纤维增强聚合物公路桥梁的维护和无损检测方法.pdf

合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期147纤维增强聚合物公路桥梁的维护和无损检测方法黎维良（云南云岭高原养护工程有限公司，云南昆明 650000）摘要：基于纤维增强聚合物（FRP）建造的桥梁具有轻质高强、耐腐蚀以及环保等特点，已被广泛应用于高速公路、铁路和街道的立交桥上，但由于长期的静态和动态载荷，FRP 公路桥梁的损伤是不可避免的。基于此，综述了 FRP公路桥梁的结构维护方法和无损检测方法，并系统性地分析了这些方法的优缺点和成本，从而为 FRP 公路桥梁结构的有效维护和检测提供参考。关键词：纤维增强聚合物；公路桥梁；维护方法；无损检测方法中图分类号：U 414Summary of Maintenance and Inspection Methods for Fiber Reinforced Polymer(FRP)Highway BridgesLI Wei-liang(Yunnan Yunling Plateau Maintenance Engineering Co.,Ltd,Kunming 650000,Yunnan,China)Abstract:Bridges built on fi ber reinforced polymer(FRP)have the characteristics of light weight,high strength,corrosion resistance and environmental protection,and have been widely used in overpasses of highways,railways and streets.However,due to long-term static and dynamic loads,the damage of FRP highway bridges is unavoidable.Based on this,this paper summarizes the structural maintenance methods and detection methods of FRP highway bridges,and systematically analyzes the advantages,disadvantages and costs of these methods,so as to provide a reference for the eff ective maintenance and detection of FRP highway bridge structures.Key words:fi ber reinforced polymer;highway bridge;maintenance method;test method作者简介：黎维良，本科，高级工程师，主要研究方向：公路工程项目管理与施工技术应用。纤维增强聚合物（FRP）是一种复合材料，由增强纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等与基体材料，经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成1。FRP 已被广泛应用于航空航天、电动汽车、高铁和机器人制造等产业。近年来，FRP 的制造技术取得了较大发展，特别是拉挤工艺已被用于制造连续的 FRP，这种 FRP 能有效抵抗紫外线、化学腐蚀、冻融循环、干湿循环、高温高湿等不良环境，在建筑领域得到了广泛的应用2-3。公路桥梁常受到气候、氧化、腐蚀以及静态和动态负荷等因素的影响，公路桥梁造成的损坏是不可避免的。最初的损伤是 FRP 钢筋表层的脱黏，随着时间的推移，损伤在 FRP 强化的微观结构水平上积累。当损伤程度高于某一阈值时，FRP 加固即表现为失效。FRP 钢筋的损伤表现为接头失效，如树脂表面裂纹、树脂横向裂纹、界面脱黏、纤维断裂等。公路桥梁的组成构件随着时间的推移将逐渐发生不同程度的老化，并威胁到交通安全。因此，有必要对公路桥梁进行及时维护和管理，并采取各种技术措施，延长其使用寿命。对 FRP 材料性能的评价及对 FRP 结构的检测已受到业界学者的广泛关注。本文对 FRP 公路桥梁的维护和检测技术进行综述，总结技术细节，全面比较检测技术的成本、设备和准确性，以期更好地延长 FRP 公路桥梁的服役年限。1 FRP 公路桥梁的应用优势目前，FRP 已被广泛用于桥梁的翻新和建设。在FRP 公路桥梁构件的制造过程中，考虑桥梁跨度的增加需求，故桥梁自重的减小是很重要的。值得注意的是，当桥梁的跨度非常大，且桥梁由钢筋混凝土制成时，大约 85%的桥梁荷载是由自重引起的4。桥梁自重的降低可通过选用轻质、高强度和耐久性的材料来实现。FRP是现代桥梁结构中不可缺少的组成材料之一。FRP 桥梁相对较轻，仅占传统结构重量的 30%60%5。FRP 桥梁的优点是耐腐蚀性强、施工方便、维修成本低。因此，FRP 桥梁可以广泛用于公路、铁路和街道的立交桥。与此同时，FRP 桥梁在快速应对紧急情况方面也有重要的应用价值，具有显著的经济和社会效益。2 FRP 公路桥梁的结构维护公路桥梁养护是指定期的保养、修理或改建工作。这些措施能够维持公路桥梁及其附属设施的正常功能，修复公路桥梁损伤，提高公路桥梁的服务水平。目前，公路桥梁养护包括小修、中修、大修和改建。公路桥梁小修（日常保养）是指对公路桥梁及其附属构筑物进行预防性保养和轻微损伤维修。中型修复是指小型工程项148黎维良 纤维增强聚合物公路桥梁的维护和无损检测方法目，包括对公路桥梁及其附属结构的磨损损伤进行定期修复和加固。大修是指为恢复设计标准的健康水平，对公路桥梁及其附属结构的较大损伤进行定期、全面的修复，或在技术等级范围内改进部件、增加更多结构，以提高公路桥梁的承载能力。改建是指提高技术等级的较大工程项目，或对部分工程进行改造以提高容量和负荷能力6。公路桥梁维护的目标：桥梁干净，桥面坚实平整，交叉坡度适中，桥头连接与排水畅通，结构齐全，标志等辅助设施完好。2.1 防晒、防水在长期太阳照射后，FRP 的表面会失去光泽和颜色。此外，经过长期的雨水侵蚀，水会沿着纤维与树脂界面处的微观缝隙渗透到材料中，削弱纤维与树脂的黏合力，导致材料老化，从而损害材料的力学性能。因此，当 FRP 公路桥梁处于湿热环境时，需要在 FRP 构件表面喷涂防腐材料，并经常进行检查，用以延缓老化的速度。2.2 修复表面损伤FRP 组分表面的树脂层较薄，在碰撞、冲击、摩擦后都会发生树脂剥落、深刮伤、纤维暴露等损伤。因此，有必要经常检查 FRP 部件的表面，并及时修复损伤。否则，雨水会渗入孔隙并使其膨胀，加速材料损坏 7。此外，由 FRP 材料制成的辅助设施（如护墙、人行道和灯具）经常会发生碰撞，因此有必要设置防碰撞装置来保护这些 FRP 设施。FRP 桥梁的局部损坏可用纤维布和树脂进行修复，步骤如下：去除损伤部位松散的树脂和纤维，然后将表面清洁干燥；根据表面尺寸切割纤维布；混合树脂；将树脂涂覆纤维布。2.3 防火措施FRP 材料是热固性的，可以在高温和火灾下玻璃化。这种玻璃化作用会降低材料的性能，严重危及桥梁结构的稳定。因此，需要及时清理桥上及周围的可燃材料，消除事故隐患。2.4 脱黏部位及裂纹的修复由于应力集中和黏接层老化，FRP 层、FRP 构件以及 FRP 构件与混凝土之间的界面之间经常发生分层和黏接层脱黏现象，这些变化可能会降低结构的完整性。FRP 较脆，所以在应力集中的区域经常出现裂纹，如螺栓孔和轮廓的角缝8。当材料出现裂纹时，损坏会从裂纹位置恶化、扩展。因此，有必要定期检查该材料的分层和脱黏情况，以及应力集中区域是否有裂缝并及时修复。3 FRP 公路桥梁的无损检测与金属相比，FRP 材料具有强度高、刚度高、耐腐蚀性、操作方便等优点。然而，由于 FRP 公路桥梁的力学特性，其大多存在孔隙、杂质和分层现象。因此，检测系统的定位、损伤识别以及结构诊断至关重要。此外，检测系统中接收和转换信号的传感器必须合适，并且判断异常信号的数据分析必须正确。以往的研究表明，纤维和黏合剂层之间的连接以及复合材料和浸渍树脂之间的连接，极大程度影响着 FRP结构的完整性。目前，各种无损检测技术已被用于评价和识别材料、部件和结构的性能9。此外，FRP 材料已在飞机和船舶结构中长期使用，因此在航空和导航领域使用的无损检测也可用于 FRP 公路桥梁的检测。有些方法不需要使用特殊设备，如目视检查、拖链和敲击方法等。另外，也有些方法则需要特定的设备，如热成像、声发射、超声波、辐射、模态分析和载荷试验。根据对以往研究结果的分析，不同方法的应用范围和功能都有所不同。3.1 目视检查目视检查是最简单和应用最广泛的方法。目视检查结合一些简单的工具，如手电筒、尺子和镜子，可以快速检测桥梁结构的损坏情况。目视检查的缺点是只能检测到表面的损伤，且既不能量化损伤，也不能检测到结构的内部缺陷。因此，当通过目测发现裂纹、分层、变色、孔洞和变形时，需要通过精确的方法进行进一步的检查。3.2 敲击方法敲击方法是指检查员使用硬币、锤子或电子锤击装置来敲击 FRP 的表面，然后通过识别声音来检测分层和孔洞。检查员还可以在桥面上拖动铁链，并通过声音的变化来定位潜在的分层情况。敲振结合目视检查的方法，可以有效识别 FRP 桥梁的大部分损伤。目视检查和敲打可以有效地识别 FRP 材料与混凝土之间的黏结质量。3.3 热成像法热成像法的机理是 FRP 组件表面下的缺陷会影响材料中的热流。检测时将热源设置在桥面板的一侧，温度由另一侧的热成像摄像机测量。根据温度的变化，确定分层、脱黏、冲击损伤、吸水、打孔等缺陷。热成像可以是自然的，也可以是人工的。无源热成像的热源是自然温度，该方法仅允许进行定性检测，并可以通过检测异常温度来识别潜在的缺陷。主动热成像的热源来自外部且大多是均匀的10。脱黏、开裂、冲击损伤、积水等缺陷都会影响材料的热性能。无缺陷区域比有缺陷区域能更有效地导热。热的吸收或反射可以产生一个热梯度，而这个梯度可以被热成像仪观察到。由于不均匀加热可能会引起热梯度，因此主动热成像的热源应在可均匀加热的表面上进行。目前，热成像常用于 FRP 结构损伤的定性检测。实验室试验和现场试验结果表明，热成像对 FRP 加固混凝土构件和 FRP 桥面的无损检测是有效的11。该方法还可用于检测拉挤过程、安装过程和服务过程中 FRP 构件的质量。值得注意的是，热成像在检测较厚的 FRP 结构时可能是无效的。3.4 声频发射声发射是一种无损检测 FRP 结构完整性的方法，这种方法的原理是声音信号强度的变化，由于能量的快速释放，材料加载时产生应力波。应力波从波源辐射出来，合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期149然后被布置在材料表面的传感器记录下来。通常使用压电传感器来检测声发射。当应力波传输到传感器时，晶体会由于压力而产生输出信号。当信号强度高于设定的阈值时，瞬时信号被记录为冲击。在 FRP 结构中，基体开裂、纤维脱黏、分层、纤维拔出和纤维断裂都可以引起声发射12。纤维断裂产生的声波能释放出高能量，因此声发射信号强度高。相比之下，基体开裂和纤维基体脱黏产生的声发射信号较弱。声发射信号持续时间较长，强度适中。检测设备由压电传感器、偶联剂、多通道数据采集设备以及高度集成的分析和数据采集软件组成。有些声发射信号是假的，因此判断信号的真实性非常重要。产生假信号的原因有很多，如机械摩擦、泄漏、液体流动、振动等。此外，轴承滑动也经常产生假信号。4 结语在实践中，FRP 公路桥梁的结构损坏往往是不可避免的。对于目视检查、敲振、拖链法，设备简单，所需的专业技能适中。使用热成像、声发射或现场负载测试时，则需要特殊和昂贵的测试设备，并且还需要更复杂的技能。因此，这两组方法可以结合起来。首先采用目视检查法、敲振法和拖链法等简单方法确定潜在损伤，然后采用热成像、声发射和荷载实验确定损伤方式和程度。FRP 材料是现代结构的重要组成部分，其合理应用有助于延长旧结构的使用寿命，如地震重建、混凝土结构的加固、金属梁和木梁的维护以及古迹遗址的修复等13。传感设备的应用为 FRP 公路桥梁的结构损坏检测提供了先进的技术支撑，随着传感设备制造技术的进步和价格的降低，此类方法未来将成为检测 FRP 公路桥梁的主要方法。FRP 公路桥梁的维护和检测是一项重要的技术工作，受到了业内学者的广泛关注。然而，当前虽然有许多研究集中在维护和检测技术上，但很少有研究涉及这些技术的应用条件，特别是公路桥梁的特性（如跨度、高度）、用途（如跨海、跨铁路、跨街）以及所处环境（如温度、湿度）等因素均会影响技术的准确性。此外，在 FRP 桥梁的施工过程中即有必要进行检查，比较各种检测方法的准确性，并将机器学习与检测机制联系起来，这是发展 FRP 结构损伤智能检测技术的关键。?1 吴智深.外贴碳纤维布加固桥梁结构失效原因与对策分析 J.现代交通技术,2022,19(3):1-14.2 李趁趁,于爱民,高丹盈,等.侵蚀环境下 FRP 条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压试验 J.复合材料学报,2020,37(8):2015-2028.3 潘元,胡钧.纤维增强聚合物加固木柱的经济性分析J.工程经济,2015(3):57-62.4 袁毅.纤维增强聚合物复合材料界面结构的研究进展J.合成材料老化与应用,2016,45(1):91-94.5 潘子叶.FRP 材料型桥梁隧道结构抗老化控制及抗腐蚀性研究 J.粘接,2021,48(12):192-196.6 朱治宝.英国莫斯运河桥更换 FRP 主梁设计与施工J.世界桥梁,2015(5):69-73.7 许颖,郑倩,王帅.基于激光超声二次谐波技术检测纤维增强树脂复合材料加固混凝土结构剥离损伤 J.复合材料学报,2021,38(1):255-267.8 王海涛,吴刚,吴智深.FRP 布置方式对含裂纹钢板加固后的疲劳性能影响分析 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