《Engineering Structures》：Large-scale testing of precast bridge deck girder repaired with shape memory alloy coupled prestressing plates
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外部预应力修复技术利用形状记忆合金耦合预应力板（SMA-CPP）提升开裂预应力混凝土梁的承载能力，实验表明修复后梁的弹性载荷和位移能力提高超50%，初始和割线刚度显著改善。
Dachina Gunasekaran|Bassem Andrawes
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校土木与环境工程系，美国伊利诺伊州厄巴纳市 61801
摘要
外部预应力是一种有效的修复方法，适用于存在弯曲缺陷的结构构件。本研究提出了一种新型的外部预应力修复方法，该方法使用了创新的形状记忆合金耦合预应力板（SMA-CPP）。通过对两根长度为15.24米的废弃预制预应力混凝土桥面板梁进行全尺寸实验研究，来探讨所提出修复方法的效果。首先对这两根梁进行四点弯曲控制加载，以在其底部产生横向裂缝。第一根梁作为对照组，而第二根梁则使用三个长度为4.57米的SMA-CPP单元进行修复，这些单元由6.3毫米的SMA钢筋和常规钢筋组成。这三个SMA-CPP单元施加了总计91.4千牛的外部预应力，相当于梁内部预应力的5.65%。尽管施加的外部预应力相对较小，但在使用载荷和极限载荷下，修复后的梁表现出显著优于对照组的性能。这种性能表现在修复后的梁的弹性载荷和位移能力提高了50%以上。此外，修复后的梁在初始刚度和剪切刚度上也有所提升。这些发现突显了创新的SMA-CPP修复方法在恢复开裂的PPC桥面板梁性能方面的有效性。
引言
预制预应力混凝土（PPC）桥面板梁是短至中等跨度桥梁的常见且高效的选择。然而，由于纵向和横向裂缝导致的耐久性问题，PPC桥面板梁的受欢迎程度正在下降。纵向裂缝发生在剪力键处，会导致过大的垂直变形，并对梁之间的载荷分布产生不利影响。已经进行了大量研究来识别原因和缓解措施，例如改进灌浆材料、修改剪力键的形状以及使用横向后张拉杆[1]、[2]、[3]。
横向裂缝是较新出现的问题，发生在PPC桥面板梁的底部。这些裂缝会导致钢筋应力累积并降低梁的承载能力[4]。这会使预应力钢筋暴露在环境中，常常导致钢筋腐蚀[5]。Gunasekaran等人[6]在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校对一根存在横向裂缝的伊利诺伊州交通部（IDOT）PPC梁进行了测试。研究结果表明，该梁的弹性承载能力比其名义承载能力低34%。此外，分析模型预测裂缝处的钢筋应力比无裂缝梁高29%。承载能力的降低和钢筋应力的增加显著影响了梁的承载等级，使其无法使用。因此需要一种修复策略来恢复这些开裂梁的承载能力，以延长其使用寿命。
外部修复方法可以分为非预应力修复技术和预应力修复技术。纤维增强聚合物（FRP）层压板已被用作非预应力修复方法，用于增强存在剪切和弯曲缺陷的梁[7]、[8]、[9]、[10]。使用外部后张拉 tendon、预应力FRP板材和 tendon的外部预应力技术也已开发并广泛用于PPC梁的修复[11]、[12]、[13]。在外部预应力方法中，通常通过液压千斤顶和锚固系统对预应力钢筋、tendon或板材进行张拉。虽然有效，但利用外部钢或FRP预应力进行桥梁修复存在一些缺点，包括需要大量的硬件、劳动力以及较大的锚固区域[14]、[15]、[16]、[17]。
近年来，研究人员通过应用形状记忆合金（SMAs）[15]、[18]、[19]、[20]探索了克服这些问题的可行性。SMAs是一类独特的材料，具有称为形状记忆效应（SME）的特性。这种效应使得材料在受热时能够恢复到原来的形状。SME源于合金晶体结构中马氏体相和奥氏体相之间的可逆相变[20]、[21]。Shahverdi等人[22]和Zhu等人[23]使用近表面安装的SMA钢筋来增强混凝土梁的弯曲性能。该方法包括在梁的底部制造凹槽来固定SMA钢筋。放置钢筋后，再用灌浆材料填充凹槽。这一过程劳动强度高，并可能在界面处引入薄弱点。此外，凹槽的深度受到现有钢筋的限制。
Zhao和Andrawes[9]提出了一种创新的外部预应力修复方法，该方法使用嵌入预制预应力板（PPP）中的2毫米NiTiNb SMA线。他们利用这种技术来增强和修复存在剪切和弯曲缺陷的桥面板梁。所提出的外部预应力方法解决了传统预应力方法的几个限制，如现场张拉的需求和笨重的端锚。与碳钢相比，NiTiNb合金具有显著更好的耐腐蚀性和耐久性，在加速老化试验中截面损失可以忽略不计[24]。此外，为了降低SMA的相对较高材料成本，Sung和Andrawes[25]开发了一种自适应预应力系统（APS），并在铁路混凝土轨枕中进行了测试。APS的特点是使用短SMA熔接件连接两根钢筋。新系统能够有效地在目标区域施加局部预应力。
本研究提出了一种创新的外部预应力修复方法，该方法使用SMA耦合预应力板（SMA-CPP），结合了PPP和APS系统的优点。所提出的系统使用了直径较大的（6.3毫米）NiTiNb SMA钢筋和常规钢筋，对存在横向裂缝的PPC梁施加外部预应力。NiTiNb钢筋在-10°C至55°C的温度范围内产生的恢复应力（预应力）是稳定的[26]，使其非常适合全年使用。借助SMA-CPP修复系统，可以快速高效地对受损区域施加预应力。SMA-CPP单元可以在场外制造，并使用环氧树脂或类似粘合剂固定在受损梁上，无需特殊仪器或锚固块。与APS系统类似，SMA-CPP使用短SMA熔接件而不是全长钢筋，从而在不影响效率的情况下降低了修复系统的成本。
从伊利诺伊州Jersey县的一座单跨桥梁中提取了两根相同的PPC桥面板梁，该桥梁建于1962年。这两根梁的裂缝状况相似，其中第二根梁使用了SMA-CPP系统进行修复，并对其有效性进行了测试。实验研究的详细信息和结果将在以下部分中呈现。
部分摘录
耦合预应力板
本研究提出的外部预应力方法采用独特的设计，利用SMAs的优点来提高PPC梁的结构完整性和弯曲性能。图1展示了用于修复PPC梁的CPP系统的示意图。修复系统的总长度被设定为4.57米，以确保能够修复（G2）PPC桥面板梁的大部分裂缝区域（4.88米）（4 实验）
试件描述
本研究中测试的两个试件是从伊利诺伊州Jersey县的一座单跨桥梁中提取的相同PPC桥面板梁（图2(a)）。该桥梁建于1962年，在使用近60年后被拆除。桥梁的总跨度为15.2米，总宽度为6.1米。桥梁截面有七根533.4毫米×914毫米的PPC桥面板梁，通过干填剪力键和两根25.4毫米的横向拉杆连接。桥面板上覆盖有一层沥青材料（图2(b)和(c)）
测试设置
这两根梁在四点弯曲载荷下进行了测试。图4(a)和(b)展示了测试设置中梁的正面和侧面示意图。梁支撑在两个L形混凝土块上，这些混凝土块固定在测试地板上（图4(c)）。在梁的两端分别放置了滚轮和销钉支撑，净跨度为14.9米。使用一个490千牛容量的伺服控制液压执行器来施加载荷。
载荷-位移响应（载荷步骤1，LS1）
图9展示了两根梁（G1和G2）在初始开裂载荷步骤下的载荷-位移行为。红色和蓝色曲线分别代表G1梁在LS0和LS1阶段的响应，绿色曲线代表G2梁在LS1阶段的响应。在LS1阶段，G1梁在113.3毫米处达到228.6千牛的载荷，而G2梁在114.6毫米处达到231.0千牛的载荷。峰值载荷的差异小于0.99%。
试件G1的初始未开裂刚度为6.5千牛/毫米
载荷等级分析
AASHTO桥梁评估手册[29]提供了载荷等级分析的指南和程序，用于确定桥梁的最大允许活载荷。该分析考虑了桥梁当前的结构状况，评估了承载能力和适用性要求，并给出了梁在不受任何额外损伤的情况下可以安全承载的活载荷。由此得出的清单和操作等级提供了最大载荷限制
设计建议
可以使用以下步骤来计算使用SMA-CPP修复弯曲缺陷梁所需的SMA钢筋的尺寸和数量。可以根据所需的弯曲能力增加量来估算SMA钢筋的数量和直径。SMA钢筋与常规钢筋的长度比例可以使用Sung和Andrawes[25]的公式（1）来确定。预制板的尺寸将基于传递载荷所需的表面积来确定
结论
本研究通过实验研究了使用创新的SMA耦合预应力板（SMA-CPP）修复PPC桥面板梁的可行性。使用三个包含直径为6.3毫米NiTiNb SMA钢筋的CPP单元（带有耦合加固系统）修复了其中一根开裂的梁。比较了未修复的（G1）和修复后的（G2）梁的弯曲性能和载荷等级。以下是本研究的主要结论：
•G2梁
CRediT作者贡献声明
Dachina Gunasekaran：撰写——原始草稿、可视化、软件开发、数据分析、正式分析、数据整理。Bassem Andrawes：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论研究、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者衷心感谢交通基础设施预制创新中心（TRANS-IPIC）通过美国交通部研究和技术办公室（OST-R）的大学交通中心计划提供的财政支持，资助编号为69A3552348333。
