的相關(guān)測點(diǎn)保持在既不受拉也不受壓的狀態(tài)，借助該研究所提出的光纖光柵解調(diào)儀以及溫度傳感器展開碳纖維板初始波長值和溫度值的檢測。得出的此類加固材料所對(duì)應(yīng)的張拉數(shù)據(jù)、加固板材安裝并持續(xù)受力24 h后的結(jié)果見表4。

按照設(shè)計(jì)要求，在待處治橋梁梁底展開測量放樣，同時(shí)植入相應(yīng)數(shù)量的加固錨栓，錨具結(jié)構(gòu)支座完全按照要求進(jìn)行安裝，預(yù)應(yīng)力碳纖維板也結(jié)合設(shè)計(jì)展開組裝。此后按照張拉力設(shè)計(jì)值的0%→10%→30%→50%→80%→100%依次展開張拉。根據(jù)測試結(jié)果可以計(jì)算出碳纖維板張拉結(jié)束且張拉工裝拆除后的預(yù)應(yīng)力值，2-Ⅰ、2-Ⅱ、3-Ⅰ、3-Ⅱ測點(diǎn)預(yù)應(yīng)力分別取100 kN、107 kN、73 kN和72 kN；與設(shè)計(jì)力值相比，損失程度均不超出20%的限值。造成這種現(xiàn)象的原因在于千斤頂卸載過程中，進(jìn)一步壓緊了錨具裝配件間的機(jī)械孔隙，使預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失增大，此類情況較好克服，說明以上力值損失存在很大的改進(jìn)空間。

3.3.3 應(yīng)力損失監(jiān)測

根據(jù)碳纖維板張拉初始數(shù)據(jù)、碳纖維板安裝24 h及60 d后的數(shù)據(jù)波長可以計(jì)算出預(yù)應(yīng)力損失值，見表5。3#碳纖維板各測點(diǎn)預(yù)應(yīng)力較為一致，加固24 h后預(yù)應(yīng)力損失較小，此后隨著橋面荷載的增大，加固2個(gè)月后預(yù)應(yīng)力損失增大至42.07 kN，也說明自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板后期強(qiáng)度得到充分發(fā)揮。

4 結(jié)論

工程應(yīng)用結(jié)果表明，自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板能快速、便捷、高效地對(duì)碳纖維板應(yīng)力展開檢測，并能為后期加固效果的評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)資料。待將碳纖維板張拉到位后通過不同錨固件錨固程度的提升以及相應(yīng)螺栓等附件復(fù)擰后，再進(jìn)行與安裝相反的操作卸除千斤頂，確保相應(yīng)部件所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)應(yīng)力損失快速降低并得到較好控制。如果說安裝過程是造成橋梁結(jié)構(gòu)加固中碳纖維板預(yù)應(yīng)力損失的主要原因，則構(gòu)件溫度變形、錨栓蠕變等便是引發(fā)病害橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用碳纖維板加固后預(yù)應(yīng)力損失的主要方面。通過加強(qiáng)以上環(huán)節(jié)的控制，取得了較好的加固效果。

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收稿日期：2023-11-28

作者簡介：王宇龍（1974—），男，本科，高級(jí)工程師，從事公路建設(shè)工作。