在美國(guó)明尼蘇達(dá)州惡劣的氣候條件下，一種用于加固混凝土橋面的鋼筋的非金屬替代品有可能更持久、更經(jīng)濟(jì)地維護(hù)橋梁。初步研究表明，用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)建造的橋面的性能與傳統(tǒng)建造的橋面相當(dāng)。

混凝土中預(yù)埋鋼筋的腐蝕是橋面退化的主要原因。當(dāng)?shù)缆符}中的水分和氯化物滲入橋梁上部結(jié)構(gòu)并腐蝕鋼時(shí)，就會(huì)造成損壞。在美國(guó)中北部的嚴(yán)冬，冰凍和解凍的循環(huán)會(huì)放大這種影響，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，從而進(jìn)一步暴露出嵌入的鋼筋。

GFRP鋼筋是傳統(tǒng)鋼筋的非金屬替代品，不會(huì)氧化或生銹，具有很強(qiáng)的抗腐蝕性。在加拿大的部分地區(qū)，GFRP已被用作橋面加固，但在美國(guó)的使用有限。之前對(duì)明尼蘇達(dá)州第一座使用這種替代加固的橋梁的研究發(fā)現(xiàn)，GFRP的抗腐蝕能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼筋，并且沒(méi)有結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

2018年，美國(guó)在169干線公路上建造了一對(duì)并排的橋梁，一座使用GFRP橋面加固，另一座使用傳統(tǒng)的環(huán)氧涂層鋼加固。這個(gè)建設(shè)項(xiàng)目提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)來(lái)比較兩種加固類型的性能，因?yàn)闃蛄罕┞对谙嗤沫h(huán)境壓力下，經(jīng)歷了非常相似的交通條件。這是一個(gè)很好的展現(xiàn)機(jī)會(huì)，可以直接比較玻璃鋼加固和環(huán)氧樹(shù)脂涂層加固的橋面。每個(gè)橋面的應(yīng)力、應(yīng)變和撓度都非常相似。

對(duì)比目標(biāo)

該項(xiàng)目的目的是比較兩個(gè)在役橋面的結(jié)構(gòu)性能和耐久性，并評(píng)估GFRP作為傳統(tǒng)鋼筋替代方案的潛力。

檢測(cè)準(zhǔn)備工作

在橋梁建造時(shí)開(kāi)始的多方面的努力使得GFRP與橋面鋼筋加固的性能進(jìn)行了全面的評(píng)估。首先，在橋梁設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下，研究人員在混凝土澆筑之前在橋面內(nèi)安裝了傳感器。這有助于測(cè)量橋面隨時(shí)間的應(yīng)變和溫度變化。

近四年的監(jiān)測(cè)包括從傳感器收集溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，評(píng)估相關(guān)應(yīng)力，并將性能與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行比較。測(cè)量捕獲了一般和極端情況下甲板響應(yīng)。

GFRP樣品經(jīng)過(guò)各種實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以證明其材料特性

附加在大梁和橋面上的儀器在施工后立即、一年后和兩年后進(jìn)行活載測(cè)試時(shí)測(cè)量應(yīng)力和應(yīng)變。活載試驗(yàn)復(fù)制了交通荷載效應(yīng)，并用于了解活載如何從應(yīng)用點(diǎn)分布到橋面和單個(gè)梁。

在整個(gè)項(xiàng)目中，每六個(gè)月進(jìn)行一次目視橋面檢查，使調(diào)查人員能夠評(píng)估橋梁上部結(jié)構(gòu)的狀況，記錄任何裂縫，并根據(jù)收集到的傳感器數(shù)據(jù)解釋潛在原因。

在實(shí)驗(yàn)室中，GFRP樣品經(jīng)過(guò)拉伸加載直到失效，使研究人員能夠開(kāi)發(fā)應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)確認(rèn)材料的力學(xué)性能。最后，對(duì)兩座橋面進(jìn)行了全生命周期成本分析，包括施工、材料、人工、運(yùn)營(yíng)和長(zhǎng)期維護(hù)成本，評(píng)估了玻璃鋼鋼筋與傳統(tǒng)鋼材相比的經(jīng)濟(jì)潛力。

最終結(jié)果說(shuō)明

橋面之間的短期和長(zhǎng)期性能比較顯示沒(méi)有顯著差異或任何不尋常的行為。

活載試驗(yàn)結(jié)果表明，各橋面結(jié)構(gòu)性能相當(dāng)，符合設(shè)計(jì)要求。同樣，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，雖然GFRP甲板總體上記錄的應(yīng)變值略高，但兩種甲板在監(jiān)測(cè)期間的表現(xiàn)相似。

第一輪檢查發(fā)現(xiàn)兩座橋的橋面和全深度裂縫。最初，鋼加固橋梁比玻璃鋼加固橋面出現(xiàn)更多的裂縫。隨著時(shí)間的推移，兩座橋梁的裂縫模式變得相似，然而，調(diào)查人員指出，玻璃鋼橋面的裂縫可能不那么令人擔(dān)憂，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)導(dǎo)致嵌入的鋼筋腐蝕，也不會(huì)導(dǎo)致腐蝕導(dǎo)致混凝土進(jìn)一步開(kāi)裂。

愛(ài)荷華州立大學(xué)土木、建筑和環(huán)境工程系副教授Behrouz Shafei表示，研究發(fā)現(xiàn)，使用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物代替環(huán)氧涂層鋼筋來(lái)加固橋面，可以提高明尼蘇達(dá)州橋梁的抗腐蝕性，減少維護(hù)需求，延長(zhǎng)使用壽命。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明，GFRP筋具有較高的抗拉強(qiáng)度，但其脆性較鋼高，與鋼在應(yīng)力作用下逐漸屈服不同，其破壞更為突然。由于單個(gè)GFRP筋無(wú)法承受超過(guò)容量的壓力，因此任何GFRP失效都可能會(huì)延長(zhǎng)，從而提供潛在失效的警告。

對(duì)比兩種橋面的全壽命周期成本，65年使用壽命的玻璃鋼橋面比相同使用壽命的鋼筋橋面成本更低。隨著玻璃鋼面板目標(biāo)使用壽命的增加，差異也隨之增大。

未來(lái)情況

雖然GFRP鋼筋在兩座橋面上的使用已經(jīng)持續(xù)了大約四年的時(shí)間，但對(duì)于交通部來(lái)說(shuō)，確定采用這種新材料還為時(shí)過(guò)早，因?yàn)闃蛄旱脑O(shè)計(jì)壽命通常為75年。未來(lái)幾年將提供更多關(guān)于玻璃鋼性能的信息，相關(guān)機(jī)構(gòu)將繼續(xù)調(diào)查其使用情況。

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