（交通运输工程专业论文）截面转换加固钢筋砼t或π型梁桥技术研究.pdf

摘要 现今，主要发达国家公路交通建设都以现有桥梁的改造和重新利用为主，我 国在今后的公路桥梁建设中，旧桥加固将占据越来越重要的地位。在我国现有桥 梁中，以简支t 型梁桥为代表的梁式桥无论在绝对数量上还是在比例上均排在前 列，因此针对简支t 梁桥提出新的加固理论、技术具有重大的意义。本文提出了 一项钢筋砼t ( 或兀) 型梁桥加固技术截面转换加固钢筋砼t ( 或，【) 型梁桥 技术。 第一章诸论部分简要论述了我国交通发展、1 日桥加固现状，提出了课题研究 的主要内容以及创新点；第二章国内外研究现状部分概述性描述了现在广泛采用 的桥梁加固技术和研究成果；第三章深入分析了截面转换加固钢筋砼t ( 或) 型 梁桥的技术和加固机理：混凝土箱形的抗扭性能、截面转换加固技术机理；第四 章模型试验是在明确机理的前提下进行的几片模型梁加固试验及配套试验，从中 来验证了新增设的钢筋砼底板与原主梁刚性联结构成箱型结构的力学行为，大大 改善了原桥的受力性态，较大幅度的提高了原桥承载能力；第五章简要介绍了截 面转换加固钢筋砼t ( 或丌) 型梁桥技术的设计理论与方法以及施工工艺；最后通 过介绍该加固方法的应用工程示范及技术、经济效果评价，进一步论证了此加固 方法在工程实际中可得到广泛应用。 关键词：截面转换t ( 或兀) 型梁桥加固技术原理 a b s t r a c t i nt o d a y sw o r l d , t h em a i nm a do fh i g h w a yc o n s t r u c t i o na l et h et r a n s f o r m a t i o na n d r e - u s eo ft h ee x i s t i n gb r i d g ei nt h em a jo rd e v e l o p e dc o u n t r i e s i nt h ef u t u r eo fc h i n a s b r i d g ec o n s t r u c t i o n , t h eo l db r i d g er e i n f o r c e m e n tw i l lo c c u p ya l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t p o s i t i o n i no r re x i s t i n gb r i d g e s ，t h eb e a mb r i d g er e p r e s e n t e db ys i m p l ys u p p o r t e d t - b e a mb r i d g eb o t ho fi nt e r m so fa b s o l u t en u m b e r so ri nt h ep r o p o r t i o ni so nt h et o p l i n e s of o rt h es i m p l ys u p p o r t e dt - b e a mb r i d g e ，p r o p o s e dan e wr e i n f o r c e m e n tt h e o r y h a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e i n f o r c e dc o n c r e t et ( o r 枘- b e a m b r i d g es t r e n g t h e n i n gm e t h o d s t h et e c h n i q u eo fs e c t i o n - c o n v e r s i o nt os t r e n g t h e n r e i n f o r c e dc o n c r e t et ( o r7 d b e a mb r i d g e c h a p t e r1i n t r o d u c e sb r i e f l yt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s et r a f f i ca n dp r e s e n t st h e s t u d yc o n t e n t o ft h i s p a p e r c h a p t e r2s u m su p t h em a i n m e t h o d so fb r i d g e s t r e n g t h e n i n gi nu s en o wa n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t c h a p t e r3a n a l y s e sd e t a i l e d l yt h e m e c h a n i s mo ft h et e c h n i q u eo fu s i n gs e c t i o n - c o n v e r s i o nt os t r e n g t h e nr e i n f o r c e d c o n c r e t et ( o r7 d b e a mb r i d g e c h a p t e r4d e s c r i b e sm a i n l yt h em o d e le x p e r i m e n ta n d i t sd a t aa n a l y s i s ，as i g n i f i c a n ti n c r e a s ec o m p a r e d 丽mt h eo r i g m a lb r i d g ec a r r y i n g c a p a c i t y c h a p t e r5b r i e f l yd e s c r i b e st h et e c h n i q u eo fs e c t i o n c o n v e r s i o nt os t r e n g t h e n r e i n f o r c e dc o n c r e t et ( o r7 c ) - b e a mb r i d g e ，d e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d s f i n a l y ，b yt h e i n t r o d u c t i o no ft h er e i n f o r c e m e n tm e t h o do fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n g m o d e l ，a n df u r t h e rr e i n f o r c et h i sm e t h o di sa p p l i e dt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：s e c t i o n c o n v e r s i o n ；t ( o r 兀) 一b e a m ；s t r e n g t h e n i n g ；t e c h n i c a lp r i n c i p l e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：沙7 年r z 月心日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 二l 厶 盆。 学位论文作者签名：搠 荔芝， 同期：2 鲫7 年、秒月7 f 日 指导教师签名： 日期： i 胡旷日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 我国桥梁建设现状 桥梁是公路的咽喉，安全、便捷、快速的公路交通运输系统是国民经济发展的命 脉。自从二十世纪七十年代末以来，我国的交通建设一直面临新建任务繁重，旧桥加 固改造任务紧迫的局面。在现已投入使用的众多桥梁中由于各种原因，其使用状况令 人担忧。现今，主要发达国家公路交通建设都以现有桥梁的改造和重新利用为主，我 国在今后的公路桥梁建设中，旧桥加固将占据越来越重要的地位。在我国现有桥梁中， 以简支t 型梁桥为代表的梁式桥无论在绝对数量上还是在比例上均排在前列，因此针 对简支t 梁桥提出新的加固理论、技术具有重大的意义。 1 1 2 在役桥梁安全问题 桥梁一方面是公路的咽喉，其承载力更是沟通公路全线的关键，全国的五十余万 座公路桥梁是加快我国现代化建设步伐的希望之桥、幸福之桥。另一方面，桥梁这种 跨江、跨海、跨深谷的特殊结构一旦发生安全事故后果不堪设想。 仅二o o 七年一年间已经发生了多起震惊世界的桥梁悲剧、留下了惨痛的教训。 2 0 0 7 年5 月9 日中午1 2 时5 0 分许，江西上饶铅山县鹅湖镇十跨片石拱桥傍罗 大桥在一声轰隆声中倒塌，大桥瞬间只留下九个残破不堪的桥墩斜立在河中；2 0 0 7 年6 月1 5 日晨，一艘大型运沙船撞向3 2 5 国道上的九江大桥桥墩，造成九江大桥百 多米桥跨坍塌，事故造成4 辆汽车坠江，肇事船上两人受轻伤，另有8 人死亡1 人失 踪；2 0 0 7 年8 月1 日当地时间下午六时左右，美国明尼苏达州明尼阿波利斯市在交 通高峰期间3 5 号州际公路一座公路大桥发生坍塌，约5 0 辆汽车坠入河中，造成1 3 人死亡、7 0 多人受伤；2 0 0 7 年8 月1 3 日下午4 时4 0 分，位于湖南凤凰县至贵州铜 仁地区大兴机场的二级公路堤溪段的沱江大桥发生坍塌事故，6 4 人死亡、2 2 人受伤； 2 0 0 7 年9 月1 日，巴基斯坦南部城市卡拉奇一座刚建成不久的桥梁坍塌，目前已经 造成至少6 人死亡、多人受伤，还有多辆汽车被压在桥底下，扭曲变形；2 0 0 7 年9 月1 0 日晚间，印度南部安德拉省首府海得拉巴市区一座新建中的高架桥突然崩塌， 压毁十五至二十辆汽车，约三十人罹难，另有二十多人受伤；2 0 0 7 年9 月2 6 日上午 8 点，越南南部一座正在建设中的大桥突然坍塌，造成至少5 2 人死亡、1 5 0 人受伤 第一章绪论 囤11 湖南省湘西自治州凤凰县埋溪沱江大桥“81 r 特别t 大坍塌 f i g 1 i x l a n g x iv e n g h u a n g i n hl m a n t u o r a v e r b r i d g e ”8 1 3 ”p a r t i c u l a r l ys i 辨i f i e a mc o l l a p s e 圈l2 广东南海九江大桥被船撞断 f i g 1 2 g u m g d o n g n a n h a ij i u j i a n g b r i d g e w 拈c r a s h e db us h i p 第一章绪论 圈13 美国明尼苏达州明尼阿波利斯市1 - 3 5 w 密西西比河大桥 f i g 1 3 m i n n e a p o l i s ，m i e s o 乜1 - 3 5 w m i s s i s s i p p i r i v e r b f i d g e i n a m e r i c a n 沉痛的教训使人们认识到桥梁的安全性不仅仅是建设期闻的质量控制问题，更 是全社会关注的重大问题。在交通建设中，既要实现公路桥梁的建设目标安全、 畅通、高效益和低成本，又要对建成的桥梁加强日常管理和养护，预防发生病害，使 用期间及时根治缺陷、加固维修保养保证其持续安全运营。确保桥粱结构在建设、投 入使用、最终完成其使命的整个寿命期间，能够保证结构、运行荷载和人员的安全， 以合理的经济成本维持自身较高的服务水平和通行能力，并满足持续增长豹需要。 道路和桥梁的诸多问题和缺陷，不仅威胁公共安全而且给国民经济造成巨大损 失。根据“美国国家运输调查组织”t r i p 的赘料，由于道路拥挤，美国驾车人每年浪 费的时间达3 7 亿个小时。浪费的时问和燃料价值6 3 0 亿美元。可见，在不中断交通 的情况下通过桥粱加固，确保桥梁营运畅通，具有积极的现实意义。 1 1 3 在役桥梁使用状况 中国国家统计局2 0 0 2 年2 月6 日公布的第二次全国公路普查主要数据公报 数据显示【l 】：我国已建成的2 7 88 0 9 座桥粱中有95 9 7 座被定性为危桥，更有1 力以上 的桥粱存在结构性缺陷或不同程度的功能性失效隐患。广东省2 0 0 0 年普查结果表明： 1 80 0 0 多座桥梁中有40 0 0 多座承载力不足。河南省则在干线公路就有危桥1 8 1 座 在美国，2 0 0 6 年美国联邦公路局的统计报告显示，全美有大约1 2 的桥梁被鉴 定存在“结构性缺陷”，其中有一些还是上个世纪9 0 年代初才建造的。已经运行了5 0 年的美国国家公路系统难以承担不断增加的交通量。根据“美国公路和运输官员协 会”提供的数据。在1 9 5 5 年这个系统承载了65 0 0 万辆小汽车和卡车。现在，这个系 4 第一章绪论 统承载车辆数目增加了近3 倍，达到2 4 6 亿辆。根据美国联邦政府的数据，美国大 约6 0 00 0 0 座重要桥梁的近1 4 ，负担的交通量均超过了它们设计值。美国全国长度 超过2 0 英尺的桥梁，有2 4 5 存在“结构上的缺陷”或“功能过时”问题。 表1 1 美国公路桥梁缺陷率( 1 9 5 0 - 1 9 9 5 ) 2 1 t a b l e 1d e f e c tr a t eo f t h eu s h i 曲w a yb r i d g e ( 1 9 5 0 - 1 9 9 5 ) 桥梁类别总量( 座)缺陷桥梁数量( 座)缺陷率( ) 钢筋砼桥 9 1 8 8 6 6 0 2 7 6 6 预应力桥 8 8 3 0 43 2 1 23 3 钢桥 1 1 8 4 2 42 2 9 2 81 9 4 木桥 2 7 8 1 7 】3 1 9 9 4 7 4 其它 1 3 0 92 1 11 6 _ 3 合计3 2 7 7 4 04 5 5 7 71 3 9 造成以上情况的原因主要有以下四个方面： 旧有设计标准偏低。我国现有桥梁中，有较大一部分桥梁的桥龄处于2 0 至 5 0 年之间。在这些桥梁中，除按1 9 7 2 年交通部颁布的公路工程技术标准( 试行) 和1 9 8 1 年以来按部颁布的公路工程技术标准( j t j 8 1 ) 及1 9 8 5 年公路桥涵设 计通用规范( j t j 0 2 1 8 5 ) 设计建造的桥梁尚能满足近期交通量外，在此之前特别是 桥龄超过3 0 年的桥梁，由于设计标准偏低大多数现已存在承载力不足的问题或是老 化、破损、裂缝等病害。 交通量的迅猛增长。据统计，我国1 9 9 9 年公路运输货运量是1 9 8 0 年的2 6 倍，周转量则是1 9 8 0 年的7 6 倍，增长速度极其迅猛。另一方面，我国公路运输的 吨位和轴荷均有较大的增加。交通量的猛增使得桥梁的负荷加重，较大一部分桥梁的 实际交通量已远远超过设计值。例如，牛角沱嘉陵江大桥现日夜交通量己超过4 万辆， 远远大于设计交通量，加速了桥梁的老化。 桥梁建设质量尚存在问题。桥梁的安全建设离不开设计、施工、监理、监控 等众多环节的紧密配合和严格把关，任一环节出问题都将影响桥梁的建设质量。然而， 我国桥梁建设并非每一地区都处于正常程序的建设阶段，特别是重庆綦江“虹桥事件” 发生之前，一些地区桥梁建设常采用非正常程序建设，导致桥梁建设质量严重下降， 许多地方刚竣工的桥梁即发生严重病害的情况时有发生。上述情况也是导致桥梁承载 力不足的一个重要原因之一。 超重、超限车辆损坏桥梁。桥梁的荷载应在设计标准范围内，如是特殊荷载 ( 超重、超限荷载) 应采取临时加固措施，在严格监护的条件下过桥，否则将会对桥 第一章绪论 5 梁造成严重的损害。然而，实际上许多超重荷载常在夜间偷行，造成桥梁的承载力严 重下降。例如，河北省某干线公路，曾发生一夜之间超重车损坏5 座桥梁的事件。 1 2 课题研究内容 通过本项目的研究，针对钢筋砼t 型梁和兀型梁桥提出科学、安全、客观、经 济、快速、美观的加固增强技术，一方面可避免废弃旧有桥梁、重建新桥而节约大笔 建设资金，另一方面可大大缩短工期，保证路线的早日通车。通过本课题的研究，为 我国现有桥梁中占绝大多数的相同类型桥梁的加固整治开辟一条新路，为国家的交通 运输基础建设节省大笔建设资金，并消除公路桥梁的安全隐患。 本课题主要研究内容包括以下几个方面： 截面转换加固钢筋砼t 型和兀型梁桥的加固机理研究 本课题的核心研究内容在于通过理论研究和分析，明确截面转换加固钢筋砼t 型和兀型梁桥作用机理。 截面转换加固钢筋砼t 型和冗型梁桥模型试验研究 在截面转换加固钢筋砼t 型和7 c 型梁桥机理分析和研究成果的基础上，通过室 内模型试验检验理论研究成果。 截面转换加固钢筋砼t 型和冗型梁桥设计技术研究 在机理和模型试验的基础上，提出了截面转换加固钢筋砼t 型和冗型梁桥的计 算、分析和设计方法。 截面转换加固钢筋砼t 型和7 1 ；型梁桥施工技术研究 为了将截面转换加固钢筋砼t 型和7 r 型梁桥技术运用于桥梁改造、整治的工程 实践，对该技术的关键施工技术进行了研究。 在桥梁加固增强的工程实践中完善截面转换加固钢筋砼t 型和7 c 型梁桥的应 用关键技术 将截面转换加固钢筋砼t 型和7 c 型梁桥技术运用于近十座桥梁加固的工程实践， 一方面将科技成果转化为生产力，为经济、社会的发展创造效益；另一方面，在实践 中进一步完善本项加固技术。 1 3 主要创新点 针对钢筋混凝土t 型和7 1 ：型梁桥的特点，首次提出了截面转换加固钢筋砼t 型和冗型梁桥作用机理。 首次完成了截面转换加固钢筋砼t 型和兀型梁桥技术室内模型试验，验证了 理论研究成果的正确性。 首次提出了截面转换加固钢筋砼t 型和7 c 型梁桥技术的设计和施工关键技 术，为大规模推广本项技术打下了坚实的基础。 第二章国外外研究现状 第二章国内外研究现状 粱桥是我国应用最为广泛的桥型之一，在全国范围内占有较大的比重。早期修建 的粱桥，特别是5 0 7 0 年代修建的梁桥，由于当时交通最小，修建时技术标准普遍 偏低、承载能力较小；但随着交通量的不断增大，特别是近期一般干线公路均要求达 到汽- - 2 0 级，挂一】0 0 荷载标准，原来修建的桥梁大多数发生承载力不足现象，急待 加固增强。相应，实践中也出现了各种各样的梁桥加固技术。口1 2 1 增大截面法 对于受力主钢筋面积不足或截面尺寸偏小的粱桥上部结构，可采用增大构件截面 的方法进行加固。增大截面法的主要选径有： 厅 珏藩 = = c j c 芏 圈21 增大截面法示意图 f i 9 2ld i a g r a m o f i n c r e a s i n gc t o s s - s e c t i o n m e t h o s 增焊主筋法，当结构主筋应力超限，而桥下净空受到限制时，可采用增加受 力主筋截面的方_ ；去加固，具体做法为先将混凝土保护层凿开，增补纵向钢筋或箍筋， 然后重作保护层。 加大主粱截面法，当桥梁上部构造截面面积过小、或高度不够而导致承载力不 足时，可采用将粱截面加宽、加高的方法来扩大截面，并在新混凝土截面中增设受力 钢筋。 桥面加厚法，将原有桥面铺装拆除，在桥面板上浇筑一层新的钢筋混凝土补强 层，以提高桥梁的抗弯刚度。 第二章国外外研究现状 7 锚喷混凝土法，当结构下缘的主拉应力超过容许值而出现裂缝时，可在结构外 缘锚挂钢筋网，然后喷射混凝土，锚喷混凝土可采用早强普通混凝土，如采用钢纤维 增强混凝土则加固效果更好。增大截面法如图2 1 所示。 增大截面法在小跨径梁板桥、拱桥及少量构件的补强应用中获得了良好的加固效 果，目前国内外在中小跨径桥梁中应用此法较多。该技术优点是施工操作方便，不需 搭设桥下支架，对水上交通没有影响。不足之处是桥面恒载的增大和新浇补强层的收 缩使t 梁底增加拉应力( 即收缩引起的内力重分布) 。如技术应用不当，有可能产生 相反的效果；增加了上部结构的自重，从而要求桥梁的墩台、基础较好，承载力较大； 而且施工难度较大，施工质量不易保证。因此，该技术对梁桥，特别是受拉区砼裂缝 宽度宽、钢筋用量少的梁桥具有一定的局限性。 2 2 粘贴加固技术 粘贴加固法是采用环氧树脂等化学粘结剂或锚栓将补强材料直接粘贴锚固于结 构受拉或薄弱部位的混凝土表面，使之与结构形成受力整体，用以代替增设的补强钢 筋，来提高结构的承载力和刚度。该方法基本不破坏原结构物、也几乎不增大原结构 的尺寸，而且施工快捷方便，对环境的干扰少，在国内应用较为广泛。 该技术目前在实践中常用的有粘贴钢板、粘贴玻璃钢和粘贴碳纤维技术，用于粘 贴加固法的补强材料有钢板、复合增强塑料g f r p ( 玻璃钢) 、c f r p 碳纤维( 板、布) 和钢丝网水泥浆片材等。 粘贴钢板加固技术能有效提高构件的抗弯、抗剪和抗裂性；但钢板易遭受大气、 污染的腐蚀，且在长期动载作用下钢板会产生剥离脱空，抗疲劳性能不理想。粘贴复 合增强材料f r p ( 玻璃钢、碳纤维) 比粘贴钢板更为高效，f r p 材料强度高、重量轻， 可设计性强，易于加工存储、运输，而且耐久性、耐腐蚀性较强，能适应各种形状的 结构，且抗疲劳性能较强；但f r p 材料各向异性，抗剪强度低，对施工要求较为严 格。钢丝网水泥是一种钢丝网增强的水泥复合砂浆，属于无机复合胶凝材料，加固时 只需用螺栓或钢筋将钢丝网锚固于原结构上，然后涂抹或喷涂一层水泥砂浆即可，钢 丝网水泥具有较强的抗拉强度重量比和较高的抗裂性、韧性、延展性和耐久性，施工 工艺简单，施工质量易于保证，加固层中的砂浆既是胶结材料也是保护层材料，适于 各种外形轮廓的构件加固。 2 2 1 粘贴钢板技术 粘钢加固是用建筑结构胶将钢板粘贴到构件需要加固的部位上，以提高构件承载 力的一种加固方法。它一般用于钢筋混凝土梁的受拉区加固，钢板和混凝土之间通过 粘胶层传递剪应力和正应力，以达到共同工作的目的。当前，粘钢加固已被广泛用于 8 第二章国外外研究现状 结构加固。 粘贴钢板法加固桥梁具有以下特点： 不破坏被加固原结构的外形； 施工工艺简单，质量易于控制； 工期短，是一种简便加固方法。 缺点是需配套的机械和工具，粘贴工序要求高，尤其是钢板的耐久性问题是至今 仍未完全解决。另外，对于主梁受拉区砼开裂、剥落，钢筋和砼间握裹力大大削落的 情况下，采用粘贴钢板技术加固桥梁其承载力提高幅度更小。 2 2 2 粘贴玻璃钢技术 采用粘贴玻璃钢技术加固梁桥具有不中断交通。施工过程简便，并且粘贴后对 原桥增加重量小等优点。但粘贴玻璃钢技术同样存在施工工序复杂，需配套机械和工 具等缺点。尤其是玻璃钢与钢筋、砼相比，其弹性模量偏小，是粘贴玻璃钢技术最大 的缺点。表2 1 是玻璃与钢筋、砼的弹模比较表。 表2 1 玻璃钢与钢筋、砼弹性模量比较 t a b l e 2 1t h ec o m p a r e do fg l a s ss t e e la n ds t e e l ，c o n c r e t ee l a s t i cm o d u l u s 玻璃钢 材料砼钢筋 环氧玻璃钢聚酯玻璃钢酚醛玻璃钢 弹性模量 ( x 1 0 4 m p a ) 1 - 2l 20 7 o 92 41 8 2 1 从表中数据可看出，由于玻璃钢与钢筋、砼相比，其弹性模量较小，只有发生 大变形后方能产生较大的力。因此，笔者认为，可采用玻璃钢封闭裂缝，以防止水汽、 有害气体侵入锈蚀钢筋，增加桥梁的耐久性；而把玻璃钢作为承重结构，加固桥梁则 非较佳的加固途径。【9 】 2 2 3 粘贴碳纤维技术 碳纤维材料的基本特性 碳纤维是一种高强、轻质的新型加固材料。碳纤维增强复合材料补强加固所采用 的基本材料是高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍固 化的碳纤维板或未经树脂浸渍固化的碳纤维布，统称碳纤维片材。将片材用专门配制 的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件需补强加固部位表面，树脂固化后与原 构件形成新的受力复合体，共同工作。 片材碳纤维材料的拉伸强度在( 2 4 0 0 3 4 0 0 ) m p a 之间，与普通碳素钢板拉伸强度 第二章国外外研究现状 9 2 4 0 m p a 相比，片材的拉伸强度是建筑钢材料的十几倍。片材碳纤维材料的弹性模量 依片材力学性能而不同，碳纤维片材依力学性能分成高模量、高强度和中等模量三类。 高模量碳纤维片材的弹性模量较高，但其伸长率较低。相比之下，碳纤维片材的单位 重比钢材低许多，说明碳纤维片材比强度极高。碳纤维的化学结构稳定，本身不会受 酸碱盐及各类化学介质的腐蚀，有良好的耐寒和耐热性。 配套树脂类粘结材料 混凝土结构加固修补配套树脂系统包括底层涂料，用于渗透过混凝土表面，促进 粘结并形成长期持久界面的基础；腻子用于填充整个表面空隙并形成平整表面以便使 用碳纤维片材；浸渍树脂或粘结树脂，前者用于碳纤维布粘贴，后者用于碳纤维板粘 贴。浸渍树脂或粘贴树脂是将碳纤维片粘附于混凝土构件表面并与之紧密地结合在一 起形成整体共同工作的关键，因此树脂同混凝土的粘贴强度大于混凝土的拉伸强度和 剪切强度。就公路混凝土桥梁用碳纤维片材加固技术而言，环氧树脂在不同施工环境 温度下固化性能有十分重要的意义，因为这涉及到粘贴工作质量与如何尽量减少桥上 正常交通中断时间紧密相关。采用专配的环氧树脂材料，在混凝土施工表面温度( 1 0 4 0 c ) 时，粘贴环氧树脂固化时间约1 5 小时以上，但粘贴后就可以使用的时间为4 5 分钟以上，专配的环氧树脂材料的这一性能是完全适合混凝土桥梁的加固工作。 粘贴碳纤维片材加固施工技术 1 ) 面层处理 混凝土表面的劣化层( 例如风化、游离石灰、脱模剂、剥离的砂浆、粉刷层：污 物等) 必须用砂轮机去除并研磨。用空气喷嘴、砂轮机与毛刷将待补强区的粉尘及松 动物质会除，用水洗净后，必须使其充分干燥。 2 ) 断面修复 将混凝土面层的不良部分( 例如剥落、孔隙、蜂窝、腐蚀等) 清除。若有钢筋外露 情形，必须先做好防蚀处理，再以强度相等或大于混凝土的环氧树脂砂浆材料修补。 裂缝以环氧树脂灌注。裂缝或打除部分若有漏水情形时，应先做好止水、导水处理。 3 ) 表面修正 以切割机或砂轮机将其铲除并使其平滑。凹陷部分( 打除部分) 以环氧树脂或树 脂砂浆填补。转角处需研磨至凸角r - 2 0 m m ( r 曲率半径) 以上，凹角则以树脂砂浆 填补。 4 ) 底层涂料 气温在5 摄氏度以下，雨天或r h 9 5 时，不可施工。施工范围的温度、湿度 确认后，选用适当的底层涂料。施工现场空气应十分流通，严禁烟火。施工时必须要 穿带保护装备( 口罩、护目镜及橡皮手套) 。 1 0 第二章国外外研究现状 5 ) 碳纤维片材的粘贴 纤维贴片预先以剪刀、刀子依所设计的尺寸大小裁好。依使用量剪裁尺寸、长度 在2 米以内最适当。为防止保管期间的破损，裁剪数量只裁所需使用的数量。施工 面底漆的干燥程度可以指触确认。底漆施工超过1 星期以上时， 应以砂轮机磨平。 将环氧树脂的主剂( a 剂) 和硬化剂( b 剂) 依所规定的配比放置于拌合桶中， 使 用电动搅拌机，使其均匀的混合( 约2 分钟) 。一次的拌合量为在可使用时间的施 工量，超过可使用时间的材料，不可使用。 环氧树脂用毛刷滚轮平均涂布( 涂布底漆上) 。涂布量随施工面的表面粗糙程度 会有所变化，转角部分要多涂。碳纤维粘贴于树脂涂布面后，以毛刷滚轮和橡皮刮刀 顺着纤维方向用力推平，使树脂浸透并去除气泡，纤维( 长向) 方向的搭接长度至少要 留1 0 e m 。粘贴后放置3 0 分钟，若纤维有浮出或脱线情形发生时，以滚轮或橡皮刮刀 压平修正。 两层以上的碳纤维相叠贴时，重复上述步骤。 粘贴碳纤维片材加固桥梁的应用 粘贴碳纤维片材加固混凝土桥梁技术在欧洲、美国、加拿大和日本已经广泛应用， 并且进行了深入的研究。我国在这方面的工程实践也是在二十世纪九十年代中期才开 始，公路混凝土桥梁采用粘贴碳纤维片材加固技术也取得了一定的成果。 采用粘贴碳纤维片材加固技术优势在于： 1 ) 高强效，能灵活用于桥梁抗弯、抗剪加固； 2 ) 施工简捷、工序高； 3 ) 具有极佳的耐腐蚀性能； 4 ) 重量轻，无需给原桥增加较多的恒载； 5 ) 施工周期短。 然而，碳纤维加固桥梁同样存在不足之处，具体表现在： 1 ) 施工工艺要求高，要求专门施工队伍； 2 ) 程造价高，达1 8 0 0 2 3 0 0 元m 2 ，对于一般梁桥而言，加固费用接近重修费 用。 3 ) 尽管碳纤维属高强结构，但由于其弹性模量与混凝土之间存在较大差异，实 际工作中其仅能发挥出较小的作用。 4 ) 采用补强材料粘贴加固时，应考虑加固工程的二次受力特性，同时应对加固 片( 布) 材进行必要的锚固和防护处理。 因此，碳纤维加固梁桥技术已在各地应用，但其三大缺点制约了其广泛使用。 第二章国外外研究现状 2 3 增加辅助构件加固技术 麟 “ s 主n 口c o s 口 式中：岛、岛l - t 坐标中的平均应变( 拉为正) ； 儿1 t 坐标中的平均剪应变( 方向同靠) ； 白、一1 坐标中的平均主应变( 拉为正) 。 构件受扭变形后，薄壁翘曲成双曲抛物面，利用几何关系可导出斜压方向曲率必 与箱形截面扭转角e 之间的关系： j i i = o s i n2 9 由薄壁杆件理论可知，扭转角与剪切应变之间的关系为： 9 = 砜 2 五 有效壁厚“与表面最大应变、曲室的关系为： t 。= s | i i i 平均应变气与最大应变白s 的关系为： 白盘屯2 3 ) 本构方程 乱钢筋的本构关系： 根据试件所用钢筋的拉伸试验结果，钢筋有明显屈服台阶，属于软钢。因此，钢 第三章截面转换加固钢筋砼t ( 或) 型梁桥技术原理 1 9 筋采用理想弹塑性的应力一应变本构关系，即： l 矗= 置国骗冬) l 厶篁矗编 勺 ( 3 3 ) l 兀盘e 墨( s ) l 兀= 矗( 曩 ) 苴中 、一、t 方向钢筋( 纵筋和箍筋) 的屈服强度，文中试件根据实测结果， 取矗等矗- 4 4 1 6 m p a 8 玲、一、t 方向钢筋( 纵筋和箍筋) 的屈服应变；文中试件根据实测结果， 取= 勤= 2 1 0 0 惦； e s 一钢筋( 纵筋和箍筋) 的弹性模量，文中试件根据实测结果，取为2 1x1 0 5m p a 。 b 钢纤维高强混凝土轴压本构关系： 采用f v e c c h 和m p c o l l i n s 提出的软化混凝土本构关系表达式形式，结合我国 唐兴荣等针对钢纤维高强混凝土的研究成果，斜向钢纤维高强混凝土压杆采用钢纤维 高强混凝土软化本构关系如图3 3 所示，表达式如下： 鼍f 以 2 ( 苦 一( 苦了 锄一s t ， = f 以ll 一廖 鱼一i s p 2 - 一i r 以陵二i 1 ) ( 3 4 ) ( b ) 轴控软化本构关系 图3 3 钢筋纤维高强砼本构关系 f i g 3 3t h e r e l a t i o n so ff i b e rr e i n f o r c e dh i g h s t r e n g t hc o n c r e t e 式中： 一钢纤维高强混凝土软化系数； 厶、巧o 钢纤维高强混凝土轴心杭压强度及所对应的峰值应变；取实测钢 纤维棱柱体抗压强度。勺。按下式计算：勺o = ( 0 0 3 7 f i e + 0 6 5 8 l f ) 1 0 3 = 2 2 2 2x1 0 3 。 第三章截面转换加固钢筋砼t ( 或n ) 型粱桥技术原理 一取软化后的钢纤维高强混凝土峰值应变 ，帝、钢纤维高强混凝土本构关系下降段的名义反弯点应力及所对应 的应变，分别按下式计算： 厶= o 7 6 2 f , 十6 4 2 0 = 4 17 7 m p a f ，o = ( 35 1 5 + 1 8 2 6 2 s f , ，厶) l o 。= 4 0 0 4 x 1 0 “ 口，稍纤维高强混凝土应力一应变关系曲线下降段系数，取： 所= 嚣络划，s所2 尚卸3 7 5 公式( 34 ) 应用于空间桁架模型时，尚需考虑o d 沿薄壁厚度不均匀分布和随其表 面混凝土应变a ，变化而变化的特点，如图3 4 所示。取： o 4 = 醛 k 式中：k ，为应力分布图的丰满度系数，如图3 4 所示。 ( 出斜慝轩单 己体恤l 冉变氆( c ) 立力分布及并姓蹭 图34 斜压扦应变一应力分布厦等效囝 f i g34 i n c l i n e dd n n s 口a i n - s t r e s sd i s 埘b u t i o na n de q u l v a e md l a g r 踊 根据钢纤维高强混凝土本构方程积分，可得： i 鬻( 1 _ 针剐剖篡。s ，t t 1 _ 孝警 ( 1 _ 针看鲁小别c 鹕 关于软化系数f ，采用f v e e c h o 和m p c o l l i n s 建议的软化系数表达式，根据对 本次试验结果的分析，建议钢纤维高蝎、撺谁壬堑竺薹敬为： f = 1 o ，l + 6 0 峰 上式的最大特点是：当= 0 时，软化系数f = l0 ，回到了非软化的本构关系， 从而统一了混凝土本构关系中的软化与非软化问题。 c 钢纤维高强混凝土轴拉本构关系 第三章截面转换加固钢筋砼t ( 或n ) 型梁桥技术原理 2 1 根据钢纤维高强混凝土实测的轴向拉伸应力一应变全曲线和钱春香等建议的数 学模型钢纤维高强混凝土轴拉本构关系采用三折线简化模型，分上升段、开裂段和平 缓段，如图3 3 c o ) 所示。 上升段：q = e q s ，口 开裂段： q 盘厶一吾e ( 鼻一o 。) o ， 一勺j l 平缓段： q ；厶一乏z g a g , 一) 易 式中：，j | 铜纤维高强混凝土抗拉极限强度； 包钢纤维高强混凝土弹性模量； 嚣竹钢纤维高强混凝土抗拉极限强度的峰值应变； 二m 广瑚纤维高强混凝上抗拉强度的拐点应变； 厶f h 广期纤维高强混凝土抗拉强度极限应变。 通过对配筋钢纤维高强混凝土薄壁箱梁纯扭受力性能试验研究，同时结合钢纤维 高强混凝土本构关系及软化方程的全过程分析，对配筋钢纤维混凝土箱形截面纯扭构 件进行了大量的参数分析，得出了一些有益的结论：试验和理论分析证明配筋钢纤维 高强混凝土薄壁箱形构件具有良好的抗扭性能，相关试验构件箱形截面开裂扭矩和极 限扭矩分别是其等效工字截面的3 9 2 倍和3 3 7 倍。 3 2 2 截面转换加固钢筋砼t ( 或7 c ) 型梁桥技术机理 钢筋砼t ( 或7 c ) 型梁桥采用截面转换技术加固后，原桥将在以下两个方面改善 受力特性： 抗弯刚度增大 主梁下缘受拉区增设钢筋后，不仅本身受拉区钢筋面积a 。增大，而且随着主 梁中性轴的下移，使受压区砼承压面积增大，从而提高了桥梁的抗弯刚度。 抗扭刚度大幅度增大 桥梁的抗扭刚度为g i r ，其中g 为材料的剪切模量，i t 为截面的抗扭惯矩。对于 工字型梁桥，主梁的抗扭惯矩i t 按开口狭长矩形截面抗扭惯矩计算。 厶= b , t ? ( 3 6 ) 式中：系数； b i - 矩形宽度； - 矩形高度。 2 2 第三章截面转换加固钢筋砼t ( 或) 型梁桥技术原理 然而，工字型梁下缘增设底板封闭后，则主梁的抗扭惯矩i t 计算公式为： i r = ( s ! + $ 2 ) 2 h 2 杰 。一 t f lt 2 式中：& ，f 1 箱梁上底板宽度和厚度 s ：，r ：箱梁下底板宽度和厚度 s t 箱梁侧板高度和厚度 乃箱梁高度 比较3 6 式，3 7 式可知，箱梁的抗扭刚度显然高于开口的工字型，因此，封闭 成箱型梁后，桥梁将调整原横向分布系数，改善桥梁受力特性，提高桥梁的极限承 载力。 第四章截面转换加固钢筋砼t ( 或) 型梁桥技术模型试验 2 3 第四章截面转换加固钢筋砼t ( 或r t ) 型梁桥技术模型试验 4 1试验目的 验证t 型梁截面转换成箱型截面在工程实践上的可行性和加固效果的显著性， 并以客观的测试数据检验t 型梁桥转换成箱型技术在施工工艺上的可行性。 4 2 试验梁设计 本试验同批制作槽型梁4 片，分别定名为e l 、e 2 、e 3 、e 4 。e 3 作直接加载试验 至破坏；e 1 和e 2 加载至开裂后卸载，分别转换为箱梁e 1 和e 2 。其中，为考察底板 受拉区砼浇筑质量对主梁承载力的影响，e 1 箱底板砼浇筑质量较差，e 2 箱底板砼 浇筑质量较好；e 4 则直接转化为箱梁e 4 。上述槽型梁和箱梁梁长2 2 m ，计算跨径 2 0 m ，粱高0 4 5 m ，梁宽0 4 8 m ，并在两梁端和两l 4 位置设置横隔梁4 道主梁断 面尺寸和配筋见图4 1 。 l 巴上型；_ l 叫l l 一一一一 加固前加固后 图4 1槽型梁加固前后断面尺寸及配筋( 单位：厘米) f i g 4 1s l o tb e a mr e i n f o r c e df r o n ta n dr e a l c r o s s - s e c t i o ns i z ea n dr e i n f o r c e m e n t ( u n i t ：c m ) 4 3 试验梁制作 4 3 1 材料 主筋为1 2 ，架立筋1 0 ，箍筋q ) 8 。砼采用粗骨料粒径为o 5 2 0 c m 的石灰石 碎石，中砂为简阳砂，细砂为半湿性河砂，水泥为4 2 5 # 普通酸盐水泥。其配合比 为水泥：水：细砂：粗砂：粗骨料= 1 ：0 3 2 9 ：0 7 5 6 ：0 2 5 2 ：3 0 1 5 。 4 3 2 制作 2 4 第四章截面转换加固钢筋砼t ( 或j 【) 型梁桥技术模型试验 先将模板就位，在内侧面涂上隔离荆，接着将事先编扎好的钢筋笼放入木模内， 然后沿梁模板横向扣紧五道铅丝，以防止梁在浇筑过程中发生变形，最后浇筑砼。 在浇筑砼过程中，采用直径为5 c m 的振捣棒进行密实性振捣，直至砼密实、侧模底 缘冒浆为止。 4 4 测试简介 本次试验在重庆交通大学结构实验室进行，测试内容及仪器如下： 4 4 1 应变 采用y j 一2 2 多功能微机测控系统。该系统测试精度高，测试速度快( 3 点 秒) ，具有较强的测试功能和自动化程度。 4 4 2 挠度 采用w j h 系列位移传感器。该仪器测试精度高，分辨率达o 0 2 r a m ，与u c a m 一7 0 a 1 0 多功能数据采集器配合实现挠度和其它变形的测量。 4 4 3 裂缝 采用1 0 倍显微镜进行观测。在有关加载工况下测读最大裂缝宽度，并描绘裂 缝现状图。【1 1 l 4 4 4 测点布置 为比较加固前后试验梁的力学性态指标，分别在槽型梁跨中截面的压应力区布 置砼应变片，在拉应力区布置钢筋应变片。同时，在试验梁的跨中截面布置了百分 表挠度测点。 为考察t 梁截面转换成箱型粱的剪力滞效应，在箱梁跨中截面主筋上加密布置 钢筋应变片测点； 为考察加固前后试验梁的抗扭刚度情况，在试验梁跨中截面的内外侧布置百分 表，以比较在偏载作用下内外侧点的挠度值。 4 4 5 加载方式 采用千斤顶跨中截面分级加载，同时为考察抗扭刚度，加载分内外侧两点进行， 以便于内外侧加载不同大小的荷载。 4 5 测试结果 桥梁在营运过程中，其强度通常以承重结构的应力予以体现，控制其在容许范 围内，可避免桥梁因强度不足而破坏；刚度则是桥梁强度和整体受力性能的反映， 其常用挠度予以体现；对于钢筋砼梁桥而言，裂缝的出现将显著减小桥梁的刚度， 裂缝宽度过宽，则会因水汽、有害气体的侵入而锈蚀钢筋，影响桥梁的耐久性。 第四章截面转换加固钢筋砼t ( 或孔) 型梁桥技术模型试验 2 5 因此，强度、刚度、耐久性是确保桥梁能安全营运的三大指标。相应，在本次 试验中，主梁加固前后钢筋应变、砼应变、挠度、裂缝宽度的测定和分析，则构成 了桥梁加固增强试验的重要内容。 1 2 - 1 5 在此试验中，e 3 代表加固前的槽型梁，e l 、e 2 。、e 4 呗l j 代表加固后的箱梁。现 从应变，挠度、裂缝宽度、抗扭刚度等方面予以评定梁截面转换成箱梁后的加固增 强效果。 测试结果见表4 1 至表4 6 。需说明，表4 5 中的扭转角采用内、外侧测点的挠 度差与测点水平距离相比而得，表4 6 的剪力滞后效应为4 6 t 作用下各箱梁跨中底 层钢筋应变的考察结果。 表4 1e 3 和e l 、e 2 t 、e 4 跨中砼压应变比较 t a b l e 4 1t h ec o m p a r i s o no fc o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r a i ni ne 3a n de 1 ，e 2 ，e 4 m i d - s p a n 2 x2 x2 2 x内1 0 0内1 2 0内1 4 0 内1