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钢桥主梁CFRP板加固
Trent C.Miller1,Michael J. Chajes2,Member,ASCE,Dennis R. Mertz3,Member,ASCE,and Jason N. Hastings4,Student Member,ASCE
摘要：对于面临越来越多的结构性缺陷钢桥业主而言，使用先进复合材料进行钢梁短期改造或长期修复是一个较好的解决方案。特拉华大学进行的几项实验室研究表明，碳纤维增强聚合物（CFRP）板可以有效地加强钢桥梁。最初的研究集中以下几个问题上：CFRP /钢结构对整体刚度和强度的影响，粘结力的传递和发展以及环境影响和疲劳耐久性。一旦彻底检查了加固程序的可行性，就能够实现对既有钢桥的加固。本文回顾了迄今为止所进行的研究，并介绍了该技术在位于德克萨斯州纽瓦克95号州际公路上的桥梁上进行的示范细节。
引言
截至2000年9月，在National Bridge Inventory中美国联邦公路管理局（FHwA）共有587,550座桥梁（FHwA 2001）。在这些近600,000座桥梁中，大约15％被列为结构性缺陷。在结构不足的桥梁中，56％的上部结构为钢结构。由于替换所有这些缺陷桥梁的成本相当大，业主正在寻找新颖、可行且经济有效的修复技术。先进的复合材料在桥梁修复中的应用就是这样一种创新的解决方案。
自第二次世界大战以来，现代先进的复合材料就已经被使用（Hollaway 1993）。由于对高性能材料的需要，先进复合材料在20世纪50年代以来在军事和航空航天领域发挥了重要作用。最近，先进复合材料已经进入民用基础设施。在20世纪70年代末和80年代初期，用于桥梁应用的先进复合材料开始慢慢出现（Hollaway 1993）。它们的高强度重量比与耐腐蚀性相结合，为这些材料在桥梁桥面及上部结构改造和修复中的应用起了至关重要的作用。
尽管已经对使用先进复合材料的混凝土结构的修复和加固进行了许多研究，但是对这些材料在钢结构中的应用的研究是非常有限的。由于易于应用，可以通过使用外部粘合的复合板来加强在役钢梁，采用复合材料修复钢梁是特别有吸引力的。该方法就是在现场安装先进复合材料盖板，除了耐腐蚀之外，由于复合材料的重量约为钢材的十分之一，可以很好地粘结在一起，并且具有与钢材相当的刚度，他们在作为盖板的应用上具有巨大的潜力。相比之下，钢盖板的现场安装需要现场钻孔和螺栓连接，操作比较困难且成本高。
本文首先简要回顾了在特拉华大学进行的几项实验研究，其中碳纤维增强聚合物（CFRP）板表现出作为修复钢桥梁方法的前景。实验室测试已经验证了该方法的可行性，本文将重点介绍该技术的现场演示，包括选择例桥的过程和标准、现场修复的细节（前期准备和CFRP板的安装）和修复前后荷载测试的结果。
背景
虽然有许多涉及纤维增强聚合物复合材料与混凝土结构粘结的研究，并且许多会议都致力于先进复合材料的民用基础设施应用（Iyer和Sen 1991; Neale和Labossiere 1992; Nanni和Dolan 1993; Taerwe 1995 ; El-Badry 1996; Saadatmanesh和Ehsani 1996,1998; Meier和Betti 1997），但是在特拉华大学进行研究之前，都没有关于先进复合材料用于钢桥梁修复的研究。因此，最初的研究工作涉及(1)选择修复材料；(2)制定修复程序；(3)修复效果论证；(4)先进复合材料与钢材在力传递和耐久性(环境和疲劳)方面结合效果。本文主要讨论复合材料的现场应用，本节将概述应用前期的准备工作。
修复材料
研究的修复系统包括将复合材料板粘接到钢桥梁的受拉翼缘上，以提供额外的刚度和强度。所采用的先进复合材料由单向碳纤维(T-300碳)和乙烯基酯树脂基体组成，采用拉挤成型工艺生产37mm宽和5.25mm厚的CFRP板。表1列出了CFRP板的相关属性。拉挤复合材料的成本取决于生产材料的数量，生产的材料越多，成本越低。本研究中使用的碳纤维板约为33美元/千克(15美元/磅)，相当于10美元/米(3美元/英尺)。使用37mm宽的CFRP板代替受拉翼缘板能够降低材料成本。
表1 CFRP板特性表
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特性 |
值 |
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纤维方向 |
07(单向) |
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标称纤维体积分数 |
51% |
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E11 |
112GPa |
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n12 |
0.37 |
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极限强度 |
930MPa |
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极限应变 |
9000mE |
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容重 |
15500N/m3 |
通过选择适当数量的板来覆盖翼缘宽度，37mm板可以应用于任何宽度的翼缘。此外，它还能应用于受拉翼缘外表面和内表面。如果使用全宽板，在每次需要新宽度时都需要单独的拉挤设备来生产新的板件，如果所需数量不多，成本就会相当高。
使用两部分高强度环氧树脂（Araldite AV8113 / HV8113，Ciba-Geigy Corp.,Madison Heights,Mich。）（CibaCeigy 1999）或甲基丙烯酸酯粘合剂（ITW Plexus MA555,Danvers,Mass.）将CFRP板粘合到钢桥梁（ITW 2000）。在选择粘结剂时，应考虑材料的剪切强度和粘结耐久性。对于粘结剂的耐久性，所选的粘结剂应能承受一系列的环境条件，包括从桥面板流下或桥下车辆喷洒的除冰剂和盐水，在修复时也可能经受包括冻融循环在内的极端温度。因此，粘合剂必须在高温和低温条件下都能表现出足够的耐久性。Ciba-Geigy AV8113被选定用于这种修复系统，因为它已被证明具有直接适用于该应用的特征。除了具有13.8-17.2MPa（2,000-2,500psi）的相对较高的剪切强度之外，粘合剂在几种环境条件下表现出非常好的耐久性，包括浸入65℃水，商业除冰剂和冻融条件（Mertz 1996）。将Ciba-Geigy AV8113环氧树脂与Z-6040硅烷（道康宁公司）一起作为钢预处理进行测试，试验结果表明，硅烷预处理增强了粘结的耐久性，但不会降低剪切强度，增加抗裂韧性，并且促进粘结搭接剪切失效而不是粘结失效（Mertz 1996）。
结构粘结剂Plexus MA555也被用于修复系统，它最初并不是用于评估该应用得粘结剂之一，但是Rajagopalan（1996）的测试显示其对修复系统有利的性能。虽然Plexus MA555粘结剂的剪切强度不如Ciba-Geigy AV8113 [8.6-10.3 MPa（1,250-1,500 psi）]，但是它不像Ciba-Geigy环氧树脂对粘结线厚度敏感变化。当改造应用于严重腐蚀的梁时，不平整的翼缘表面会产生不均匀的粘结线，在局部可能影响粘结强度。Plexus MA555粘结剂的第二个优点是其固化时间相对较短，在室温下2小时内达到约75％的极限强度，而Ciba-Geigy环氧树脂则为12-14小时。为将粘结剂固化过程中活载应力降到最低，在修复时不得不改变正常的交通模式，因此缩短修复时间能够减少对交通的影响。同时，使用加热毯实现升高固化温度也可以显著减少Ciba-Geigy AV8113的固化时间。
在Ammar（1996），Rajagopalan（1996）和Mertz（1996）中可以找到关于材料，粘结剂和预处理选择的更多详细资料。
应用步骤
修复钢梁的第一步是做好将CFRP板粘结到钢梁表面的准备工作。使用表面研磨机或喷砂机清除翼缘板上的所有锈蚀、油漆和底漆。然后使用道康宁Z-6040硅烷粘结促进剂（Ciba-Geigy AV8113 / HV8113）或ITW PC120引物/调节器（ITW Plexus MA555）对裸钢进行预处理，粘结促进剂的选择取决于所使用的粘结剂。然后使用中等砂纸或喷砂器对CFRP板的粘合面进行打磨，用丙酮擦干促进粘合。然后将粘合剂涂在预处理后的梁表面和CFRP板上，在CFRP板和翼缘之间放置玻璃纤维织物[0.085kg（3oz），120-玻璃纤维稀松布]，防止碳纤维与钢翼缘之间的电化学反应(在后文讨论)引起腐蚀。为了安装更方便，CFRP板通常安装在预先组装并且尺寸为翼缘板宽度(但不一定是全长)的板上。临时粘贴在CFRP板上的木块可以将单个板移动并安装为单个全宽板。然后将CFRP板紧密粘结到翼缘板上(间隔为25mm)，确保整个粘合表面的压力均匀，因此需要有均匀的粘合线。一旦粘合剂完全固化，就移除夹具和木块。关于应用流程的进一步细节在Ammar(1996)中有详细叙述，稍后在现场安装的讨论中加以介绍。
修复效果
选择合适的材料和修复程序对钢梁进行改造后，评估修复系统对钢梁在刚度和强度增强方面的有效性。为此，测试了四个全尺寸主梁，这四根主梁是21英尺的美国标准钢梁(S24times;80)，取自取自帕绍斯库尔基尔县Rausch Creek的一座桥梁。该桥梁由于大面积钢梁变质(腐蚀和截面损失)并最终被取代。沿梁长方向，腐蚀是相当均匀的，大部分发生在受拉翼缘和腹板上。
基于在损坏的钢梁上进行的静力三点弯曲试验，确定由于腐蚀导致的总体刚度损失为13%~32%。然后对四根钢梁采用单层全长CFRP板进行修复，并粘结到受拉翼缘的内外表面重新测试(图1)。试验结果表明，CFRP板改造将四个钢梁的弹性刚度从10%提升到了37%。然后将两根梁静力加载成三点弯曲至失效来量化CFRP板所提供的强度增加（基于所确定的腐蚀截面特性确定梁的非恢复极限强度值）。测试失效的两根钢梁的极限承载能力比预测损坏后的承载能力提高了17％和25％，此结果仅适用于前述特定CFRP板，这些板没进行设计优化仅被用于研究试验。选择具有不同厚度或材料特性的板将影响刚度或强度的提升量。有关测试程序和结果的详细信息在Ammar(1996)，West(2001)和Mertz(1996)有详细叙述。
图1 典型修复试验梁的损坏情况
在验证了CFRP板在修复恶化的全尺寸钢梁的刚度和强度方面的有效性后，启动了一项综合计划，以调查力传递和耐久性的问题。这两个问题在粘结CFRP板修复的设计中都是至关重要的。后面将叙述剩下的两根钢梁（经过测试评估刚度较好且未经过极限强度测试的钢梁）的CFRP /钢结构的抗疲劳性测试。
粘结问题
力的传递
为能够进行改造设计，必须了解CFRP板与钢翼缘板之间力的传递。这点十分重要，因为力传递的速度以及影响长度将影响所需板的长度和板的作用位置。影响长度也会影响改造中所使用的接头，在这种修复技术的实际应用中，沿梁长的接头是有利的。短CFRP板更容易运输到桥梁现场并方便施工。
另一个重要的粘结问题就是板端的剥离应力，由于剥离应力，CFRP板应在所有端部倾斜45°角。这是典型的符合接头工序，并已经被证明能够有效限制剥离应力（Vinson和Sierakowski，1987）。所有的测试和现场试验都遵循此程序。
为了量化力的传递，进行了相关的试验和分析研究。以下内容旨在总结试验的结果，完整的研究细节在Miller(2000)中有说明。
在试验研究中，采用6块长914mm的钢试件，两侧用CFRP板加固(双重增强)，通过拉伸确定钢试件与CFRP加固件之间的传力速率。测试试件由宽37.25mm，厚35.25mm长3457mm的CFRP板组成，粘合到宽38mm，厚12.7mm，长3914mm的A36钢板两侧。将玻璃织物层(缓蚀剂)放置在钢板和CFRP板之间来复制全面的修复技术。另外，CFRP板的端部倾斜45°角以 粘合剪切和剥离应力。
测试样本被分成两组。第一个组包括三个由AV8113 / HV8113环氧树脂粘合的钢试件，钢表面采用道康宁Z-6040硅烷增粘剂预处理，平均粘合线厚度为0.36mm；第二组包括三个由ITW Plexus MA555结构粘合剂粘合的钢试件，类似的，钢表面用ITW PC120底漆/调理剂预处理，平均粘合线厚度为0.30mm。图2为试件示意图。
图2 粘结试件示意图
每个试件都贴有18个应变片，将11个应变片沿CFRP板一侧长度方向放置以测量沿板纵向的应变发展；5个应变片放置在试件背面作为预留测点，并与主仪表读数进行比较。通过这些测量读数，可以监测试件弯曲和主要测量的精度；另2个应变片放置在CFRP板末端以外的钢板上，用于监测测试过程中施加在钢板上的荷载。
将每个测试样品放入Instron 1332型测试机器中。测试程序包括对试件施加一系列不断增加的拉伸载荷并记录相应的应变数据。装载步骤如下：0-13.4kN（3kips），0-26.8 kN（3kips），0-40.2 kN（3kips），0-失效（钢板失效约在138kN）。在整个测试程序中使用13.4kN /
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