（土木工程专业论文）低预应力张拉钢绞线聚合物砂浆抗弯加固试验研究.pdf

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文章数据吻合良好的低预应力张拉钢绞线聚合物砂浆钢筋混凝土梁承载力和刚 度及裂缝计算公式。 关键词：r c 梁抗弯加固；低预应力张拉钢绞线；试验研究 北京t i k 大学t 学硕+ 学化论文 l 一 i a b s t r a c t a b s t r a c t a l lt h ec o n s t r u c t i o n s r e q u i r es t r e n g t h e n i n ga n dm a i n t e n a n c eo rr e b u i l d i n gb e c a u s e o fn e wd e m a n d so fa p p l i c a t i o n t h es t e e ls t r a n d e dw i r ea n d p o l y m e rm o r t a r s t r e n g t h e n i n gi sg e t t i n gm o r ep o p u l a rs i n c et h i sy e a rw h i c hh a sa d v a n t a g e si n c l u d i n g h i g hs t r e n g t h , f i r e - r e s i s t i n g ，c o r r o s i o n - r e s i s t i n g ，a g e i n g - r e s i s t i n g ，h i g h p o l y m e r i z e s t r e n g t h , p o l l u t i o n f r e ea n de a s yc o n s t r u c t i o n b u tt h er e s u l ti sn o tp e r f e c ta tt h ef i r s t s t a g eo fr e i n f o r c e m e n t i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f e c tt h el o ws t r e s ss t e e l s t r a n d p o l y m e rm o r t a rr e i n f o r c e m e n tw a sc a r r i e do u t i nt h i sa r t i c l et h eb e a r i n gc a p a c i t yb r e a k d o w nt e s to fc o n c r e t eb e a mr e i n f o r c e db y d i f f e r e n tm e t h o d s ( i n c l u d i n gc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e ，s t e e lr e i n f o r c e ，n o ns t r e s ss t e e l s t r a n d p o l y m e rm o r t a rr e i n f o r c ea n dl o ws t r e s ss t e e ls t r a n d p o l y m e rm o r t a rr e i n f o r c e ) w a st d e db a s e do nf e r r o c o n c r e t es t r e n g t h e n i n gt h e o r y t h em a i nw o r k sa r el i s t e da s f o l l o w i n g ( 1 ) t h ee x p e r i m e n to ff o u rr e i n f o r c e m e n t ( 2 ) a n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c e ( 3 ) s i m u l a t i n gt h ee x p e r i m e n tw i t hf i n i t ee l e m e n tp r o g r a m ( 4 ) d e d u c i n gt h e s i m p l i f i e df o r m u l a t h em a i nr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h eb e n d i n gr e s i s t a n c eo ff e r r o c o n c r e t eb e a mr e i n f o r c e db yh i 曲s t r e n g t h s t e e ls t r a n dc o u l di n c r e a s et h eb e n d i n gr e s i s t a n c ea n dr i g i d i t y t h ec r a c k se x t e n s i o n w a sw e l lr e s t r a i n e d ( 2 ) c o m p a r i n gt ot h es t e e ls t r a n d e dw i r er e i n f o r c e db e a m 。t h e1 0 ws t r e s s e ds t e e l s t r a n d e dw i r er e i n f o r e e db e a md e c r e a s e l5 i nc r a c k i n gf l e x i v i t y , 1 1 m mi nm a x c r a c k ，10 m mi nr e m a i n e df l e x i v i t y , i n c r e a s e1o i nc r a c k i n gl o a d ( 3 ) t h eb r e a k d o w np r o c e s so fb e a mi nt h ee x p e r i m e n tw a ss i m u l a t e db yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h ef o r m u l a so fc a l c u l a t i n gy i e l dl o a d ，l i m i tl o a d ，f l e x i v i t ya n dt h e c r a c kw i d t hw e r ed e d u c e d t h eo u t c o m eo ff o r m u l aw e l lm a t c h e dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t k e y w o r d s ：f l e x u r a ls t r e n g t h e n i n go fr cb e a m ；l o wp r e s t r e s s e ds t e e l w i r em e s ha n d p o l y m e rm o r t a r ；e x p e r i m e n ts t u d y 北京t 、i k 大学t 学硕十学位论文 l v i ：1 录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 钢筋混凝土结构常用的加固方法一2 1 3 研究现状综述一4 1 3 1 碳纤维布加固梁的试验研究4 1 3 2 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固的试验研究6 1 3 3 钢板加固梁的试验研究7 1 4 存在的主要问题及本文研究的主要内容8 1 4 1 存在的主要问题8 1 4 2 本文研究的主要内容8 第2 章碳纤维加固、粘钢加固、低预应力与传统钢绞线混凝土梁受弯试验9 2 1 试验概况9 2 1 1 试验梁的设计9 2 1 2 试验梁的制作11 2 1 3 试验的前期工作15 2 1 4 试验所需仪器。1 6 2 2 试验方案1 6 2 2 1 试验梁试验方案1 6 2 2 2 试验装置及加载方式1 6 2 2 3 测点布置1 6 2 2 4 量测的主要内容18 2 3 试验现象、结果及分析1 8 2 3 1 试验破坏现象18 2 3 2 试验结果及分析。2 3 2 3 3 试验数据3 0 2 3 3 1 丌裂荷载：3 1 2 3 3 2 丌裂挠度：3l 2 3 3 3 残余挠度：3 2 2 3 3 4 最大挠度：3 3 2 3 3 5 最大裂缝宽度：3 4 本章小结：3 5 第3 章低预应力钢绞线聚合物砂浆加固r c 梁的非线性有限元分析3 7 3 1 有限元分析法概述3 7 3 2 有限元模型的选择3 7 3 3 试验梁分析译元类型的选择4 0 3 4 试验梁有限元模型的建立4 4 3 5 有限元分析结果4 5 奉章小结：4 6 v 北京t 业大学t 学硕十学何论文 第4 章加固试验梁承载力与变形计算分析4 7 4 1 基本假没4 7 4 2 加固梁的屈服弯矩4 8 4 3 加固梁的极限弯矩4 9 4 4 加固梁的刚度5 0 4 4 1 影响构件刚度的因素5 0 4 4 2 加固梁刚度的计算5 0 4 5 加固梁的裂缝5 2 4 5 1 最小裂缝间距5 2 4 5 2 最大裂缝宽度分析5 4 本章小结：5 4 结论与展望5 5 参考文献5 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文6 1 致谢6 3 上；自1 9 9 7 年以来，我国加固工程量平均年递增量达到3 0 以上，到2 0 0 0 年， 全国年加固修复工程量己突破1 0 0 万m 2 ；在欧美发达国家中，目前用于建筑加 固改造的投资已占国家建筑业总投资的1 2 以上，维修改造的工程量仍处于上升 态势。因此加固改造是全球土木工程共同的任务，在我国也有巨大的市场空间。 混凝土结构需要进行加固的原因主要有【2 ，3 】：混凝土结构随着使用年限的加 长，加之环境的因素，混凝土会发生老化、劣化现象，而我国有一大批结构己接 近或超过了设计基准期，进入老年；由于勘察、设计和施工过程中的技术和管理 问题，导致工程在建成初期就出现各种质量安全隐患，如不及时采取加固措施， 就有可能导致重大的安全事故；风灾、水灾、火灾和地震灾害都会损坏建筑物， 我国是一个多地震国家，大中城市中7 0 在7 度以上的地震区，另据统计我国 仅风灾每年损坏房屋3 0 万间，火灾平均每年近4 万起，水灾造成的破坏就更难 以统计。 随着我国经济发展和人民生活水平的不断提高，近年来旧城改造几乎成了各 大、中城市的共同课题，在大规模城市改造中，有相当数量的旧建筑需要通过加 固改造来满足新的功能要求；即原设计规范可靠度偏低，导致结构安全储备不足， 或由于抗震设防区域划分的变化，或原结构设计不符合现行国家规范抗震设防要 求等。 对旧有建筑物进行适当加同以延长或改善其使用功能，具有明显的经济和社 会效益。维修改造能够以经济的技术手段保汪己有建筑物，包括老旧建筑物，不 断适应人类社会的发展。与新建建筑物相比，维修改造具有四个突出优点：( 1 ) 工 程量减少，工程造价明显降低：( 2 ) 施工周期大大缩短，施：l 导致的误工损失减少；( 3 ) 北京t 、i k 大学t 学硕十学1 移论文 施工过程对环境的不良影响( 如灰尘、噪音、交通堵塞等) 降低；( 4 ) 可以有效地保护 文物古迹，保持城市的特有建筑风貌。这些都会带来显著的经济效益，特别是时 间和空间的节省，对工业生产和商业活动来讲，在效益方面往往起着决定性的作 用，对承载力不足的工程结构进行修复加固，不仅可以使人民的生命及财产得到 保障，还可以尽可能地发挥既有结构的作用，缓解人力、物力、资金紧张的情况， 使资金投到最需要的地方，符合健康、稳定、持续、快速发展的思路。因此，在 现代社会中积极开展结构加固新技术的研究是非常必要的，具有重要的社会效益 和巨大的经济效益。 1 2 钢筋混凝土结构常用的加固方法 混凝土结构的基本加固方法主要是针对非地震区一般荷载( 静力竖向荷载为 主) 作用下混凝土结构的加固方法。目前，国内外成熟的混凝土结构加固方法主 要有 4 q l ：增大截面加固法、外包钢加固法、粘钢加固法、粘贴碳纤维布加固法、 局部置换加固法预应力加固法、改变传力途径加固法、外包不锈钢网并粉刷聚合 物砂浆加固法等。 ( 1 ) 增大截面加固法 增大截面加固法是传统的加固方法，施工技术比较成熟，可提高构件的强度 和刚度，加固效果明显。但是，该方法存在施工工程复杂、工期长、湿作业量大 等问题，又由于刚度变化加大而对周围构件存在不利附加作用和造成结构的自振 特性改变等，几年来使用越来越少。 ( 2 ) 外包钢加固法 外包钢加固法使用角钢、钢板等材料将原混凝土板、梁、柱等构件包裹起来 达到加固目的，该方法分湿式法和干式法两种，湿式法效果由于干式法。外包钢 法与预应力撑杆法结合是一种较好的加固柱的方法。加固梁时外包钢法施工复 杂，特别是外包铡在梁根部的处理常常很难做到让人满意，直接影响加固效果， 因此，目前梁加固过程中较少采用。 ( 3 ) 粘钢加固法 粘钢加固法是在混凝土构件外部粘贴钢板以提高其承载力的一种加固方法。 山于该方法不影响结构外观和使用空间，施工简单、快捷，今年来该方法在梁、 板加固中得到了大量的推广应用。 粘钢加固时，丰要靠结构胶和抗剪化学锚栓将混凝土的变形传递给钢板，但 由于结构胶的弹性模黾最高仅为3 5 0 0 m p a ，而混凝土的弹性模量为3 0 0 0 0 m p a ， 2 第l 章绪论 相差近十倍，无法保证当混凝土产生微小变形时，加固钢板能够马上受力，虽然 有化学锚栓可以传递剪力，但由于施工安装等原因，当安装精度不够高、螺栓紧 固力不够大时( 通常会这样) ，剪力栓与钢板之间总有缝隙，无法保证剪力栓与 钢板充分结合，从而影响加固效果，无法将混凝土构件的微小变形及时传递给钢 板，钢板就无法在构件受力的初始阶段发挥作用，从而影响加固效果。且钢板的 防火防腐问题、粘钢胶的老化问题都不容忽视，给结构的长期安全性和耐久性埋 下隐患。 ( 4 ) 粘贴碳纤维布加固法 粘贴碳纤维布加固法是近十年来发展最快的加固新技术。它的加固原理与粘 钢加固法相同，但是，比粘钢加固法具有更好的形状适应性及防腐性，施工质量 容易得到保证，很受工程界欢迎，也是近年来研究的热点。目前其发展方向为嵌 入式和施加预应力的碳纤维加固，这方面的研究工作已在进行中。 碳纤维加固混凝土构件时，由于原混凝土面凹凸不平，即使用找平胶找平之 后，也难以完全补平，在粘贴碳纤维时，就可能有部分纤维与混凝土构件脱离， 不能很好的结合，而且碳纤维粘贴胶的弹性模量仅为2 5 0 0 m p a ，与粘钢胶相比， 和混凝土的弹性模量差距更大，构件受力时，特别是初期受力时，更难以发挥很 好的加固效果。实验证明，碳纤维加固梁的开裂荷载提高幅度最小，说明协同工 作能力比较低。同时，碳纤维加固的防火性能也是比较差的，碳纤维胶也存在老 化问题，对于结构的长期安全性和耐久性都无法保证。粘贴碳纤维布加固法也有 黏结胶老化问题，需要十年检查一次。同时，虽然碳纤维布强度比较高，但其厚 度很薄，总的加固作用较小，对于加固梁较大的工程不适用。 ( 5 ) 局部置换加固法 局部置换加固法是将混凝土构件强度较低的部分凿去，重新浇筑高强混凝 土。该方法对受压构件加固效果好，对于加固梁、板构件时可与其他方法配合使 用( 如受压区采用置换法，受拉区采用预应力加固法、粘钢或粘贴碳纤维布加固 法) 。 ( 6 ) 外包不锈钢网并粉刷聚合物砂浆加固法 这是近年来引进国外技术发展起来的方法。该方法对墙、柱等轴向受压构 件比较有效，对梁、板式构件效果要差些。 ( 7 ) 改变传力路径加固法 该方法一般会影响结构适用功能，但若条件许可，改变传力路径加固法是 最有效、最经济的加固方法。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 ( 8 ) 增设支点加固法 增设支点加固法是用增多支撑点来减小结构计算跨度，达到减小结构内力 和提高其承载能力的加固方法。增设支点加固法简单可靠，但是使用空间会受到 一定影响。适用于梁、板、析架、网架等水平结构的加固。 ( 9 ) 玻璃钢加固法 外贴玻璃钢加固法原理与粘贴钢板加固基本相同。玻璃钢是一种复合材料， 它具有与混凝土的线膨胀系数相近、比强度高、优良的电磁绝缘性等特点，可分 别在梁底面和侧面粘贴玻璃钢来增强钢筋混凝土梁的抗弯和抗剪能力，并且能改 善梁的变形性能。 ( 1 0 ) 高强不锈钢绞线网加固法 近年来，韩国爱力坚公司研制出一种采用高强不锈钢绞线网和渗透性聚合砂 浆的新型加固材料。该种材料具有强度高，易于施工，节点处理方便，耐火、耐 腐蚀等优点。试验研究表明：采用高强不锈钢绞线网和渗透性聚合物砂浆对混凝 土结构进行抗弯及抗剪加固均可取得很好的加固效果，不仅抗弯承载力和抗剪承 载力可以得到显著地提高，而且抗弯刚度也能够得到显著地提高。 低预应力钢绞线在钢绞线安装时实施预张拉，使钢绞线中产生一定的张拉 力，从而给混凝土构件施加一定的预应力，当混凝土构件受力时，低预应力钢绞 线马上能够受力工作，从而解决加固材料受力滞后问题，使加固材料与被加固构 件的协同工作能力大大优于碳纤维加固、粘钢加固、传统的钢绞线网片聚合物 砂浆外加层加固等方法，更好的发挥加固作用。 预应力钢绞线与非低预应力钢绞线最大的区别就在于其安装过程，传统的非 预张拉钢绞线安装时只采用张紧器进行简单拉直，无法保证每根钢绞线均达到绷 紧状态，也无法知道钢绞线中的拉力达到多少，而预张拉钢绞线通过对每根钢绞 线施加足够的张拉力，一般不小于钢绞线拉力位移曲线的弹性起点拉力。 低预应力钢绞线由于对结构施加了一定的预应力，提高了钢绞线与被加固构 件的共同工作能力，从而延缓了构件开裂的时间，提高构件的开裂荷载。 预张拉钢绞线通过特制的固定结和固定板安装于被加固构件上，固定结和固 定板的设计强度能够满足钢绞线的设计拉力要求，所以在被加固构件受力破坏 后，低预应力钢绞线仍然保持受力状态，这种特性使得被加固构件受到外力约束， 不会很快垮塌，这对于地震中保证结构安全性十分有利。 4 第1 章绪论 1 3 研究现状综述 1 3 1 碳纤维布加固梁的试验研究 碳纤维( c f 即) 用于结构加固始于八十年代日、美等发达国家，特别是在日 本阪神大地震后，应用逐渐广泛。1 9 8 2 年，文献【8 】首先在瑞士联邦材料实验室 ( e m a p ) 进行了c f r p 加固混凝土的试验研究。1 9 9 1 年，美国混凝土协会( a c i ) 成立了专业委员会( a c l 4 4 0 ) ，并于1 9 9 3 年在加拿大温哥华组织召开了第一届 c f r p 增强钢筋混凝土结构的国际会议，此后该会议每两年举办一次。日本在 c f r p 方面的研究、开发和应用一直占领先地位，并编制了各种设计手册、施工 指南和规范等。美国利用c f r p 对混凝土结构的加固是在2 0 世纪8 0 年代后期， 1 9 9 6 年后便广泛应用于洛杉矶g l e n d a l e 高速公路的桥梁等工程，特别是旧金山、 洛山矶地震后，美国的j r c i 公司在1 9 9 8 年应用f r p 加固了3 4 8 0 座混凝土桥墩。 该技术在日本自1 9 8 6 年第1 次被用于对结构进行加固后，被广泛用于公路桥面 板、桥墩、码头、隧道、烟囱和房屋等混凝土工程，如h a t a 桥、h i y o s h i k u r a 桥 面、n i k k u r e y a m 隧道、y o s h i n o 隧道等工程。1 9 9 7 年我国国家工业建筑诊断与改 造工程技术研究中心在国内率先开始了碳纤维材料加固修补混凝土结构试验研 究开发及应用，且被定为国家“九五”重点科技攻关项目，采用进口材料在北京、 上海、江苏等地区完成了一些粘贴c f r p 加固的工程项目，取得较好效果。例如， 南京新街口百货商店改造工程、广州滨湖花园加固工程、上海展览中心中央大厅 主体加固工程、广西崇左盐业仓库、平煤集团八矿洗煤厂等工业民用建筑。北京 北四坏路高架桥、哈尔滨市东直桥、枣庄市十字河大桥、宜昌市丁家坝大桥、德 州市武城大桥、广东曲海大桥福建列东大桥、山东韩庄闸公路桥等桥梁工程的加 固项目中广泛应用了c f r p 粘贴技术。 自1 9 9 7 年以来，以东南大学、国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、 清华大学为代表的高等院校和科研机构对c f r p 加固混凝土结构进行了较为系 统的研究，并取得了一系列的成果。此外，我国于2 0 0 3 编制了“碳纤维片材拥固 修复混凝i 二结构技术规程”【9 】。 在承载能力计算方法上，假设碳纤维布与混凝土不剥离；假设加固梁满足平 面变形假设；假设不计混凝土受拉区的作用；受压区采用钢筋混凝土结构承载能力 计算时采用的混凝土压应力一应变曲线( 但各方法采用的曲线模式不同 1 0 - 1 3 1 ：钢筋 应力一应变关系采川理想的弹塑性模型或强化模型【1 4 - 1 9 。在上述假定的基础上， 提m 了碳纤维布加同梁住不州破坏形态下承载力的简化公式，这些破坏状态主要 包括：纵筋屈服后混凝士压坏；纵筋屈服后碳纤维托断；纵筋屈服前，混凝土 北京t 业大学t 学硕十学何论文 压坏【2 0 】。在上述假设条件下，对承载能力的计算，目前各家研究成果意见基本统 一。国内外不少学者 2 1 - 2 5 采用有限元法对碳纤维布加固钢筋混凝土受弯构件的受 力特性进行了计算机仿真分析。 文献 2 6 - 3 9 对碳纤维布加固钢筋混凝土梁的粘结破坏与剥离机理进行研究，并 对锚固措施的形式及锚固效果进行了探讨。m i h c a e l j c h a j e 4 0 l 通过试验讨论了表面 处理方法、胶的选择以及混凝土强度对粘结强度的影响，并对应力传递规律进行 了分析。试验结果表明：表面处理对粘结强度的影响较大，机械打磨混凝土表面 可以得到最佳的粘结能力( c f r p 表面也要处理) ：对胶的选择要考虑平均剪切强 度、适用期、胶的各部分配比的敏感性、施工时的粘度及经济性；如果粘结破坏 是由混凝土的剪切破坏引起的，那么粘结强度与在( c p 为圆柱体抗压强度) 成正比； 在使用荷载附近，c f 二布沿着粘结长度的应变分布接近线性分布，即剪力传递 是均匀的；粘结界面有一粘结长度限值( 有效粘结长度) ，即使粘结长度超过此限值 也不能提高粘结承载力，即应力传递只发生在一定长度内，超过该长度的其余粘 结部分只传递非常小的粘结剪力。 k b r o s n e s v 4 1 通过非线性断裂力学理论提出了有效粘结长度的计算方法：可 传递极限剪力气，其中t 为c f r p 布的宽度，g 为断裂能，e e j 为c f l 绪论布的弹 性模量，c t i 为c f r p 布的厚度；同时提出了混凝土与c f r p 布粘结剪应力与滑的 双线型关系曲线及各关键点的计算方法。 t u d e a l 4 2 1 在试验研究的基础上得出以下结论：粘结长度超过1 0 0 后，随着粘 长度的增加，可传递的最大剪力几乎不变；随着c f 即布刚度增加，粘结强度增加， c f 即布应变梯度降低，c f r p 布的刚度为c f 布弹性摸量与厚度的乘积；c f r p 布 宽度减小，粘结强度增加；在受偏心荷载作用时，最大应变处发生破坏时的极限 应变轴心受载时相同；加钢板锚固可提高粘结强度；最大局部粘结应力 x m a x = 0 1 9 t c f e 。f 5 _ 7 3 m p a 其中，c t 为c f r p 布的厚度，e 为c f r p 钷的弹p i 模量。 牛赫东等人用有限元和断裂力学知识分析了c f r p 布和混凝土之问的粘贴 滑移，另外很多学者【舛4 7 】针对粘贴破坏机理，承载力计算进行了试验研究和理论 分析。p l e v r i s l 等人用c f r p 来加固木结构，并研究了它的徐变性能。s h a h a w a y 4 8 】 等人对f r p 加固后混凝土结构的疲劳性能进行了研究。s h a r i f l z 4 9 j 等人对c f r p 加固已承受一定荷载的结构的性能进行了研究。s e n a n d s h a r i f l z s 酬等人对c f r p 加固各种环境下混凝土结构的耐久性进行了研究。 1 3 2 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固的试验研究 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆是韩国爱力峰公司研究丌发的一类新 型加固材料。其主要包括高强不锈钢绞线编织成的钢绞线网和渗透件聚合物砂 6 第l 章绪论 浆，这些材料的生产全部是在工厂进行流水线作业，然后运送到施工现场进行加 固施工。高强不锈钢绞线网及聚合砂浆用于结构加固有以下优点：耐火、耐腐蚀、 耐老化，由于渗透性聚合物砂浆为无机材料，它不存在结构胶等有机加固用材的 老化、不耐高温等问题，也不存在粘钢加固中钢材的腐蚀、老化问题；高强钢丝 强度高，对结构自重增加少；易于施工，在结构加固的过程中不影响建筑的使用， 对工作面没有平整要求，结点处理方便，可以加固有缺陷或强度低的混凝土结构。 由于这些优点，使得这种新的加固技术在建筑、桥梁等加固领域有广阔的应用前 景。国内对此项技术的加固研究刚刚起步。 韩国汉城产业大学【5 卜5 4 】曾做过系列试验，对渗透性聚合砂浆的性能，高强不 锈钢绞线的抗拉强度及弹性模量，以及利用高强钢绞线加固的混凝土板在反复荷 载下的刚度进行了相关的研究，研究结果表明，这种加固技术有很好的应用前景。 在韩国，爱力坚公司已经将该加固技术应用到一系列的桥梁加固工程中。 国内，清华大学聂建国教授、蔡奇【5 5 】和王寒冰 5 6 】等主要进行了采用高强绞 线对梁进行抗弯和抗剪加固的研究，他们一共做了两组试验，第一组主要是用钢 绞线对梁进行抗弯加固，第二组主要是对梁进行抗剪加固。每一组都有一未加固 梁做对比梁，两根一次受力加固试验梁和两根二次受力加固试验梁组成在其后续 工作中，分别给出了加固梁的抗弯抗剪承载力计算公式，并且也给出采用钢绞线 加固梁的截面的抗弯刚度计算公式，抗弯加固和抗剪加固后最大裂宽度和考虑梁 的剪切变形的挠度计算公式。 1 3 3 钢板加固梁的试验研究 和钢筋混凝土梁的斜截面抗剪承载力的研究一样，粘贴钢板对钢筋混凝土梁 进行抗剪加固的机理分析不是非常成熟，主要停留在以大量试验为基础的研究 上。近年来，国内进行粘钢加固的抗剪试验研究和有关的理论分析主要有： 申屠龙美、蒋金生【5 7 】对低强度等级钢筋混凝土梁的粘钢加固进行试验研究， 认为只要采用适当的加固方案，粘贴钢板能够与梁共同工作，并显著提高其承载 能力。 刘狠f 扛、朱们龙f 5 ；j 根据弹性梁理论和部分组合截面理论，对粘钢加固梁推导 出了钢板与混凝土之问粘结剪应力和法向应力的解析解，还给出了钢板应力和加 固梁挠度的解析解。 歹默林、马颖叩对采用胶粘、膨胀螺栓锚固和胶栓共同粘锚三种方案进行 加固梁抗疲劳性能研究，结果表明静力荷载作用下三种方法均能满足规范强度计 算的要求，而只有胶栓共同粘锚加固法能满足中级工作制吊车梁的抗疲劳要求。 王天稳【6 1 】对钢筋混凝土梁斜截而粘钢加同的合理粘贴和锚固方式进行了试 北京t 业大学t 学硕十学何论文 验研究。 曹双寅【6 2 】对粘钢加固梁的锚固性能进行专门的试验研究，认为足够的锚固长 度能保证共同工作，但延性较差；法向应力的存在，使得需要采取附加措施来保 证不产生径向应力的破坏。 刘瑛唧】通过对粘钢加固钢筋混凝土框架梁在低周反复荷载作用下的试验研 究，分析了粘钢加固梁的受力性能，初步提出了加固框架的抗剪承载力计算公式 和对现行施工方法的改进建议。 1 4 存在的主要问题及本文研究的主要内容 1 4 1 存在的主要问题 体外预应力加固混凝土结构在正常使用极限状态和承载力极限状态下的性 能是设计关注的重要问题，而在我国的现行规范中还没有提出一种有效的计算方 法。而大部分国外规范都是以大量试验数据为基础建立起来的。 由于结构试验中大多为小尺寸试验，而在极限状态下结构处于材料和几何非 线性状态，对于实际结构的模拟有一定的误差；同时构件的形式、数量、材料都 不可能包含所有可能的预应力加固结构的规律，由此推导的试验结论对于规范条 款的建立存在一定的局限性。 1 4 2 本文研究的主要内容 采用钢绞线加固混凝土结构的方法在国内外都尚处于初步研究阶段，缺乏试 验研究数据，目前在实际工程中很少使用。由于该方法具有一些明显的优点，为 了使其能早日在土木工程领域推广应用，应进行这方面的研究与理论分析。为此， 本文对采用钢绞线防腐砂浆加固混凝土梁的抗弯性能进行了试验研究，本文主要 完成以下几个方面的工作： 1 进行在梁底配置钢绞线加固钢筋混凝土梁受弯性能和破坏特点的试验研 究： 2 在试验研究的基础上，提出与本试验数据吻合良好的钢绞线加固钢筋混凝 土梁的正截面受弯承载力计算公式和截面抗弯刚度公式、裂缝计算公式； 3 运用有限元软件模拟钢绞线加固梁的受力情况，为定量的分析钢绞线加固 混凝上梁的力学性能提供了比较完整的计算数据。 第2 章碳纤维加同、粘钢加同、低预应力与传统钢绞线r c 梁受弯试验 第2 章碳纤维加固、粘钢加固、低预应力与传统钢绞 线混凝土梁受弯试验 2 1 试验概况 2 1 1 试验梁的设计 试验梁均为矩形截面简支梁，各梁设计尺寸、配筋均相同。试件的截面尺寸 为2 0 0 m m x 4 0 0 m m ，跨度3 2 0 0 r a m ( 净跨2 8 0 0 r a m ) ，受拉钢筋为9 2 0 的i i 级螺纹钢 筋，架立筋为( p 1 2 的i i 级钢筋，箍筋为( p 8 的i 级钢筋，箍筋间距纯弯段为2 0 0 m m ， 其余梁段为l o o m m 。混凝土采用c 3 0 商品混凝土，保护层厚度为2 5 m m 。配筋 及尺寸如图2 - 1 。 图2 - 1 加同试验标准梁配筋 f i g 2 - 1d e t i a ld r a w i n go fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s 采用四种方式对试验梁进行加固，分别为：碳纤维加固、粘钢化学锚栓加 固、传统钢绞线网片一聚合物砂浆外加层加固、低预应力钢绞线网片聚合物砂浆 外加层加固。具体加固方法见表2 - i 9 北京t 业大学t 学硕十学化论文 表2 1 试件一览 t a b 2 一is p e c i m e nl i s t 编号加同方法加同内容 l l ，l 2低预应力张拉钢绞做法同非低预应力张拉钢绞线加同，不过在梁端头安装了特 线网片聚合物砂浆殊的钢绞线固定板，安装时实施低预应力张拉。 夕 加层力口同 l 3 ，l 4 传统钢绞线网片聚 梁底做1 2 根妒5 2 0 钢绞线网片，聚合物砂浆厚度共计 合物砂浆外加层加3 5 m m ，梁两端设置1 0 0 宽的钢绞线网片聚合物砂浆“口” 固宁型封闭箍。 l 5 ，l 6 碳纤维加同 梁底通长粘贴双层3 0 0 9 碳纤维布，同梁宽，梁两端设2 0 0 宽单层2 0 0 9 碳纤维稚“口”宁型封闭箍。 l 7 ，l 8 粘钢加固 梁底粘贴2 0 0 m m 宽4 m m 厚q 2 3 5 钢板，钢板上每隔4 0 0 m m 设置m 1 2 化学锚栓一套，梁两端设置4 m m 厚1 0 0 m m 宽“口” 宁型封闭钢板箍。 l 9 ，l 1 0未加同 ( 1 ) 碳纤维加固梁：梁底通长粘贴双层3 0 0 9 碳纤维布，同梁宽，梁两端设 2 0 0 宽单层2 0 0 9 碳纤维布“口”字型封闭箍。 0 0 图2 2 碳纤维加固梁 f i g 2 2d e t i a ld r a w i n go fc f r cc o n c r e t eb e a m s ( 2 ) 粘钢加固梁：梁底粘贴2 0 0 m m 宽4 m m 厚q 2 3 5 钢板，钢板上每隔4 0 0 m m 设置m 1 2 化学锚栓一套，梁两端设置4 m m 厚1 0 0 r a m 宽“口”字型封闭钢板箍。 0 0 图2 3 粘钢加刚梁 f i g 2 3d e t i a ld r a w i n go fs t e e lp l a t ea n c h o r e dc o n c r e t eb e a m s ( 3 ) 传统非低预应力钢绞线网片聚合物砂浆外加层加固：梁底做1 2 根 1 0 绞线加固，不过在梁端头安装了特殊的钢绞线固定板，安装时实施低预应力。 图2 5 低预应力钢绞线网片聚合物砂浆外加层加固梁 f i g 2 5 l o w e rp r e - t e n s i od e t i a ld r a w i n go fr e h a b i l i t a t i o no fr cw i t hs t a i n l e s ss t e e lw i r e m e s ha n dp e r m e a b i l i t yp o l y m e rm o r t a rc o n c r e t eb e a m s 2 1 2 试验梁的制作 试验梁浇筑所用混凝土设计强度等级为c 3 0 ，同批浇注的试验梁均留有3 块 15 0 m m l5 0 m m xl5 0 m m 的混凝t 立方体试块和3 块7 0 7 m m x 7 0 7 m m x 7 0 7 m m 的 妙浆立方体试块，试块与梁在同等条件下养护，并留有钢筋作拉伸试验，测定屈 服强度和极限强度。分析计算时取混凝土试块和钢筋的实测平均值( 材料试验) ， 混凝土和钢筋的力学性能见表2 2 - - 2 3 。 北京t 业大学t 学硕十学似论文 表2 - 2 混凝士的力学性能 t a b 2 - 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o n c r e t e 表2 - 3 钢筋的力学性能 t a b 2 - 3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e lb a r s 表2 4砂浆材料试验 t a b 2 - 4m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp e r m e a b i l i t yp o l y m e rm o r t a r 表2 - 5钢绞线实验数据 t a b 2 - 5m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e l s 1 2 第2 章碳纤维加同、粘钢加同、低预麻力与传统钢绞线r c 梁受弯试验 表2 6 碳纤维布实验数据 t a b 2 6m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc f r p ( 1 ) 碳纤维梁的制作 图2 - 6 梁底粘贝占碳纤维布 f i g 2 - 6b e a mb o t t o mc a r b o nf i b e rs h e e t 图2 7 梁端粘贴碳纤维布 f i g 2 7c a r b o nf i b e rs h e e tb e a me n d 1 3 北京7 1 1 4 大学丁学硕十学位论文 ( 2 ) 粘钢加固梁的制作 图2 - 8 梁底粘贴钢板( 1 ) f i g 2 - 8p a s t et h es t e e lb e a m b o t t o m ( 1 ) 图2 - 9 梁底粘贴钢板( 2 ) f i g 2 9 p a s t et h es t e e lb e a mb o t t o m ( 2 ) ( 3 ) 传统钢绞线加固梁的制作 图2 1 0 钢绞线安装( 1 ) f i g 2 - 1 0 w i r er o p ei n s t a l l a t i o n ( 1 ) 1 4 第2 章碳纤维加同、粘钢加同、低预应力与传统钢绞线r c 梁受弯试验 图2 1 1 钢绞线安装( 2 ) f i g 2 11 w i r er o p ei n s t a l l a t i o n ( 2 ) 图2 1 2 钢绞线压抹聚合物砂浆后 f i g 2 12 w i r er o p ep r e s s u r ea f t e rw i p i n gp o l y m e rm o r t a r ( 4 ) 低预应力钢绞线加固梁的制作 图2 1 3 低预应力钢绞线安装 f i g 2 13i n s t a l ll o w - p r e s t r e s s e ds t e e lw i r er o p e 1 5 北京t , l k 大学t 学硕十学位论文 图2 1 4 低预应力钢绞线安装完成 f i g 2 1 4l o wp r e s t r e s s e ds t e e lw i r er o p ei n s t a l l e d 2 1 3 试验的前期工作 (