意大利帕多瓦文物桥的frp维修加固

意大利帕多瓦文物桥的frp维修加固

1高强纤维复合材料加固工桥梁数百年来，项目工程技术一直是意大利最常用的建筑方法。桥梁、历史悠久的教会和塔楼等建筑仍然存在。20世纪,钢和混凝土逐渐取代圬工成为了桥梁结构的主要建筑材料。然而,即使在21世纪,一些小跨径桥梁仍然采用圬工材料建造。对于桥梁结构,自建成之日起,承载的交通负荷不断增加,这是造成桥梁出现缺陷的主要原因。由于负责桥梁维修、更换的机构在预算方面受限,替换每一座存在缺陷的桥梁是不可能的,但是可以通过加固维修确保桥梁结构的安全。本文介绍了使用高强纤维复合材料加固圬工拱桥的方法。纤维复合材料最初是为航空航天工业研发的,现在更为广泛地用于土木工程建筑的维修加固。通过环氧胶接,纤维复合材料层压板能够与混凝土梁和钢梁的下部粘接,从而达到主要提高主梁的强度及附带提高主梁刚度的目的。经过纤维复合材料的包裹,混凝土柱在地震中的变形能力及承载力增强。将碳纤维材料用于桥面外缘无需拆除任何结构;此外,由于难以察觉碳纤维的存在,也不会影响文物桥梁的美观。采用这种方法无需在建筑维修加固期间搭建临时支架支撑桥梁。本文对意大利卡斯塔格纳拉桥(CastagnaraBridge)的维修加固进行了研究,该桥维修加固有以下特点:(1)采用恰当且无扰动工艺对有150余年历史的圬工拱桥进行维修加固;(2)应用一种不仅能提高既有建筑结构强度,而且能提高其变形能力的方法。2利部的木桥铁路图16意大利卡斯塔格纳拉桥(见图1)是连通帕多瓦地区的一座重要桥梁。该桥建于1859年,修建当初是为了让大批奥匈帝国的部队能够从意大利东北部到达周边有4个堡垒防卫的地区以及预期到达波河河岸。在布伦塔河上还有一座于1856年建成的木桥。当时,帕多瓦地区第一间铸造厂建成,生产意大利北部的费迪南德(Ferdinandea)铁路线的设备,该铁路1841年始建,1852年在米兰竣工。同年,该铁路线经卢比亚纳(Lubijana)把维也纳和的里雅斯特连接起来。由于卡斯塔格纳拉桥两侧有斜坡,造成通行不便,1883年重建斜坡。3当前结构的评估3.1几何模型卡斯塔格纳拉桥为圬工结构,长15.50m,宽7.00m。去除沥青路面和填充物后,露出钢筋混凝土横梁,横梁外伸形成挑臂,使道路宽度增加到9.30m。去除桥梁填充物后露出了一个大型圬工拱形支撑体,拱的整个外缘厚度不一致,跨中厚度为0.50m,拱座处厚度为3.50m(设计文件上的拱肋厚为0.55m)。因此,很难确定拱上方的混凝土梁是否具有承载能力或是否是桥梁结构的一部分。桥梁立面及平面示意如图2所示。基于桥梁实际几何线形建立了2个几何模型(见图3),模型外形都采用了椭圆形。采用有限元软件进行分析,圬工拱桥二维有限元模型如图4所示,桥台用二维弹性单元模拟,桥拱用二维非弹性单元模拟。通过在拱跨中作用100kN初始荷载,对加固前后拱结构的响应进行研究。非线性问题需要采用迭代-增量法求解,本文采用的是牛顿-拉夫森迭代法。加固后的桥梁有限元分析中,FRP模拟成位于拱结构顶层的一维单元,并与二维单元节点相连。桥梁非线性平面应力分析采用8节点四边形壳单元(QPM8)及6节点三角形壳单元(TPM6)模拟,QPM8和TPM6单元采用二次插值及3×3高斯积分。这些单元可有效防止材料达到其弹塑性极限时出现的锁定效应。每个节点有2个自由度,代表了平面上2个正交方向上的位移。圬工拱模拟成各向同性的连续体,为了模拟石材的低抗拉强度,材料特性基于Drucker-Prager完全塑性准则。石圬工采用弹性模量和泊松系数模拟其弹性特性,采用粘聚力和摩擦角模拟其塑性特性。模型的边界条件由施加于一些节点上的平动约束来实现,桥台底部的节点不能竖向移动,固定桥台地下部分的垂直外缘节点不能水平移动。3.2碳化硅材料carbostruudhm400石材性质根据《意大利结构规范》(ItalianStructuralCode,NTC2008)给出,FRP、环氧树脂和砂浆特性由生产商提供。所有材料特性均得到实验室和现场测试确认。需要分析考虑的圬工材料特性如下:抗压强度fFRPCarbostruUDHM400是一种用于湿法处理的单向高模量碳纤维无纺布,两面均有薄热塑网格以保证其几何稳定。该FRP材料可以用于提高钢筋混凝土及木结构的承载力和变形能力,以应对弯曲和剪切载荷增加、建筑用途发生改变或需要满足新标准等情形。FRP具有强度高,纤维排列佳,用途广泛(可增强抗弯抗剪承载力),表面几何形状灵活多变(可用于梁、柱、烟囱、桩、墙),化学物耐受性及环境适应力强(不腐蚀)等优点。维修加固设计中采用的单向弯曲高模量碳纤维的力学特性如下:厚度W=0.225mm,纤维密度γ=18.10kN/m用环氧树脂使碳纤维与石桥在结构上相连,所用环氧树脂的力学特性如下:抗弯强度f粘贴碳纤维前,需要使用特定砂浆修复所有裂缝,填平所有砂浆接缝。加固预处理所用的表面砂浆力学特性如下:抗压强度f4静载试验方法桥梁加固前,首先进行现场静、动载试验。此外,从拱座墙中钻取2份石制芯样进行压力测试。所取芯样位置及钻取过程如图5所示。压力测试表明,所取样品强度分别为30.00MPa和29.50MPa。石材的强度可能相对高估,因为所取的长方形芯样较短,高径比很小。静载试验中主要测量结构承受均布荷载或相对集中荷载下的桥梁挠度。施加荷载过程中,监测残余挠度与最大挠度的比值,并进行统计处理。使用“dim12”级电子自动光学仪监测沉降,精度达百分之一毫米。试验用2辆车分2个工况进行加载(见图6、图7)。工况1:车辆后轴位于跨中;工况2:车辆后轴位于L/4。试验所用车辆重量如表1所示,试验观测所得挠度如表2所示。现场动力试验的目的是评估桥梁的主频。测试采用跑车试验。动态测试仪器包括:3个PCB393M19加速度计,平均输出500mV/g,频响范围0.025~800Hz,灵敏度为1×105桥台地锚、预应力锚安装施工步骤及注意事项预测碳纤维加固后圬工结构刚度和强度的增加程度是一个复杂的问题。该桥的FRP设计、加固以及加固后的验证由多位学者进行。耳墙存在裂缝是桥梁破坏的主要表现,产生原因包括受到外部压力(侧向土压力)和圬工材料抗剪强度的降低。桥台耳墙加固设计采用地锚(见图10、图11),将作用于壁上的侧向水平土压力转移到坚实的土体,避免水平方向发生变形。四面耳墙全部用地锚加固,施工步骤如图12所示。根据文献资料,单锚的抗力可由以下公式计算得到:式中,D为锚的直径;L为锚的长度;d为了了解开裂造成的结构破坏过程,按以下步骤在桥台处安装地锚。(1)步骤1:在桥台附近插打拉森型钢板桩并填筑松散颗粒料形成钻孔作业斜坡面。(2)步骤2:进行近水平钻孔(倾斜20℃),直径100~125mm,长25m。(3)步骤3:放置由7根ue7885mm钢丝组成、外包PVC防腐层的钢绞线,注入砂浆,砂浆成分为100kg水泥(425型)、50L水、1kg抗收缩外加剂。(4)步骤4:安放锚杆的锚头,拧紧螺栓。地锚安装完成后,水力冲洗圬工表面直到桥台壁和拱表面的砖显现出来;更换破损的砖块,在东北及东南桥台壁更换新砖块;采用水泥砂浆填补裂缝,砂浆配比为每立方米砂用400kg水泥,水灰比为0.8∶1;替换劣化的砂浆。拱是桥梁中最重要的单元,拱的修复按以下步骤进行。(1)进行荷载试验以确定加固前的结构性能。(2)拆除沥青路面,移除填充材料,露出拱结构。(3)清理拱穹的外表面,进行碳纤维加固准备工作。(4)研究拱的材料组成,以确定结构性能及纤维粘结力。(5)结构加固前后的计算分析。(6)确定纤维的质量、数量和位置。此步骤包含以下要点:(1)清理表面使其无尘、无脂、无油,以使纤维和支撑间的粘结力达到最大;(2)修补存在的所有缝隙,填平砂浆连接缝;(3)涂刷环氧双组分底胶;(4)涂刷1层环氧粘结层,保证加固物的粘结力和线形;(5)涂刷第一层环氧树脂,需使环氧胶浸透碳纤维布;(6)粘贴碳纤维布,必须使其保持洁净、无尘、无磨损;(7)涂刷第二层环氧树脂;(8)沿桥台和跨中布置边界锚固筋,以避免加固材料提前破坏,即使发生巨大位移也能保证其功能性和整体性;(9)浇筑50mm厚的混凝土板以保护纤维。(7)完成粘贴纤维加固(见图13)。6桥梁加固前后刚度变化加固完成后进行了现场静、动载试验。静载试验中测量得到挠度如表3所示。为便于比较,桥梁上方卡车的位置及挠度观测点的位置与第一次静载试验相同。为评估加固后刚度及结构的整体动态响应的变化进行了动载试验。与维修前相同,输入信号由车辆通过桥面时产生。得到竖向频谱如图14所示,该频谱由传感器Ch1信号的离散傅立叶变换得到,主频为13.67Hz。试验结果显示:桥梁加固后,挠度数值小于维修前;主频也发生了变化,加固前为6.54Hz,加固后为13.67Hz。静、动载试验均表明加固后桥梁刚度明显增大。7frp加固后的稳定性分析及试验结果对桥梁现状进行分析,主要结果如下:第1荷载步(荷载系数1对应100kN)应力如图15所示,与荷载对应的桥梁内缘拉应力较大,符合经典穹拱力学原理,此阶段结构表现为弹性状态。第1000步(荷载系数11.558对应1155.80kN)应力如图16所示,此时外部荷载保持不变,而结构向5个塑性铰的状态演变,此阶段结构处于非线性状态。桥梁维修后的模型使用一维单元模拟FRP。分析显示加固并未改变桥梁的弹性行为,说明加固维修不会改变正常使用状态的荷载分布。第20荷载步(荷载系数10.567对应1056kN)应力如图17所示,从图17中可以看到只有在外部节点开裂后,拱外缘处的加固才会使外荷载继续增加。FRP加固决定了荷载的增加,以及达到极限荷载时开裂区附近拉应力区的扩展(见图18)。将FRP粘在圬工样品上进行粘结力测试,测试表明40mm的纤维上有约10000N的脱层荷载。由于使用了10条宽150mm纤维进行加固,可以推测总脱层荷载等于375000N。加固纤维的轴力如图19所示,从图19中可看出,维修后的FEM分析中,当荷载系数为12.06,纤维上的拉力达到375000N的极限,根据前文计算结果,此时到达了脱层极限。纤维纵向断裂状态如图20所示,荷载系数为12.38,因为加固纤维经机械固定于结构端部,使之能为结构继续提供极限强度,荷载系数12.06即达到了脱层极限状态。采用非线性FEM分析方法对所提出的桥梁加固方法进行了性能评估。在FEM模型中,桥台采用二维弹性单元,桥拱采用二维非弹性单元,FRP采用一维线性单元。边界条件为施加在桥台地下部位的平动约束。作用的外力设为100kN,作用于桥梁跨中,考虑到圬工拱桥的非线性特性,荷载逐步地增加,直到破坏。从前文分析可以明显看出FRP提高了拱桥的承载能力,锚固筋吸收了拱外表面塑性铰区的拉应力;如果没有布置锚固筋,圬工拱很难吸收这部分压应力。就圬工拱桥的承载能力而言,加固后载荷最大达到1205kN,没有加固时,最大载荷只有1155kN。采用FRP条加固圬工拱的最大优势并非增加其承载力,而是增加了坍塌前的变形能力。因为圬工材料是较脆的材料,结构延性的增加尤其重要。桥梁跨中的荷载~位移曲线如图21所示,可用于说明和比较2种不同的结构行为。由图21可知,没有采用FRP加固时,拱曲线在第61荷载步停止,结构进入5铰状态;加固后的拱的曲线表现出相同的弹性行为,然后达到脱层状态,此时荷载和位移均增大,之后桥梁的弹性刚度基本保持不变。曲线继续延长直至加固纤维的断裂点。试验也观察到该现象,加固使结构在垮塌之前在塑性状态上支撑更久。桥梁加固且填充完毕、铺好沥青后,再次进行了静、动载试验。静载试验结果表明,加固后相同静荷载下桥梁的挠度减少(见表4)。现场动载试验表明维修后桥梁主