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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流吉林大学函授论文.精品文档.吉林大学远程教育 本科生毕业论文（设计）中文题预应力混凝土空心板加固试验研究学生姓名 黄生辉 专业 土木工程 层次年级2011秋专升本 学号 201109072676 指导教师 吕 岩 职称 讲师 学习中心黑龙江佳木斯市委员 成绩 会党校奥鹏学习中心 2013年 9 月 1 日摘 要钢筋混凝土简支梁桥长期以来是我国的主导桥型，由于其设计简单，施工简便，为我国经济发展时期的常采用的形式。但是由于设计、施工、养护的原因和设计标准的改变，加之交通量的急剧增加、大型载重车辆和超载车辆的因素，在役的简支钢筋混凝土桥梁已经出现
2、不同程度的缺陷和损伤，因此对在役桥梁的结构检测和承载力的评定与提高迫在眉睫。本文首先对未加固的空心板相关指标以及结构理论承载能力等进行了系统的检测、计算和理论研究分析，并通过未加固的预应力混凝土空心板破坏荷载试验研究，对空心板受荷破坏机理和极限承载能力进行评定。以此为基础，分别采用受压区加大截面法和受拉区粘贴碳纤维布的方法对预应力混凝土空心板进行加固，并通过加固后的预应力混凝土空心板的破坏荷载试验研究，探讨不同结构补强措施对旧桥预应力混凝土空心板极限承载力、受荷破坏机理等的影响，并提出合理可行的旧桥预应力混凝土空心板加固补强方案及相关建议。结合有限元思想，分别采用MIDAS和ANSYS计算程序
3、对结构进行内力计算分析，与试验结果符合比较一致，两种加固补强措施对结构承载力都有不同程度的提高，进一步论证了对于目前中小跨径桥梁，基于“单板受力”的情况采用这两种加固方法加固的实用性和可靠性，为旧桥加固施工提供了依据和理论基础。关键词：固 空心板 承载力 受压区 碳纤维 二次受力目 录前 言1桥梁的发展方向1第一章 桥梁加固研究现状及优越性311桥梁加固研究现状3111桥梁加固的意义3112桥梁加固的方法312碳纤维材料加固的优越性6121碳纤维材料的特点6122碳纤维材料的发展情况813本文的研究背景、内容9131本文的研究背景9132本文研究的内容10第二章 预应力混凝土空心板设计概况分析
4、1121 概述1122 预应力混凝土空心板的材料设计指标1123预应力空心板承载力计算参数的选择与规范计算承载力的比较12231预应力空心板设计抗弯承载力比较12232受剪承载力比较13第三章 预应力混凝土空心板受压区加固设计理论1431 预应力混凝土空心板结的功能要求和极限状态143.2 结构极限状态14第四章 粘贴碳纤维加固设计理论16结 论171 结论172 建议18参考文献19致 谢21 前 言桥梁的发展方向一部桥梁发展的历史，是桥梁跨径不断增大的历史；是桥型结构不断丰富的历史；是结构不断轻型化的历史。桥梁跨径不断增大：目前，钢梁、钢拱的最大跨径已超过500m，钢斜拉桥为890m，而钢
5、悬索桥达1990IIl。随着跨江跨海的需要，钢斜拉桥的跨径将突破1000lIn，钢悬索桥将超过3000m。至于混凝土桥，梁桥的最大跨径为270m，拱桥已达420m，斜拉桥为530m。桥梁桥型结构不断丰富：本世纪5060年代，桥梁技术经历了一次飞跃：混凝土梁桥悬臂平衡施工法、顶推法和拱桥无支架方法的出现，极大地提高了混凝土桥梁的竞争能力；斜拉桥的涌现和崛起，展示了丰富多彩的内容和极大的生命力；悬索桥采用钢箱加劲梁，技术上出现新的突破。所有这一切，使桥梁技术得到空前的发展。桥梁结构不断轻型化：悬索桥采用钢箱加筋梁，斜拉桥在密索体系的基础上采用开口截面甚至是板，使梁的高跨比大大减少，非常轻颖；拱桥采
6、用少箱甚至拱肋或桁架体系；梁桥采用长悬臂、板件减薄等，这些都使桥梁上部结构越来越轻型化。随着国民经济的发展，公路交通运输在国民经济中的作用和地位正日益受到国家和各级政府的高度重视，尤其是近几年国家加大基础设施建设投资，公路发展面貌日新月异。一个以国道、省道干线公路为主骨架，沟通全国城乡的公路网络系统已基本形成。随着交通运输量的大幅增长，行车密度及车辆载重越来越大，尤其是推行拖挂运输和集装箱运输后，重型车辆日益增多，现有相当一部分公路桥梁特别是修建年代已久的桥梁已满足不了使用要求，这是世界各国所面临的严峻问题。例如：美国1981年统计共有公路桥梁566000座，曾调查了514000座，其中980
7、00座桥梁必须关闭交通、降低使用标准或立即整修，约占总数的20：102000座桥功能老化，桥面太窄或承载能力偏低，约占总数的20。其他国家亦面临同样的问题。桥梁的陈旧、老化、强度降低这一全球性的问题，引起了世界各国的极大关注，并提到了刻不容缓的议事日程上。1980年在巴黎和布鲁塞尔、1982年在华盛顿都曾召开关于旧桥问题的国际专题研讨会。随着世界上许多发达国家公路网的日趋完善，新建公路、桥梁逐渐减少，已建公路桥梁的维修、养护、加固、改造己成为交通部门的工作重心。在我国，建国以来随着交通运输事业的发展，特别是近20年来，我国公路建设事业蓬勃发展，不仅车辆数量急剧增加，而且车辆重量越来越大。尽管我
8、国公路的通行能力和服务水平已经得到了很大的改善和提高，尤其是“九五期间，国家进一步加大了基础设施建设投资，公路面貌目新月异，我国的公路交通建设取得了有目共睹的成就，到2004年底公路总里程己达180万公里，高速公路达到3万4千多公里，永久性公路桥梁已达30万多座、1246万延米。高等级公路的竣工通车、城市快速路的建成大大地缓解了交通运输业的紧张状况。2005年新增公路里程49万公里，其中高速公路6700公里，同比增长32，完成投资额2680亿元。2004年底全国共有公路桥梁321612万座，总长13376415延米，其中特大桥梁717座总长1175580延米，大桥20672座总长4456649
9、延米，中桥66432座总长3640574延米，小桥233805座总长4103612延米。但是我国幅员辽阔，就整个公路网络而言，在国民经济总体中，公路交通设施的“瓶颈制约因素，尚未得到根本的缓解。在现有公路上，数以万计的旧桥，特别是上个世纪80年代以前修建的桥梁，由于设计荷载标准低，承载能力不足，宽度不够，加之年久失修、维修养护不够，相当多的桥梁发生不同程度的破损，正逐步成为危桥，成了不断提升技术等级的公路上卡脖子路段。20世纪70年代前后大体为汽车一10级、汽车一15级(旧汽一13级)，7080年代逐步提高到汽车一20级，80年代末至今在一些重要的干道上部分桥梁设计标准提高到汽车一超20级。但
10、是，近年来载重汽车的超载现象非常普遍，相当一部分车辆总重、轴重都超过了汽车超20级的加重车的标准。根据1982年不完全统计，我国在20世纪80年代以前修建的公路桥梁有136000座，大部分是按1972年以前部颁发的标准建造的，其中危桥4823座，共1288延米，单是大、中桥，汽一10以下标准的就占86，近117万延米。据2004年全国公路普查资料显示，我国公路现有桥梁中危桥约13303座，总长468887延米。为了维持桥梁的正常运营，尽量保持和延长桥梁的使用寿命，对桥梁结构物进行经常性的养护维修是非常必要的。当桥梁结构物无法满足承载能力、通过能力(荷载标准提高、原结构严重损伤从而承载能力降低，
11、桥面过窄妨碍车辆畅通)等要求时，则需对桥梁进行必要的补强加固、拓宽等技术改造。因此，一座桥梁竣工交付使用后将进行两方面的工作：其一是经常性的养护维修；其二是针对桥梁实际存在的问题，进行必要的技术改造，使其满足新的使用要求。第一章 桥梁加固研究现状及优越性11桥梁加固研究现状111桥梁加固的意义基于国内外的实践及经验，桥梁加固的意义在于：采用适当的加固技术措施，对恢复和提高旧桥承载能力和通行能力，延长桥梁寿命，满足不断增长的现代交通运输需要；既可以消除交通安全隐患，提高公路通行能力和服务水平，又可以节省大量投资，收到良好的社会效益和经济效益。总之，充分重视、积极发展、深入研究、广泛普及桥梁加固技
12、术，使危旧桥尽可能发挥作用，让有限资金发挥更大的效益，真正实施“建养并重的公路建设方针，实现桥梁建设的可持续发展，都有着十分重要的意义。112桥梁加固的方法桥梁加固补强的方法很多，基本上可以划分为两大类：第一类为改变结构体系，调整结构内力，减轻原梁负担。第二类为加大截面尺寸和配筋，加固薄弱构件。对薄弱构件进行加固补强的方法很多，从加固部位上可划分为拉区加筋类和压区加混凝土类两种。拉区加筋类是指采用直接粘贴钢筋(或其他高强复合纤维材料)或采用预应力钢筋对受拉区进行加固补强。压区加混凝土类是指采用加厚桥面板的方法，对混凝土受压区进行补强，加厚桥面板使梁的有效高度增加，亦可达到提高构件承载能力的目的
13、。通过调整结构内力，尽量减轻原梁的负担，将加固补强工作量压缩到最少。薄弱构件加固补强方法的选择，应考虑各种加固补强方法的综合利用，采取综合加固补强措施，提高加固补强效率，确保加固工程质量。例如，加固设计中经常遇到桥梁设计荷载标准提高幅度较大的情况，若原梁截面高度较小，单纯采用在受拉区加固的措施，有可能仍不满足新的设计荷载标准的要求。对于这种情况，若采用受拉区加固补强和加厚桥面板考虑桥面铺装层参与主梁工作，增加梁的有效高度的双重加固措施，结构承载力将会大幅度提高，从而满足新的设计荷载标准的要求。传统的提高钢筋混凝土桥梁承载能力的方法包括桥面铺装补强层加固法、增大截面和配筋加固法、锚喷混凝土加固法
14、、体外张拉预应力加固法、粘贴钢板(钢筋)加固法、改变结构受力体系加固法、增设纵梁加固法、增加横向联系加固法以及近几年刚刚兴起的粘贴碳纤维布加固法。1、桥面补强层加固法当采用桥面补强层加固法时，需将原桥面铺装全部凿除或凿毛，然后加铺一定厚度的补强层，以增大主梁有效高度及改变桥梁荷载横向分布能力，从而达到提高单梁承载能力或桥梁结构整体承载能力的目的。该加固方法实施的前提是原主梁具有足够的配筋率且桥梁结构处于良好的工作状态。该方法的缺点在于凿除或凿毛桥面铺装时一般无法采用机械化施工手段，全部工作均由手工作业完成，用工量较大，工期较长，并有可能对原结构(如主梁等)造成一定的损伤，桥面标高提高对纵坡设计
15、造成一定的影响，因此，一般是结合桥面铺装的大修工程进行的。2、增大截面与配筋加固法增大截面与配筋加固法是通过增大构件截面面积或配筋率以提高钢筋混凝土梁的强度、刚度、稳定性的加固方法。该方法一般采用在梁底面或侧面加大尺寸，增配主筋，以提高主梁截面的有效高度，从而达到提高桥梁承载能力的目的。在施工质量可靠的情况下，该技术的加固效果是比较理想的，并且几乎不需要后期养护，因而关于该加固方法的工程实例屡有报道。然而，由于增大截面法在施工过程中全部的作业需在梁底进行，施工难度较大且施工质量难以控制，因此，尽管在某些情况下费用并不太大，但以上因素制约了该技术的广泛应用，同时，该技术一般用于T型截面梁的加固，
16、而很少用于板式桥梁的加固维修。3、体外预应力加固法在所有的加固方法中，体外张拉预应力加固法是加固效果最明显而施工工艺最为复杂的加固方法，该方法的优点在于，可在不增加桥梁自重的前提下有效增加加固后主梁的抗弯刚度并大幅度提高主梁的承载能力。由于不增加上部结构自重，减小了对墩台基础受力状况的影响，从而降低了墩台基础的加固量。同时，在合理安排施工流程的情况下，该方法可最大限度地减少对桥上交通的影响，甚至可以在有限开放交通的情况下组织施工，因此近年来国内工程实例较多。尽管该加固方法具有上述优越性，但是加固后体外预应力筋的防腐问题一直是因扰公路养护部门的难题，降低了加固桥梁地可靠性，并一定程度上增加了后期
17、养护费用，因此，一般不是公路部门的首选加固方法。4、粘贴钢板加固法粘贴钢板(钢筋)加固法以粘贴钢板加固应用较多，粘贴钢筋加固一般可归为增大截面法。粘贴钢板加固法是采用粘结剂和锚栓将钢板粘贴锚固于混凝土结构受拉面或其它薄弱部位，使钢板与加固混凝土结构形成整体，以达到提高结构承载能力的目的。该方法具有基本不改变原结构的尺寸、施工简单、技术可靠、短期加固效果较好且工艺成熟等优点，近些年来在钢筋混凝土桥梁的加固维修中为公路部门广泛采纳，是近几年应用最多的加固方法。随着该技术的推广应用，单位面积加固费用呈下降趋势，一般情况下，与增大截面法以及体外张拉预应力法相比，总的加固费用是最低的。然而，粘贴钢板加固
18、的钢板锈蚀问题是至今困扰公路管理部门的难点。由于粘贴钢板加固后均需进行必要的表面防护如环氧砂浆或水泥砂浆保护层，钢板的锈蚀程度较难估计，降低了加固构件的可靠性，增加了加固桥梁的后期养护费用。同时，为便于施工过程中对粘贴钢板加压及防止钢板剥离，粘贴钢板加固时须采用必要的螺栓锚固措施，会不可避免地对原结构造成一定的损伤，因此，一般不宜用于配筋密度较大且钢筋走向复杂的构件结点处的加固设计。5、改变结构受力体系加固法改变结构受力体系加固法在六五、七五期间曾有专门研究，是通过改变桥梁结构受力体系以达到提高结构整体承载能力的目的，是一种变被动为主动的加固方法。该方法需对原结构的受力状况进行仔细的现场调查与
19、分析，在此基础上，确定拟采用的新的结构受力体系转换方法以及施工工艺、措施，并对转换后的桥梁结构进行可靠的受力分析，最终确定桥梁结构整体承载能力的提高幅度，判断是否满足规定交通荷载等级的需要。该加固方法的技术关键是如何有效降低桥梁各控制截面的计算内力，常见的如通过在简支梁下增设支架或桥墩以减小桥梁跨径；通过在相邻简支梁支点区域进行连接处理，将简支梁桥变为连续梁桥以降低跨中计算弯矩；通过在梁下增设钢桁架或叠合梁以分担原结构的内力等。最简单的如通过简支体系变连续体系以降低跨中弯矩，但该技术争议颇大，特别是相邻梁端负弯矩区的处理技术是困扰该技术推广应用的难点，因此，尽管国内有此类加固实例的报道，但施工
20、改造时一般要涉及到桥面铺装的再处理，增加了改造费用且加固效果受负弯矩区施工质量的影响较大，目前极少单独采用。6、增设主梁加固法增设主梁加固法一般结合桥梁的拓宽工程进行，单纯以提高桥梁承载能力而采用该方法(相当于采用大边梁技术)的应用实例较少。这种方法不但投资较大且存在一个新旧桥梁的衔接问题，从己有拓宽桥梁使用效果来看，问题大都出现在新旧桥梁的衔接缝上，在车辆荷载作用下，桥面铺装层往往出现沿衔接面方向的通缝，一般很难根治，需对桥面铺接进行反复的修补，不但增加了后期养护的费用，也影响了行车的平稳性，并对衔接面两侧钢筋混凝土主梁(板)的耐久性形成威胁，一般不单独采用。7、锚喷混凝土加固法锚喷混凝土加
21、固法是从隧道施工中转化而来的加固方法，在某些情况下，一次投资略低于粘贴加固方法，但由于施工工艺要求较高且存在一个新旧混凝土的衔接问题，加上施工过程中需要封闭交通，施工过程对环境影响较大，因此，尽管近年来己有锚喷混凝土加固拱桥以及钢筋混凝土整体式板桥的成功应用实例，但是，在构件抗弯刚度满足要求的情况下一股不推荐使用，而主要用于因支点截面尺寸偏小而导致的抗剪强度不足混凝土梁的加固维修。当然，在确保新旧混凝土粘结质量可靠的前提下，锚喷混凝土加固方法可明显增大主梁刚度，有效提高结构的耐久性，而几乎不需要后期养护费用。8、增加横向联系加固法增加横向联系加固法也是近几年采用较多的加固方法。该方法是通过增设
22、桥梁横向连接系以改善上部结构的荷载横向分布规律，从而达到提高结构整体承载能力的加固方法。9、粘贴纤维布(板)加固法粘贴纤维片加固法是近几年兴起的新型结构加固技术。纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polvmcr，FRP)是一种性能优良的混凝土结构加固材料，它具有强度高、密度小、耐腐蚀、抗疲劳等优点，是近十年来在日本以及欧美等发达国家兴起的一项新型结构加固技术。目前，国内外已有不少研究机构针对公路桥梁开展了相关的应用研究，我国己有应用该技术加固桥梁的实例见诸报道。在上述加固方法中，除粘贴(钢板、纤维布)加固法施工较为简单外，其它方法无论是施工工艺还是设计计算都是比较复杂的，且一
23、般需要在封闭交通的条件下方能实施，因此，无论从社会效益还是经济效益的角度都是不利的。当前在结构加固补强中，碳纤维加固技术应用较为广泛，然而，由于碳纤维本身的一些缺陷，如脆性、耐火性不好等使得这种材料的应用受到限制。芳纶纤维(心锄idFiber)是已工业化的高性能增强纤维中唯一的有机纤维，与碳纤维相比，密度小，拉伸强度下降在20左右，而断裂伸长率则提高60以上。芳纶纤维的抗冲击和耐疲劳陛能要大大优于碳纤维，在耐火性能、耐腐蚀方面亦要好于碳纤维。芳纶纤维的另一个显著优于碳纤维的特点是其破坏为非脆性，破坏前出现颈缩、有明显征兆。芳纶复合材料作为新型的复合材料具有超高强、超高模量、抗冲击、耐高温、耐腐
24、蚀和比重轻等特性，利用其优越的性能对桥梁抗震加固有着广泛的应用前景。12碳纤维材料加固的优越性121碳纤维材料的特点纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastics，亦称Fiber Reinforced Polymer简称FRP)对钢筋混凝土、钢或其他构件或结构进行修复、加固新技术，是一种新型的桥梁加固改造技术，已经越来越受到人们的重视和使用，并已经有许多成功的工程实例，获得了较多的应用和较快的发展。碳纤维(CFRP)是用抗拉强度极高的碳纤维经环氧树脂预浸而成的结构增强复合片材。将它用环氧树脂作为粘结剂，沿受力方向或垂直于裂缝方向粘贴在受损构件上，粘贴剂作为它们之间的剪力连
25、接媒介，形成新的复合体，使增强贴片与原有的钢筋共同受力，增大了结构抗拉或抗剪能力，有效地提高结构的强度、刚度、抗裂性和延性，控制裂缝和挠度的继续发展。碳纤维由于其性能轻质、高强、易粘、疲劳性能优良，加固技术具有明显的技术优势，主要体现在：l、强度高，能灵活运用抗弯、封闭箍和抗剪加固。由于碳纤维材料高强度的物理力学性能，在对混凝土结构进行加固补强过程中，可以充分利用其高强度、高模量的特点来提高结构及构件的承载力和延伸性，改善其受力性能，达到高效加固的目的。2、具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性。碳纤维材料的化学性质稳定，适应抗碱等化学腐蚀和恶劣环境，不与酸碱盐等化学物质发生反应，环境适应能力比较强，因
26、而用碳纤维材料加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性。使用碳纤维材料加固修补方法对结构进行处理后，维修养护费用少，也不需要如粘钢板方法所需要的定期防锈维护，由于使用树脂粘贴，其本身更可以对内部混凝土结构起到保护作用，达到双重加固修补的目的。3、自重轻，不增加构件的自重及体积。碳纤维的质量轻且厚度比较薄，粘贴后每平方米重量不到10 kg(包括粘胶重量)，粘贴一层的厚度仅10咖左右，不会增加结构的荷载，对结构现有的承载力没有负作用：可用在狭小空间操作经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸。4、适用面广。由于碳纤维布是一种软性材料，而且可以任意的裁剪，所以这种加固技术可广泛地在
27、狭小空间操作，其基材可以是混凝土、砌体、木结构等各种建材结构类型，且不改变结构性状及不影响结构外观。同时，对于其他加固方法无法实施的结构和构件，诸如大型桥梁的桥墩以及隧道、大型洞体及壳体结构工程等，碳纤维加固技术都能顺利地解决。5、便于施工，意于操作。将碳纤维材料用于加固混凝土结构，在施工现场不需要大型的施工机械，占有施工场地少，没有湿作业，因而功效很高。6、可以节省短期和长期投资，取得良好的经济效益。与粘钢板法相比，CFRP片材加固法虽然增加了材料费用，但施工时间缩短，耐久性增加。在相同强度的基础上，45kgCFRP可以替代94kg钢板。两种材料的安装费用相近，但若将交通管理交通耽搁和维护费
28、用考虑在内，则使用CFRP可比钢板节约175左右的费用。与其它材料的力学指标比较如表11表11工程材料比较表图11是工程中常用材料在载荷作用下应力应变曲线，从中可以看出碳纤维弹性模量大、抗拉弹性高等特点更显著。但是，碳纤维等纤维制品材料延伸率低、完全弹性的特点使得在破坏时没有太多的先兆特征，就会使采用碳纤维加固的构件在不同程度上出现延性较低，这一特点应予以重视。122碳纤维材料的发展情况1、国外研究情况国外最初研究纤维增强复合材料修复混凝土结构开始于德国和瑞士，主要研究：用不同类型粘贴剂粘贴FRP的预应力FRP条带加固受损结构的效果和力学特性；利用树脂类粘接材料将碳纤维片材粘贴于混凝土表面，从
29、而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能；加固后结构的使用防火性能；各种破坏模型受力机理分析等。通过研究获得的结果表明，纤维增强复合材料加固技术的高效性与可行性。1981年瑞典Meier最早采用粘贴碳纤维复合材料加固了Ebach桥。此后十年问，FRP尤其是CFRP加固混凝土结构在同本、美国等国家得到了突飞猛进的发展。从1988年开始，日本建设省发起了题为建设事业的新素材、新材料利用技术的开发的为期5年的一个大型综合研究项目。1981年日本土木学会(JSCE)设立了连续纤维增强混凝土委员会，作为活动总结，召开了混凝土结构的FRP加固材料的应用学术研讨会，后又发起了混凝土结构部件的FRP应用的设
30、计、施工指南草案。1994年日本曾采用CFRI布对东名高速公路高架桥的混凝土箱梁内外进行了粘贴补强；1995年阪神大地震后，CFRP布得到了充分应用，许多桥的桥墩均用CFRP布进行缠绕补强，即在混凝土塑性铰区用碳纤维布封闭粘贴包裹，纤维方向和柱轴向垂直，除了可以提高受压区混凝土极限压应变从而提高结构的抗震延性外，还可以提高墩柱的抗剪承载力，使桥墩的强度和受力状态得到了明显改善与加强。1996年日本建筑学会成立了专门的研究委员会，开展FIP复合材料的应用普及工作。在北美大陆，由于苦于钢筋混凝土结构的盐害，对FRP的关心逐渐增大。美国混凝土协会(ACI)成立了专业委员会(Ac：1440)于1993
31、年在加拿大温哥华召开第一届钢筋混凝土结构的FRP国际会议(FRPRCS1)，以后相继在比利时、日本、美国、英国举办第二、三、四、五届会议，现在ACl440委员会正在进行规范草案的充实和修改工作。2、国内情况碳纤维布加固技术在我国起步是从1996年正式开始对碳纤维增强塑料(CFRI)加固修复土木结构进行研究的，并在1998年开始了实际的工程应用。虽然起步晚，但起点高，发展迅猛。2000年6月于北京召开的中国首届纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术交流会议，碳纤维布加固技术的研究与应用成了大会交流的热点。本次大会亦同时成立了纤维增强塑料及工程应用专业委员会，下属于中国土木工程学会混凝土与预应力混凝
32、土分会，委员会汇聚有高等院校、科研院所、设计单位及生产厂家各方面的人员以及外国专家，对碳纤维加固技术在我国健康地发展起到良好的引导作用。用碳纤维布对16个钢筋混凝土梁作了处理，通过改变纤维布层数、配筋率等参数，试验研究了碳纤维布对梁抗弯承载力和刚度的影响规律。证明：碳纤维布对提高梁的抗弯承载能力效果十分显著，同时对增强梁的抗弯刚度也有良好作用。通过调整6根36m混凝土梁的材料参数和碳纤维用量进行静载试验，研究发现抗弯加固后的梁极限承载能力和抗弯刚度都明显提高、裂缝发展显著抑制、延性良好。国内外多个文献提供的试验结果表明：粘贴碳纤维材料加固的混凝土梁破坏形态有三大类型：弯曲破坏，包括钢筋屈服和C
33、FI冲材料拉断、压区混凝土压碎；粘结破坏，粘结层与钢筋间混凝土开裂，粘结层剥离脱落；剪切破坏，裂缝从粘结层端部向荷载作用点延伸。其中粘结剥离是一种特殊的脆性破坏，已经引起了高度重视，一些研究分别从材料、纤维层厚度、构造及受力各个角度对剥离破坏进行了分析，并提出对延长锚固长度、改善材料性能和增设锚固措施有效的处理。13本文的研究背景、内容131本文的研究背景本文研究是我国上世纪八九十年代常采用的一种预应力混凝土空心板简支梁桥，选取一座跨径lO米，在役使用约11年，选用3块中板空心板梁进行试验研究，其设计空心板受拉区主要配置光面预应力钢丝，普通钢筋的配筋率很低，受压区普通钢筋的配筋率相对较高，横向
34、连接通过板项侧的半菱形槽口后浇形成，设计混凝土强度等级一般为C40。由于公路交通的快速发展，尤其是车辆荷载增大及超载问题的普遍性，已经有相当数量的桥梁发生老化、损伤，承载能力低，影响继续使用。因此，有必要对在役混凝土桥梁结构实际极限承载力、安全性、变形能力、受荷破坏机理等问题进行深入的研究，提出合理的技术对策，维持桥梁的正常运营，满足承载能力、通过能力的要求，尽量保持和延长桥梁的使用寿命，对桥梁进行必要的补强加固、拓宽等技术改造是非常必要的。132本文研究的内容课题研究主要分为两个阶段，第一阶段：现有桥梁预应力混凝土空心板的性能、指标捡测与破坏荷载试验研究；第二阶段：探讨不同结构补强措施对旧桥
35、预应力混凝土空心板极限承载力、受荷破坏机理等的影响，并提出合理可行的旧桥预应力混凝土空心板加固补强方案及相关建议，并通过理论分析和程序模型运算从理论寻求验证。本文的主要研究内容如下：l、混凝土梁设计概况和理论分析；2、正常使用状态下极限承载力试验及梁的破坏机理；3、混凝土梁受拉区粘贴碳纤维加固试验及其计算方法的研究；4、混凝土梁的受压区增大截面面积加固试验及其计算方法的研究：5、旧桥预应力空心板基于强度准则的失效分析。第二章 预应力混凝土空心板设计概况分析21 概述公路桥涵混凝土结构，规范规定，应考虑三种设计状况及其相对应的极限状态设计：持久状况、短暂状况和偶然状况。桥涵结构设计应按承载力极限
36、状态的要求，对构件进行承载力及稳定验算，承载力极限状态应包括对构件的抗弯、抗拉、抗压、抗剪、抗扭等的强度及受压构件的稳定进行计算，当有必要时还应对结构进行倾覆和滑移验算。对于受弯构件正截面的承载力，是保证正常使用的重要参数，其表达式为：丫oSR (2一1)式中：桥梁结构的重要性系数；S作用效应的组合设计值；R构件承载力设计值。22预应力混凝土空心板的设计概况为了研究现有空心板的结构和受力状况，对原空心板的设计概况进行计算复核，分别依据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ02385)和公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D622004)，对预应力混凝土空心板的截面抗力进
37、行设计计算复核，比较新、旧规范间构件截面抗力安全性储备控制指标的差异，为进一步的破坏荷载试验研究及可靠性评估奠定基础。22 预应力混凝土空心板的材料设计指标原桥按照公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ02385)设计，其材料的设计指标如下：计算跨径：10m；混 凝 土：采用40号，轴心抗压强度设计值Ra=23MPa；预应力钢筋：采用d=5咖直径碳素钢丝：总面积A=11775cm2：抗拉设计强度Rg=128MPa；弹性模量Ey=20105MPa；普通钢筋：采用I级钢筋。23预应力空心板承载力计算参数的选择与规范计算承载力的比较231预应力空心板设计抗弯承载力比较对于现有的空心板的资料
38、，对承载力进行计算，按照原公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ02385)计算，抗弯承载力M。=496411KNm，按照新公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范。1、钢筋强度取值85公路桥规预应力钢丝抗拉强度标准值，取自原国家标准规定的极限抗拉强度，其值为1600MPa，预应力钢丝的条件屈服点为其极限抗拉强度的08倍，故设计强度取值为1600O8=1280MPa，为安全起见，在抗弯承载力计算中引入钢筋安全系数1=125，这样在计算中钢筋实际取值为1280125=1024MPa。而04公路桥规预应力钢丝抗拉强度标准值，取自现行国家标准规定的极限抗拉强度，具有不少于95的保证率，其值
39、为1570MPa，按照最新国家标准的规定，钢丝的条件屈服点为其抗拉强度的085倍，考虑原规范钢丝的安全系数，在设计强度的基础上再取=1.25故新规范钢丝的抗拉强度设计值取为pd=pd0.851251070MPa。因此，04公路桥规的钢丝计算强度比85公路桥规取值提高了（1070-1024）1024=4.49。我国修订钢材的国家标准，从一个方面也说明了钢材生产工艺和质量的提高。2、混凝土强度取值为了与其他专业规范相一致，并与国际标准接轨，04版公路桥规采用混凝土强度等级。04公路桥规采用的混凝土强度等级和85公路桥规采用混凝土标号，就其意义来说是一致的，但取值原则不同。混凝土标号为边长为200咖
40、的立方体试件、其标准值取85保证率的抗压强度。而混凝土强度等级是指边长为150咖的立方体试件、其标准值取95保证率的抗压强度。这表明在同一批混凝土中，04公路桥规的混凝土强度等级比原规范的混凝土标号低，说明新规范提高了对混凝土的质量要求。3、抗弯承载力分析由前述材料强度的取值可知，04公路桥规的钢筋强度计算取值比85公路桥规提高449，但混凝土强度计算取值比旧规范降低489。根据受弯承载力破坏阶段的平衡条件，按新04公路桥规计算的内力臂为50052578772=408115mm。由此得知，在适筋破坏的范围内，在钢筋面积不变的情况下，提高钢筋强度对提高抗弯承载力的效果要比提高混凝土强度更好。新规
41、范计算的抗弯承载力之所以比旧规范高，主要是由于新规范预应力钢丝的标准强度取值为极限抗拉强度的O85倍，而旧规范仅取为极限抗拉强度的O8倍。232受剪承载力比较按照85公路桥规计算的抗剪承载力为：剪跨比m=17时，Qll。=41692I(N。按04公路桥规计算的抗剪承载力为vc。=41715KN，因此，按新规范计算的抗剪承载力与旧规范大致接近。1、计算公式的比较新公路桥规对简支受弯构件斜截面抗剪承载力的验算，与旧公路桥规比较有以下区别：旧规范预应力混凝土简支梁抗剪计算公式为混凝土抗剪和箍筋抗剪两项之和，而新规范修订为混凝土抗剪和箍筋抗剪两项之积；另外抗剪表达式中的一些计算参数也有变化，考虑到原规
42、范中纵向受拉钢筋配筋率对抗剪承载力的贡献，随配筋率的提高而增长过快，新规范将式中的(2+p)改为(2+06p)。2、适用范围的比较旧规范的抗剪承载力计算公式只适用于简支梁，且将钢筋混凝土受弯构件和预应力混凝土受弯构件的计算分列，而新规范将钢筋混凝土受弯构件和预应力混凝土受弯构件的抗剪计算公式合并，并增加了连续梁和悬臂梁的计算，通过系数叱来反映。近几年来，公路建设突飞猛进，对国民经济和社会发展起着至关重要的作用，自我省修建第一条高速公路开始至今，高等级公路大多数采用沥青混凝土路面在使用期开裂是世界各国普遍存在的问题。第三章 预应力混凝土空心板受压区加固设计理论31 预应力混凝土空心板结的功能要求
43、和极限状态钢筋混凝土是一种复合材料，由两种物理力学性质不同的材料组成。钢筋在屈服之前是弹性材料，而混凝土是弹塑性材料，所以结构受力后并不符合虎克定律，不能依靠弹性材料的受力来计算，在正常使用阶段，由于受拉区混凝土裂缝的形成与开展，也无法按弹性材料计算，因此其计算方法必须以实验为基础进行。工程结构设计的基本目的是：在一定的经济条件下，结构在预定的使用年限内满足设计所预期的各项功能。结构的功能包括：(1)安全性结构在正常施工和正常使用时，能承受各种可能出现的各种作用，其中包括荷载引起的内力、振动过程中的恢复力以及由外加变形(超静定结构的支座沉降)、约束变形(如温度变化或混凝土收缩引起构件变形收到的
44、约束)所引起的内力。(2)适用性结构在正常使用时具有良好的工作性能，不发生过大的变形或宽度过大的裂缝，不产生影响正常使用的振动。(3)耐久性结构在正常维护下具有足够的耐久性能，不发生钢筋锈蚀和混凝土严重风化的现象。所谓足够的耐久性，系指结构在规定的工作环境中，在规定的预期内，其材料性能的恶化不会导致结构出现不可能出现的是小概率。3.2 结构极限状态整个结构或结构的一部份超过某一特定的状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称该功能的极限状态，是区分结构工作状态可靠或失效的标志。(1)承载能力极限状态这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形。结构或结构构
45、件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆、过大的滑移等)；结构构件或连接因超过材料强度于继续承载；结构转变为机动体系(如超静定结构由于某些截面的屈服，使结构成为几何变体系)；结构或结构构件丧失稳定(如细长柱达到临界荷载发生压屈失稳而破坏等)；地基丧失承载力而破坏(如失稳等)。(2)正常使用极限状态这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：影响正常使用或外观的变形(如过大的挠度)；影响正常使用或耐久性能的局部损坏(如不允许出现裂缝结构的开裂；对允许
46、出现裂缝的构件，其裂缝宽度超过了允许限值)：影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态。第四章 粘贴碳纤维加固设计理论长期以来，人们采用线弹性理论分析钢筋混凝土结构的应力和内力，而以极限承载力的设计方法确定构件的承载能力，这种钢筋混凝土构件的设计方法往往基于大量数据试验的基础上的经验公式，虽然有些公式能够反映钢筋混凝土的非弹性性能，对于设计来说也较为方便，但毕竟有一定的局限性。采用非线性有限元分析能较好的模拟钢筋混凝土的力学性能，但要比线形分析复杂得多。试验的基础上，国内外学者也提出许多相关的计算方法和理论。Ritchie3等用条分法进行理论分析；谢建61等用切比季夫全域法将截面划分对受弯
47、构件进行分析，叶列平对受弯构件正截面弯矩一曲率(m一妒)关系进行全过程分析，并考虑了二次受力的影响，提出不同破坏形式对应的极限弯矩计算表达式。碳纤维加固钢筋混凝土梁正截面受弯计算是评价加固梁抗弯承载力，检验碳纤维加固效果的基本计算。从试验可以看出，碳纤维加固以后，承载力有不同程度的提高，其工作状态如挠度、开裂荷载、裂缝的开展等都有不同程度的改善。基于试验成果的基础上，结合ANSYS有限元分析，对钢筋混凝土碳纤维加固梁正截面进行基本理论分析。结 论1 结论本论文针对一座跨径lO米，在役使用约11年的预应力混凝土空心板桥进行加固试验研究，首先对旧桥空心板的裂缝、损伤、结构材料特性、钢筋(钢丝)的等基本状况以及结构理论承载能力等进行了系统的检测、计算和理论研究分析，并通过未加固的预应力混凝土空心板的破坏荷载试验研究，对原桥预应力混凝土空心板的极限承载能力进行评定，研究了预应力混凝土空心板的极限承载能力、受荷破坏机理等；以此为基础，分别采用受压区加大截面法和受拉区粘贴碳纤维布的方法进行加固，并通过加固后的混凝土空心板的破坏荷载试验研究，探讨不同结构补强措施对旧桥预应力混凝土空心板极限承载力、受荷破坏机理等的影响。(1)试验中板梁采用了不同的加固方法(受压区加大截面面积和受拉区粘贴碳纤维