在美國明尼蘇達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)濟地維護橋梁。初步研究表明，用玻璃纖維增強聚合物(GFRP)建造的橋面的性能與傳統(tǒng)建造的橋面相當。

混凝土中預埋鋼筋的腐蝕是橋面退化的主要原因。當?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，就會造成損壞。在美國中北部的嚴冬，冰凍和解凍的循環(huán)會放大這種影響，導致混凝土開裂，從而進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，不會氧化或生銹，具有很強的抗腐蝕性。在加拿大的部分地區(qū)，GFRP已被用作橋面加固，但在美國的使用有限。之前對明尼蘇達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，并且沒有結(jié)構(gòu)問題。

2018年，美國在169干線公路上建造了一對并排的橋梁，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。這個建設項目提供了一個獨特的機會來比較兩種加固類型的性能，因為橋梁暴露在相同的環(huán)境壓力下，經(jīng)歷了非常相似的交通條件。這是一個很好的展現(xiàn)機會，可以直接比較玻璃鋼加固和環(huán)氧樹脂涂層加固的橋面。每個橋面的應力、應變和撓度都非常相似。

對比目標

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

檢測準備工作

在橋梁建造時開始的多方面的努力使得GFRP與橋面鋼筋加固的性能進行了全面的評估。首先，在橋梁設計的指導下，研究人員在混凝土澆筑之前在橋面內(nèi)安裝了傳感器。這有助于測量橋面隨時間的應變和溫度變化。

近四年的監(jiān)測包括從傳感器收集溫度和應變數(shù)據(jù)，評估相關應力，并將性能與設計準則進行比較。測量捕獲了一般和極端情況下甲板響應。

GFRP樣品經(jīng)過各種實驗室測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、一年后和兩年后進行活載測試時測量應力和應變。活載試驗復制了交通荷載效應，并用于了解活載如何從應用點分布到橋面和單個梁。

在整個項目中，每六個月進行一次目視橋面檢查，使調(diào)查人員能夠評估橋梁上部結(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。

在實驗室中，GFRP樣品經(jīng)過拉伸加載直到失效，使研究人員能夠開發(fā)應力-應變曲線來確認材料的力學性能。最后，對兩座橋面進行了全生命周期成本分析，包括施工、材料、人工、運營和長期維護成本，評估了玻璃鋼鋼筋與傳統(tǒng)鋼材相比的經(jīng)濟潛力。

最終結(jié)果說明

橋面之間的短期和長期性能比較顯示沒有顯著差異或任何不尋常的行為。

活載試驗結(jié)果表明，各橋面結(jié)構(gòu)性能相當，符合設計要求。同樣，長期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，雖然GFRP甲板總體上記錄的應變值略高，但兩種甲板在監(jiān)測期間的表現(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憂，因為它們不會導致嵌入的鋼筋腐蝕，也不會導致腐蝕導致混凝土進一步開裂。

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

實驗室試驗結(jié)果表明，GFRP筋具有較高的抗拉強度，但其脆性較鋼高，與鋼在應力作用下逐漸屈服不同，其破壞更為突然。由于單個GFRP筋無法承受超過容量的壓力，因此任何GFRP失效都可能會延長，從而提供潛在失效的警告。

對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使用壽命的增加，差異也隨之增大。

未來情況

雖然GFRP鋼筋在兩座橋面上的使用已經(jīng)持續(xù)了大約四年的時間，但對于交通部來說，確定采用這種新材料還為時過早，因為橋梁的設計壽命通常為75年。未來幾年將提供更多關于玻璃鋼性能的信息，相關機構(gòu)將繼續(xù)調(diào)查其使用情況。

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