（道路与铁道工程专业论文）SRAP技术加固钢筋混凝土简支梁的研究.pdf

- 摘要 摘要 随着我国经济的发展，交通运输在国民经济中的地位越来越重要。桥梁作为公路的 咽喉，其承载能力和通行能力成为公路运输的关键。但随着交通荷载等级的不断提高， 交通运输量的不断增加，桥梁设计使用年限的不断增长，许多桥梁已渐渐不能适应现代 交通的要求，使用性能恶化，安全性降低。因此，对桥梁结构的维修、加固和补强的研 究及应用，改善桥梁的使用性能和延长桥梁的使用寿命，已引起了各国的关注，成为一 项具有重要的理论意义和现实意义的研究课题。 本文综述了新型桥梁加固技术s 黜址技术的基本理论。并根据相关的资料，运用大 型有限元分析软件a n s y s ，通过非线性有限元分析，对s 黜址技术进行了的研究。分 析了同样加固材料用量和预应力度下，s 凡廿技术和传统体外预应力加固技术加固钢筋 混凝土简支梁加固效果的差异，分析内容包括：承载力、挠度、钢筋应变和加固筋应 变。并对s 凡蟑技术加固钢筋混凝土简支梁加固效果的影响因素，s r 材料、a p 树脂砂 浆、预应力度和二次受力对加固效果的影响进行了参数分析，分析内容包括：承载力、 挠度、钢筋应变和加固筋应变。最后，结合t 梁的加固工程实践，对s m 廿技术应用 于钢筋混凝土简支t 梁加固的加固效果进行了分析。为s 黜奸技术在我国桥梁加固领域 的应用积累了宝贵的经验。 关键词桥梁加固；s 凡廿技术：非线性有限元分析；t 梁 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fo u rn a t i o n a le c o n o m i c ，c o m m u n i c a t i o n 孤dt r 柚s p o n a t i o nb e c a m e m o r ea n dm o r ei i i l p o n a n ti nn a t i o n a l c 0 n o m i c a st h r o a to fr o a d ，t h eb e a r i n gc a p a b i l i t ya n d t r a n s p o n a t i o nc a p a b i l i t yo f b r i d g eb e c 锄e 矾i c a ji n r o a dt m s p o r t a t i o n b u tw i t ht h e i m p r o v e m e n t0 f1 0 a d i n gg r a d e ，i n c r e a s eo ft r a f f i ca n d e x t e n s i o no fs e r v i c ey e a r s ，m a i l yb r i d g e s c a nn o ts a t i s f yt ot h er e q u i r e m e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o n sd u et os e r i o u sd i s e a s e sa n d i i l a d e q u a t es a f e t y t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ef u n c t i o no ft h eb r i d g ea l l de x t e n dt h e s e r v i c el i f co ft h eb r i d g e ，t h es t u d ya i l de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fm a i n t e n a n c e ，i e i n f o r 嘣n e n t a n dr e p a i r i n gi nb r i d g es t m c t u r eh a v eb e e naw i d ec o n c e mi nt h en a t i o n s ，b e c 锄ear e s e a r c h t a s kw i t hi m p o n a n tt h e o r i c a la n dr e a l i s t i cm e a n i n g t 1 l e p a p e rc o m p r e h e n s i v e l yp r e s e n t s t h ef u n i i 锄e n t a l t h e o r y o ft h en e wb r i d g e r e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g y ，s 黜谨t e c h n o l o g y o nt h eg r o u n do fp e n i n e n tm a t e r i a l ，b yf i n i t e e l e m e n tn o n l i n e a ra i l a l v s i ss o f t w a r ea n s y s ，m r o u g hn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s t u d y s r a pt e c h n o l o g yr e i n f o r c e dc o n c r c t es i m p l es u p p o r tb e 锄，a i l a l y s e dc o m p a r i s o no ft r a d i t i o n a l p r e s t r e s s e dr e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g ya n ds r a pt e c h n o l o g yr e i n f o r c e dc o n c r e t es i m p l es u p p o n b e a ma ts a m e 锄o u n to fr e i n f o r c e m e n tm a t e r i a la n dp r e s t r e s sl e v e l ，c o n t e n t si n d u d e ：b e a r i n g c a p a b i l i t y ，l e c t i o n ， t r a i no fr e b a ra n ds t r a i no fr e i n f o r c e di e b a r a n da n a l y s e dc o n c r e t e r e i n f o r c e ds i m p l es u p p o r tb e 锄r e i n f o r c e m e n te f 托c ti n f l u e n c eo fs rm a t e r i a l ，a pm a t e r i a l ， p r e s t r e s sl e v e la n ds e c o n d a r yl o a d i n gc o n t e n t si n c l u d e ：b e a r i n gc 印a b i l i t y ，n e c t i o n ，s t r a i no f r e b a ra n ds t r a i no fr e i n f o r c e dr e b a la tt h el a s t ，c o m b i n e dw i t hb r i d g et b e a mr e i n f o r c e m e n t e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a n a l y s e dr e i n f 0 珊e n te 行e c to fs r a pt e c h n o l o g y 印p l i e di n tb e a m a c c u m u l a t ep r e c i o u se x p e r i e n c ef o rs 黜世t e c h n o l o g ya p p l y i n gi nb r i d g er e i n f b r c e m e n ti no u r n a t i o n k e y w o r d s ：b r i d g e r e i n f o r c e m e n t ； s r a p1 1 e c h n o l o g y ； n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；tb e a m i i 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 近年来，我国交通事业蓬勃发展。截止到2 0 0 4 年底，我国共有公路桥梁3 2 1 6 万 座，1 3 3 7 6 4 万延米；其中特大桥梁7 1 7 座、1 1 7 5 6 万延米，大桥2 0 6 7 2 座、4 4 5 6 6 万 延米。然而桥梁作为一种人工构造物，必然要经历建造、使用和老化三个阶段。我国现 有桥梁中大多数是在建国后2 0 世纪5 0 年代到8 0 年代建造的，这些桥梁的桥龄已经达 到2 0 巧o 年，老化、破损非常严重。以黑龙江省为例，截止到2 0 0 3 年底时，黑龙江省 共有桥梁9 ，3 4 7 座，国、省道上各类危桥8 2 5 座，占当时桥梁总数的8 8 。而据我省 2 0 0 4 年普查资料，全省共有桥梁9 ，5 8 9 座，虽经加固改造，仍存在危桥1 ，1 9 7 座，占桥 梁总数的1 2 5 ，桥梁中旧、危桥所占比例有明显的增高。全国其他各省情况也大致相 同。究其原因，是因为近年来交通量增大，载重增加，旧桥的承载能力已经不能满足新 的荷载等级要求，桥梁耐久性不足；疲劳性破坏严重；严重超载现象：撞击等偶然破 坏；缺乏有效的检测管理等。旧桥出现了不同程度的问题，已经不能适应经济发展的需 要，存在着巨大的安全隐患，成为制约交通事业发展的“瓶颈”。全部推倒重建的思 想，既不科学，又不现实。因此旧桥的加固维修成为亟待研究的课题【。 1 2 国内外研究现状 现有的桥梁加固方法有很多种：如锚喷混凝土加固法，粘贴钢板加固法，改变受力 体系加固法，增大截面加固法，复合纤维加固法，和体外预应力加固法等【2 】 【1 4 l 。 ( 1 ) 增大截面加固法，是采用同种材料钢筋混凝土，加大原混凝土构件截面面 积，以达到提高结构承载能力，提高结构刚度的目的。优点：能在桥下施工，不影响交 通，加固工作量不大，而且加固的效果较为显著。缺点：现场湿作业工作量大，养护期 较长，对生产和生活有一定影响；对结构外观及房屋净空有一定影响，还会增加结构自 重。 ( 2 ) 粘贴钢板加固法，是采用环氧树脂或建筑结构胶将受拉强度较高的钢板粘贴在钢 筋混凝土受弯构件表面，使之于结构物形成整体，从而获得提高构件抗弯、抗剪能力， 减少裂缝扩展的效果、改善原结构钢筋混凝土的受力状态、提高结构的承载能力，达到 补强效果的加固方法。优点：不需要破坏被加固的原结构物，加固工程几乎不增大原结 构的尺寸，尽管工程质量要求很高，但施工时并不要求高级的专门技术人员操作，能在 短期内完成工程，几乎可以不改变具有历史价值建筑物的原有外观。缺点：粘贴钢板加 固法成功与否的关键是能否保证钢板与被加固的构件形成整体，钢板必须有足够的锚固 长度，粘贴剂具有足够的粘结强度和耐久性，且维护费用较高。 ( 3 ) 复合纤维增强材料加固法，是指由纤维增强材料与树脂系粘结剂叠合在混凝土构 件受力部位并使之与基体合为一体，从而达到加固目的一种加固方法。优点：复合纤维 东北林业大学硕士学位论文 加固的桥梁构件不仅具有轻质高强、高弹性模量、耐腐蚀、耐久性好、抗冲击等优点。 而且施工便捷、无需大型机械、工期短。缺点：复合纤维加固法成功与否的关键是能否 保证加固材料与被加固的构件形成整体，复合纤维增强材料必须有足够的锚固长度，粘 贴剂具有足够的粘结强度和耐久性。 ( 4 ) 改变受力体系加固法，实际就是通过改变桥梁结构体系以减少梁内应力，如在简 支梁下增设支架或桥墩；把简支梁和简支梁加以连接，从而简支梁变为连续梁；在梁下 增设钢桁架等加劲梁或叠合梁；改小桥为涵洞等。改变结构体系的方法很多，但往往要 在桥下操作，或设置永久设施，因而影响桥下净空。因此，要在不影响通航及桥梁排洪 能力的情况下使用。该法加固效果较好，目前这是解决临时通行超重车辆的常见的加固 措施。超重车辆通过后，临时的支撑措施可以随时拆除，故对通航和排洪影响不大。 ( 5 ) 体外预应力加固，实质是以粗钢筋、钢绞线或高强钢丝等钢材作为施力工具，对 桥梁结构施加体外预应力，以预应力产生的反弯矩部分地抵消荷载产生的内力，从而达 到改善旧桥使用性能并提高其极限承载力的目的。能够较大幅度地提高旧桥的承载能 力，体外预应力加固技术所需设备简单，人力投入少，施工工期短，经济效益明显，在 加固过程中，可以实现不中断交通或只需短时限制交通，对原桥损伤小，可以做到不影 响桥下净空，不增加桥面标高。 在以上各种桥梁加固方法中体外预应力加固技术因其具有独特的技术优势，受到国 内外研究者的青睐。预应力技术起源于2 0 世纪5 0 年代的前苏联，预应力加固法最早应 用于工厂的加固与改建中，取得了较好的效果。其基本原理和林同炎教授所提出的“荷 载平衡法”的设计理论是一致的，即把预应力主要看作是用于平衡构件上的荷载的手 段，也就是用预应力去平衡由于各种原因引起的多余荷载，最终抵消正常使用下不希望 出现的应力和应变。原有结构经过加固后钢筋混凝土结构变成体外预应力结构。而应用 体外预应力方法加固桥梁最早出现于2 0 世纪7 0 年代的法国，e fr e s s i n e t 将其首次应 用法国大量的桥梁加固工程【1 5 】。近年来，我国很多学者投入了体外预应力加固的研究， 取得了大量的研究成果。1 9 9 5 年我国东南大学张继文，对采用预应力法加固的普通钢筋 混凝土简支梁和连续梁的受力全过程进行了详细的研究【1 6 1 【1 7 】。1 9 9 7 年东南大学曹双寅 教授等人对“预应力钢混凝土组合结构加固梁”进行了研列1 8 l 。2 0 0 0 年东南大学张继 文对“预应力加固构件的边界约束对加固效能的影响”进行了理论分析和研究，对具有 不同边界约束条件的预应力加固受弯构件的作用机理进行了较为深入的分析与总结，提 出了统一的加固计算方法及加固效能的判断准则【1 9 】。2 0 0 4 年我国学者袁海庆等人进行 了预应力法加固混凝土轴心受压构件试验研究【2 0 1 。2 0 0 4 年我国学者朱银珠进行了体外 预应力法加固桥墩的研刭1 9 】。与此同时，体外预应力加固技术在我国桥梁加固工程中也 得到了广泛的应用，积累了宝贵的经验【2 1 】 【2 9 】。 然而传统的体外预应力加固技术也有其局限性，如预应力施加需要笨重的设备，加 固筋的耐久性不易保证等。因此许多的国内外研究人员投入更经济有效的新型预应力加 固技术的研究。源自韩国的s r a p 技术是一种新型的有粘结预应力加固技术，技术中采 用了新型材料s r 加固材料( 镀锌软钢丝+ 弹簧组合) 和a p 树脂砂浆( 氧化铝聚糖树 脂砂浆) ，并且简化了预应力施加的操作，无需使用大型施工设备，而是采用独特的刻 度扳手施加预应力。该技术不但施工方便，而且具有良好的力学特性和耐久性。该技术 1 绪论 在韩国已经得到了广泛的应用，现已引入我国，在我国许多桥梁加固工程中也得到了应 用，如曲家屯桥、蚂蚁河大桥等。 与传统的体外预应力加固技术相比较，目前对s r a p 技术的研究相对较少，2 0 0 4 年 哈尔滨工业大学张树仁教授对这种新技术在我国规范体系下的应用作了研究【3 0 1 。2 0 0 4 年铁道建筑研究设计院苏国明研究了s r a p 技术在加固3 2 m 简支梁中的应用【3 1 】。2 0 0 5 年m & s 工业株式会社张浩研究了s r a p 技术的工艺特点和新型材料s r 加固材料，a p 树脂砂浆的实验指标【3 2 1 。 1 3 存在的问题 作为新型的桥梁加固技术，对s r a p 技术的研究相对不足，不能全面反映出该技术 的特点。问题主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 对s r a p 技术和传统体外预应力加固技术加固效果的差异的分析不足。 ( 2 ) x t j s r a p 技术加固效果的影响因素的分析不足。 ( 3 ) x cs r a p 技术在实际加固工程中的加固效果的分析不足。 1 4 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 根据相关资料，运用大型有限元分析软件a n s y s ，通过对s r a p 技术加固的钢 筋混凝土简支梁的非线性有限元全程分析，研究同样加固材料用量和预应力度下， s r a p 技术和传统体外预应力加固技术加固效果的差异。内容包括：承载力、挠度、钢 筋应变和加固筋应变。 ( 2 ) 根据相关资料，运用大型有限元分析软件a n s y s ，通过对s r a p 技术加固的钢 筋混凝土简支梁的非线性有限元全程分析，研究s r a p 技术加固效果的影响因素，s r 材料、a p 材料、预应力度和二次受力对加固效果的影响。内容包括：承载力、挠度、 钢筋应变和加固筋应变。 ( 3 ) 结合t 梁的加固工程，对s r a p 技术加固钢筋混凝土简支t 梁的加固效果进行 了分析。 东北林业大学硕士学位论文 2s 凡心技术的基本理论 2 1 体外预应力加固法的基本理论 体外预应力加固法加固的钢筋混凝土梁在各项力学性质上都与预应力钢筋混凝土梁 相似，而分析、设计方法也与预应力钢筋混凝土结构大致相同，下面介绍预应力原理的 概念和预应力加固的基本理论。 ( 1 ) 预应力原理的概念 预加应力使混凝土为弹性材料的概念：把预应力混凝土基本看作混凝土经过预压后 从原先抗拉弱抗压强的脆性材料变为一种既能抗拉又能抗压的弹性材料。 预应力使高强钢材与混凝土能够共同工作的概念：将预应力混凝土看作是高强钢材 与混凝土两种材料的结合，它也与钢筋混凝土一样，由钢筋承受拉力、混凝土承受压力 以形成抵抗外力弯矩的力矩。 预应力实现荷载平衡的概念：把预加应力的作用主要看作是试图平衡构件上的部分 或全部的工作荷载。以上是几种常见预应力原理的概念【”】。 ( 2 ) 预应力混凝土等级的分类 国际上对钢筋混凝土按照受力性能及变形情况分为如下若干等级： l 级全预应力混凝土在全部荷载最不利组合下，混凝土不出现拉应力； i i 级有限预应力在全部荷载最不利组合下，混凝土允许出现拉应力，但不超过 其弯拉强度；在长期荷载作用下，混凝土不出现拉应力； i i i 级部分预应力在全部荷载最不利组合下，构件的混凝土允许出现裂缝，但裂 缝不超过规定值； 级普通钢筋混凝土结构。 我国把钢筋混凝土按照预应力度分为全预应力、部分预应力和钢筋混凝土三类。其 中部分预应力混凝土包括国际分类法的i i 级有限预应力和i i i 级部分预应力。因此部分 预应力是指介于全预应力和钢筋混凝土结构之间的中间广阔领域的预应力混凝土结构。 而部分预应力混凝土又分为a 类构件与b 类构件，a 类构件指的是在正常使用极限状 态构件的受拉区混凝土的正截面拉应力不超过规定限值。b 类构件则是混凝土的正截面 拉应力允许超过规定的限值，当出现裂缝时，其裂缝宽度不超过允许的限值。亦即当预 应力度等于0 时为普通钢筋混凝土，预应力度在0 和1 o 之间的为部分预应力混凝土， 当预应力度等于1 时为全预应力混凝土【3 2 】【3 3 1 。 ( 3 ) 体外预应力加固基本概念 体外预应力法加固是指在增设的补强杆件或在原构件被增大的截面中，施加一定初 始应力即预应力的加固方法。这种加固方法的优点较多；补强杆件能够可靠地参加工 作，加固效果较好；在提高原构件强度的同时，还可以减少或限制裂缝和变形；构造简 单，对桥梁净空影响小；加固施工对使用干扰小，可在不停产条件下进行等。其中预应 力补强拉杆和预应力补强撑杆两种体系比较常用。 2s a p 技术的基本理论 预应力加固梁在工艺上可分为两种，一种是预应力筋外露的加固梁；另一种是预应 力筋与原梁结成一体的加固梁，加固后类似于有粘结预应力梁。 预应力补强拉杆分类1 2 】1 3 】： 预应力补强拉杆适用以抗弯为主的钢筋混凝土梁、板。被补强的构件在设置水平拉 杆并施加预应力后，就变为复合体系，原有结构的受力图形因而改变。此时，原来的受 弯构件变为偏心受压构件，在其支点处产生反向的附加弯矩，同时也就减少了跨中弯 矩，这样可以较大地提高被补强构件原来的承载能力。有三种型式如下。 水平补强拉杆：是将水平钢拉杆安设在梁受拉区的底部，施加预应力后，受拉区 受到拉杆预应力的作用，拉应力相应减少。这种型式的加固，可以提高梁正截面抗弯承 载力，但不能提高支座附近斜截面的抗弯能力。 下撑式补强拉杆：将水平补强拉杆的两端分别在接近支座处向上弯起，锚固于梁 的支座上部，弯起点处增设传力支承构造。施加预应力后，通过弯起点处支承构造传 力，对梁产生卸载作用。这种型式的补强，既可以提高原构件跨中正截面的抗弯强度， 又能提高梁端斜截面上的抗剪强度，当设计和构造比较完善时，可以较大地增大原构件 的承载能力。 组合式补强拉杆：由水平拉杆和下撑式拉杆组合而成。这种型式既具有下撑式拉 杆的特点，同时又具有能提高抗弯、抗剪强度的优点，又可以在必要时通长增设多根拉 杆，从而更大幅度地提高承载能力。 以上三种补强拉杆应根据要求补强的内力种类，提高承载能力的大小以及施工的方 便与可能等情况，加以选定。当梁的跨中抗弯强度不足而斜截面上抗剪强度足够时，或 者要求提高承载力较小时，可采用水平拉杆；当梁支座处斜截面抗剪强度不足时，则应 采用下撑式拉杆。当需要增加承载能力一倍以上时，应采用组合式拉杆。 ( 4 ) 施加预应力的方法： 横向收紧法 施加预应力的横向张拉法，即使拉杆在水平方向或垂直方向稍微倾斜，这样只需要 较小的拉紧力，就可使拉杆内产生很大的拉应力。 横向收紧法是将两根拉杆互相拉近。可以采用由带有弯钩的普通螺栓和加紧垫圈组 成的拉紧器来完成。操作时先用加劲垫圈抵住第一根拉杆，再用螺栓弯钩钩住第二根， 然后旋紧螺帽使加劲垫圈沿螺栓丝杆移动，而将第二根拉杆拉向第一根，达到要求的距 离( 即拉杆内要求的拉应力) 。当被补强的梁的肋部宽度较小，当梁跨度相当大时，用一 道拉紧器张拉，拉杆达不到规定的倾斜度要求时，可用两道拉紧器或通过加设专用撑棍 来达到要求。 千斤顶张拉法 千斤顶张拉法是用千斤顶在预应力拉杆的顶端进行张拉并锚固，这种张拉法适用于 下撑式拉杆。拉压千斤顶也可用于水平拉杆的张拉。张拉长度可根据拉杆中的预应力计 算确定。 电热张拉方法 电热张拉方法是通过电热设备对钢筋通电加热，使之热胀伸长到一定程度后拧紧两 端螺母，冷却后钢筋收缩即产生产生预应力，采用此种方法张拉时，钢筋电热温度预先 东北林业大学硕士学位论文 计算确定。 一 手动葫芦张拉法 手动葫芦张拉法是采用手动葫芦对拉杆进行张拉，张拉前按需要安装滑轮组，预应 力大小可以通过滑轮组中安装的电子称和拉杆上测力计加以控制。 2 2s 谨技术的加固机理 s m 廿技术是采用镀锌软钢丝束( 简称s r 加固材料) 对混凝土梁体施加预应力， 采用多功能氧化铝聚糖树脂砂浆( 简称a p 树脂砂浆) 对混凝土结构进行修补的综合加 固技术。镀锌软钢丝束靠锚固于混凝土梁体上的角钢固定，采用螺旋扣环拉紧器进行张 拉。为了增强镀锌软钢丝束与修补砂浆的粘着力，在软钢丝束上了缠绕弹簧线圈。软钢 丝束张拉后，由于预加力的作用，使梁体反向弯曲，在混凝土中产生预应力。然后，喷 注a p 树脂砂浆，将预应力钢筋与梁体混凝土连为一体，使两者共同工作，提高结构的 承载能力，改善结构的工作性能【3 0 j 。 固定钉 被加固混凝土梁体 l固繁子八o| |八八 _ 。 l ， h 弋 u i 图2 8s p a p 工艺加固示意图 s 凡廿技术作为一种新型体外预应力加固技术，由于采用了新材料镀锌软钢丝 束( 简称s r 加固材料) 和多功能氧化铝聚糖树脂砂浆( 简称a p 树脂砂浆) ，而且简化 预应力施加操作，采用刻度扳手施加预应力，避免了使用大型设备，因而相对于传统的 体外预应力技术有如下特点： ( 1 ) 工艺中采用了新型高强材料。a p 树脂砂浆具有较高的抗压强度、弯折强度，抗 裂性能优良。密实性能好，抗化学腐蚀能力能，抗碳化( 中性化) 能力强。防水、耐化 学腐蚀和抗气候环境侵蚀等作用，能够大大地提高混凝土结构的耐久性。a p 树脂砂浆 与被加固梁体混凝土具有较高粘结强度，为两者共同工作提供了可靠的保证。渗入梁体 混凝土中，即可修补裂缝，又可提高a p 树脂砂浆与混凝土之间的粘着力。s r 加固材料 具有较高的强度，较好的变形能力，并具有较好的耐久性。 ( 2 ) 采用独特的刻度扳手旅加预应力，在保证预应力水平的基础上极大的简化了对加 固构件的预应力施加工序，无须使用使用大型设备，克服了传统体外预应力加固技术在 加固方案比选中的不利因素。 ( 3 ) 在软钢丝束上缠绕弹簧线圈，增强了镀锌软钢丝束与修补砂浆的粘着力。减少了 二者之间的相对滑移，提高了两者共同工作性，使结构的承载能力大大提高，工作性能 大大改善。 2s 黜”技术的基本理论 2 3s 姬技术中新材料的力学特性 s 黜廿技术采用的预应力钢筋是由镀锌软钢丝束和弹簧线圈构成。镀锌软钢丝作为 新型材料，不但具有高强度，其耐久性也非常优异。s 黜廿技术中的镀锌软钢丝束为 7 1 9 型，规格有由3 2 m m 1 2 ( s ) 、巾4 8 衄1 5 ( m ) 、巾6 3 m m 1 8 ( l ) 、巾8 0 m m 2 o ( x l ) 。其试验力学性能指标见表2 2 。 表2 2 镀锌软钢丝束的试验强度指标【3 1 】 注：1 2 、1 5 、1 8 、2 0 表示弹簧线圈的螺距 s 凡奸技术采用的氧化铝聚糖树脂砂浆是一种强度高，密实性好，抗腐蚀性能强的 多功能复合砂浆，其主要试验资料见表2 3 。从表中的试验数据可以看出，a p 树脂砂浆 的突出优点是： 表2 3a p 树脂砂浆主要试验结果【3 1 】 ( 1 ) a p 树脂砂浆具有较高的抗压强度和弯折强度，特别是其弯折强度约为一般砂浆 2 3 倍。因为a p 树脂砂浆很高抗拉强度，所以其具有较高的抗裂能力。 ( 2 ) a p 树脂砂浆密实性能好，抗化学腐蚀能力强，抗碳化( 中性化) 能力强。a p 树 脂砂浆能够大大地提高混凝土结构的耐久性。s 凡心技术中，为了进一步提高被加固混 凝型嚣黼器铿鉴蕲；琴冀窑俐稍褒豫嵩摧i 搽葫嚣饿雾髓鹊黥秘艟；霎耄璀蔓法博孺 滞君爨墨丽销錾蘸粉骈彰爵飘潞譬勰则慧蘩赡瓣霸刚i 埕砚螟刁逻矗塞希搿引爨群；酎 翼黧兰蕊需；蒋蕊藩篙鹭恻镌氇矮斗畦链裂篙兽j 辆霞蚕掂抖蔫巍薛豁鲋赫擎耋骧瞵 般情况，单元划分越细则描述越精 2s l 乙a p 技术的基本理论 固技术在我国规范体系下的应用现状，介绍了s m 心技术中新材料强度标准值，设计值 和弹性模量的建议取值。 奏妻北烁彤夭垂磊茧蓠 誊j 0 薹蓁岱蓁蓁雾萋蓁雾鬈羹蓁羹雾 矍羹冀霎茎翼蓁彗翼薹霪雾塞霎蓁蓁萋篝羹雾雾霎塞蓁薹零e 瑾；霸塞囊霎萋蓁静 奏羹| 琴| 雾；蓁雾霎霎压啦颈二雄藩吲琢瞪一睡辖嶝，婆俐羹猷制薹錾酱瑶疆识喇磊裂 篓墓 藿抛；堡雾苻薹羹，塞蓊萋羹攀j 耋l 每；量耋。孝霪霎哼：蓁；卜? j 蓁二j 塞鋈州錾弱j 鹜；萋i 至耄：篓墓翼薹 雪。薹l 霎耄：副新刚墅羹霸毹髑蔺鼎豁量。蓁； 善鎏、蠢慰付馑躜蓁羹羹活薹囊羹羹巨1 8 2 l 黟；薹蓄j 挚；零；霉。三目：霎。委霸，霎习羹咎控霎耋囊羹薹 篓缓薹副筵瓤型剞蓍毫龋搭未呈蓁| 涎翰麟鹾凝霸? 柑藩蒿，储硝拎轿硝耐髫 羲副翱d 蔫匐委；良鬟霪_ j 鳓辫蕉宾瑶黍l 。曩；一烈羹薹强胡塑蓄划蓁郡薹耋。薹圣霸别蒯娥 耗鲕羹丽牛勺j 岔主j 运篓擎警全鍪输薹蚕尘羹蠹翼i | i i ；主l 囊塞孵峻= 位霭幕熟泼曜璧萼单元堤需剐酲州酏i 重望魏型蓄觜爵型氟美斋等 馨一薹鼎；掣莱耄零融罾转学世巴k 蠼鼷垂，鬻匿抖张豁醚懿鹾煎霁导簖! 蠢；藿薹匿型拱弱鹳楚醣嚣联；燮薹摧蔺撒曼丽甜j 溯霸名；冀冠高10 茎埋甫李 蚝利瓢豁糕豁拱融掣乳蠹堕需型g 型嚣耀，茎穗蠢菰簇雾；参耋奥一鬻撵淫谢戮基当 嶝型嚣黼器铿鉴蕲；琴冀窑俐稍褒豫嵩摧| 萎搽葫嚣饿雾髓鹊黥秘艟；霎耄璀蔓法博孺 滞君爨墨丽销錾蘸粉骈彰爵飘潞譬勰则慧蘩赡瓣霸刚i 埕砚螟刁逻矗塞希搿引爨群；酎 翼黧兰蕊需；蒋蕊藩篙鹭恻镌氇矮斗畦链裂篙兽j 辆霞蚕掂抖蔫巍薛豁鲋赫擎耋骧瞵 般情况，单元划分越细则描述越精确，即越接近实际变形，但计算量越大)。所以有限 离散结构。因此用有限个单元所获得的结果只是近似的。但如果划分单元数目非常多而 又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。( 2 ) 单元特性分析 选择位移模式 在有限元法中，当选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；当选择节点力作为 未知量时称为力法；当取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合 法；位移法易于实现计算自动化，所以在有限单元法中位移法应用最广。当采用位移法 时，结构离散之后，就可把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来表 示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常， 有限单元法中我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移 x 东北林业大学硕士学位论文 ( 3 ) 非线性分析：几何非线性、材料非线性、边界非线性、单元非线性。 ( 4 ) 其他分析：断裂力学分析、复合材料分析、疲劳及寿命估算分析、超弹性材料分析、 压电分析。 3 2s 凡奸技术加固钢筋混凝土简支梁分析 运用a n s y s 大型软件，进行非线性有限元分析，是研究桥梁加固技术的非常有效 的手段，在这方面有很多的研究成果1 4 0 】1 4 1 】1 4 2 】。下面是本文对桥梁加固技术s 廿技术 的非线性有限元分析研究。图3 1 为未加固模拟梁的截面尺寸( 单位：c m ) 。 上 ； d 爿 f 1 01 ex i o 2 3 2 1 单元的选取 ( 1 ) 混凝土和a p 树脂砂浆 图3 1 模拟梁的尺寸 ：固： 二1 。 静 誊 5 图3 2s o u d 6 5 单元示意图 混凝土和a - p 树脂砂浆选用s o u d 6 5 单元，a n s y s 程序在该单元中引入了混凝土 拉应力超过抗拉强度后会开裂、压应力超过抗压强度后会压碎的特性。而且，它能处理 材料非线性问题，它可以在三个正交方向上开裂，还具有压碎、塑性变形和蠕变等性 质。该单元有素混凝土单元和有筋混凝土单元两种，其中对于后种，其钢筋可受拉和 受压，但不能承受剪力，同样有塑性变形和蠕变的性质。s o u d 6 5 单元由八个节点组 成，每个节点分别有三个自由度u x 、u y 、u z 。 3s r a p 技术加固钢筋混凝土简支梁分析 ( 2 ) 钢筋 z 图3 - 3u n k 8 单元示意图 钢筋选用u n k 8 。该单元是三维单轴拉伸或压缩直线单元。这种三维杆单元是杆轴 方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系x 、y 、z 方向的平动。就 像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩。本单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力 刚化、大变形、大应变等功能。 ( 3 ) 垫块 图3 - 4s o u d 4 5 单元示意图 垫块选用s o u d 4 5 。该单元为三维实体结构单元，由8 个节点来定义，每个节点 有3 个沿着x 、y 、z 方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化，大 变形和大应变能力。在本文二次受力影响的分析中由于使用了生死单元功能，导致了 s o u d 6 5 单元不易收敛，所以a p 树脂砂浆的模拟也采用了此单元。 ( 4 ) s r 材料和钢绞线 选用u n k 3 。如上所述该单元是三维单轴拉伸或压缩直线单元，它具有塑性变型和 蠕变的性质。它由两个节点组成，每个节点有三个自由度u x 、u y 、u z 。 东北林业大学硕士学位论文 3 2 2 材料的本构关系 分析中混凝土的本构关系，选用s a e n z 提出的混凝土本构关系。采用多线性等向强 化模型描述，如图3 5 所示。 应力 厂 _ 、 f l l l l 1 s 1 s 2 5 3 s4 s 应变 图3 5 混凝土的本构关系 分析中钢筋的本构关系，选用yh i g a s h i b a t a 提出的钢筋本构关系。采用双线性等 向强化模型描述，如图3 6 所示。 应力 t x l o t 5 l l l l l l l l 图3 6 钢筋的本构关系 分析中a p 材料为新型材料，参考文献1 4 3 】【删1 4 5 1 ，选用r u s c h 提出的本构关系。本构 关系采用多线性等向强化模型描述，如图3 7 所示。 3s r a p 技术加固钢筋混凝土简支梁分析 应力 t x l 0 i j r ， l r | l | | o12 51 52 s 应变 图3 7a p 材料的本构关系 分析中s r 材料为新型材料，参考文献【4 3 】【4 5 1 ，本构关系选用r 锄b e r g o s g o o d 提出 的本构关系。采用多线性等向强化模型描述，如图3 - 8 所示。 应力 l l l l l l l l 3 2 3 选用的破坏准则 应变 图3 8s r 材料的本构关系 本次分析中选用的破坏准则为w i l l a m w a m k e 五参数准则。在低静水压力和高静水 压力状态下，混凝土的性能是不同的。如果是低静水压力状态下，只需要输入上述的部 分参数就行了，其他的参数将是缺省值。如果在高静水压力状态下：则需要输入上述 1 8 个参数。在混凝土到达其屈服面之前，s o u d 6 5 单元可以具有线弹性属性，多线性 弹性或者是其他的塑性特性。但如果超出了混凝土的屈服面，将丧失混凝土屈服性能。 东北林业大学硕士学位论文 3 2 4 预应力的施加 a n s y s 在钢筋混凝土分析中预应力施加有两种方式：即分离式和整体式。前者将 混凝土和钢筋的作用分别考虑，以载荷的形式取代预应力筋的作用，如等效荷载法；后 者是将混凝土和钢筋的作用一起考虑，用u n k 8 单元模拟预应力筋，如降温法、初始 应变法。考虑到本次分析为全程分析，为了更好的模拟构件的变形历程，除了二次受力 分析，均采用初始应变法模拟预应力作用。由于需要使用单元生死功能，二次受力分析 时预应力的施加采用降温法。考虑到s m 姐技术特点和本次分析的目的，每根s r 材料 ( 钢绞线) 初始预应力分别取3 k n 、6 k n 、和1 0 k n 。 3 2 5 模型的建立和约束的施加 在保证精度的前提下，为了减少运算量，节省运算时间与存储空间。在有限元分析 时，利用了对称的原理，取四分之一梁作为分析对象，四分之一模型和网格划分如图 3 9 所示。模拟梁的加载位置、支点位置及垫块大小如图所示。由于本次有限元模型根 据对称，采用的是四分之一实体梁大小，因此要对各个对称面设置合理的边界条件，具 体如下：在跨中对称面位置设置水平方向的约束，防止梁产生水平方向的位移；在梁宽 对称面的位置设置水平约束，防止梁在加载时发生倾斜；在支点处设置垂直于梁底面方 向的约束，防止梁在支点处产生竖直位移。 图3 9 模型示意图 3 3s m 心技术加固钢筋混凝土简支梁分析结果 为了验证模拟分析中单元选取、材料的本构关系，单元的参数输入，网格划分的正 确性和精度。将模拟梁b 一1 和参考实验梁b m 1 i 删比对，比较结果见表3 1 ，由表中数 据可知建立的模型是正确的，具有较高的精度。 3s 黜”技术加固钢筋混凝土简支梁分析 较晚，钢筋应变发展较慢，加固梁在相对较高的荷载下发生破坏。由于s 凡蟑技术加固 梁a - p 树脂砂浆的开裂荷载较高，荷载钢筋应变曲线有较长的线性段较长，约是传统的 体外预应力加固梁线性段的3 倍。而梁从加固混凝土开裂到钢筋屈服的荷载钢筋应变 曲线增长段，s 黜好技术加固梁较传统的体外预应力加固梁有所缩短。 ( 4 ) 加固筋的应变 图3 1 1 荷载钢筋应变曲线图 图3 1 2 荷载功口固筋应变曲线图 由图3 1 2 可以看出，s r a p 技术加固梁( 梁b 2 ) 与传统的体外预应力加固梁( 梁 b 3 ) 荷载力口固筋应变曲线相比，在梁中钢筋屈服之后，传统的体外预应力加固梁的加 3s r a p 技术加固钢筋混凝土简支梁分析 5 ) 荷载钢筋应变曲线图在梁中钢筋屈服之后发展情况很相似，由于a p 树脂砂浆的开 裂荷载较高，a p 树脂砂浆加固梁的荷载钢筋应变曲线有较长的线性段，约是高强混凝 土加固梁线性段的3 倍。而梁从加固混凝土开裂到钢筋屈服的荷载钢筋应变曲线增长 段，a p 树脂砂浆加固梁较高强混凝土加固梁有所缩短。 ( q s r 材料的应变 图3 1 4 荷载钢筋应变曲线 图3 1 5 荷载s r 材料应变曲线 由图3 1 5 可以看出，肿树脂砂浆加固梁( 梁b 2 ) 与高强混凝土加固梁( 梁b 5 ) 荷载s r 材料应变曲线在梁屈服之后发展情况很相似，由于a p 树脂砂浆的开裂荷载 东北林业大学硕士学位论文 较高，a p 树脂砂浆加固梁的荷载s r 材料应变曲线有较长的线性段，约是高强混凝土 加固线性段的3 倍。而梁从加固混凝土开裂到钢筋屈服的荷载s r 材料应变曲线增长 段，a p 树脂砂浆加固较高强混凝土加固有所缩短。 ( 5 ) 裂缝发展 由图3 1 6 中可以看出a p 树脂砂浆加固梁( 梁b 2 ) 与高强混凝土加固梁( 梁b 5 ) 相比，原梁底混凝土开裂较晚，而且发展非常缓慢，直到位于梁底的加固材料a p 树脂砂浆开裂后，裂缝才开始加快发展，但原梁中混凝土裂缝开展速度仍较高强混凝土 加固梁缓慢。 6 0 k n 7 5 k n 1 0 0 k n b 2 4 0 k n 6 0 k n 7 5 k n 图3 1 6 梁b - 2 和b - 5 的裂缝比较图 1 0 0 k n b 5 3s & a p 技术加固钢筋混凝土简支梁分析 3 3 3s r 材料的影响 ( 1 ) 承载能力 由表3 2 中的数据可看出，s r 材料加固梁( 梁b 2 ) 与钢绞线加固梁( 梁b 4 ) 相 比，承载能力加固效果( 基于标准梁b 1 ) ，开裂荷载，屈服荷载和极限荷载均有提高。 开裂荷载的提高幅度，s r 材料加固梁比钢绞线加固梁高5 0 5 。屈服荷载的提高幅度 s r 材料加固梁比钢绞线加固梁高5 8 。极限荷载的提高不明显，s r 材料加固梁比钢 绞线加固梁高2 5 9 。 ( 2 ) 梁的挠度 挠度( m m ) 图3 - 1 7 荷载一挠度曲线图 由图3 1 7 可以看出，s r 材料加固梁( 梁b 2 ) 与钢绞线加固梁( 梁b 4 ) 荷载挠 度曲线的发展情况很相似，差别主要在s r 材料加固梁的加固混凝土开裂荷载、钢筋屈 服荷载和梁的极限荷载均比钢绞线加固梁大，所以s r 材料加固梁荷载挠度线性段和从 钢筋屈服到梁完全破坏的荷载挠度曲线段均较钢绞线加固梁长，但s r 材料加固梁从梁 加固混凝土开裂到梁中钢筋屈服的荷载挠度曲线段较钢绞线加固梁有所缩短。而且最 终挠度s r 材料加固梁较钢绞线加固梁大。 ( 3 ) 钢筋的应变 由图3 1 8 可以看出，s r 材料加固梁( 梁b 2 ) 与钢绞线加固梁( 梁b 4 ) 荷载钢 筋应变曲线图，由于s r 材料加固的加固混凝土开裂荷载、钢筋屈服荷载和梁的极限荷 载均较钢绞线加固梁大，所以s r 材料加固梁荷载钢筋应变曲线线性段和从钢筋屈服到 梁完全破坏的荷载钢筋应变曲线段均较钢绞线加固梁长，s r 材料加固梁从梁中钢筋 开始屈服到梁破坏的钢筋应变发展相对较慢。 3s r a p 技术加固钢筋混凝土简支梁分析 ( 1 ) 承载能力 由表3 2 中的数据可看出，预应力3 k n 加固梁( 梁b 6 ) 、预应力6 k n 加固梁( 梁 b 2 ) 和预应力1 0 k n 加固梁( 梁b 7 ) 的承载能力加固效果( 基于标准梁b 1 ) ，开裂 荷载提高幅度分别为：1 8 3 8 9 ，2 0 7 1 ，2 4 7 9 7 ；屈服荷载提高幅度分别为4 0 2 2 ， 5 1 2 8 ，6 0 5 6 ；极限荷载提高幅度分别为8 2 4 6 ，8 2 7 6 和8 7 0 3 。可见预应力度 对开裂荷载的影响较大，对屈服荷载也有影响，对极限荷载影响不明显。 ( 2 ) 梁的挠度 由图3 1 9 可以看出，预应力3 k n 加固梁( 梁b 6 ) 、预应力6 k n 加固梁( 梁b 2 ) 和预应力1 0 k n 加固梁( 梁b 7 ) 的荷载挠度曲线中，由于a p 树脂砂浆开裂荷载 和梁中钢筋屈服荷载的差异，随着预应力度的增加，荷载挠度曲线线性段增长，从梁 中钢筋屈服到梁完全破坏的挠度发展加快，梁的延性降低。 ( 3 ) 钢筋的应变 由图3 2 0 可以看出，预应力3 k n 加固梁( 梁b 6 ) 、预应力6 k n 加固梁( 梁b 2 ) 和预应力1 0 k n 加固梁( 梁b 7 ) 的荷载钢筋应变曲线中，由于a p 树脂砂浆的开 裂荷载和梁中钢筋的屈服荷载的差异，随着预应力度的增加，荷载钢筋应变曲线线性 段增长，梁中钢筋开始屈服到梁完全破坏钢筋应变发展加快。 图3 2 0 荷载钢筋应变曲线图 ( 4 ) s r 材料的应变 由图3 2 1 可以看出，预应力3 k n 加固梁( 梁b 6 ) 、预应力6 k n 加固梁( 梁b 一 2 ) 和预应力1 0 k n 加固梁( 梁b 7 ) 的荷载s r 材料应变曲线中，随着预应力度的增加 s r 材料的初应变增大，由于a p 树脂砂浆的开裂荷载和