硕士毕业论文完整模板 加大截面法加固受弯构件的方法及其受力性能研究.doc

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取 得研究成果 尽我所知 除了文中加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人或 集体已经公开发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安科技大学或其他教育机 构的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文 工作的知识产权单位属于 大学 学校有权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 本人允许论文被查阅和借阅 学校可以将本学位论文的全部或部 分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 同时本人保证 毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为 大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 论文题目 加大截面法加固受弯构件的方法及其受力性能研究 专 业 防灾减灾工程及防护工程 硕 士 生 签名 指导教师 签名 摘 要 既有建筑由于结构功能要求的提高 可靠度的降低 耐久性等问题的出现而需要 进行加固改造 目前 混凝土结构加固中加大截面法是常用的一种方法 对加大截面 法加固受弯构件 其新 旧混凝土结合面是一个薄弱的受力面且结合面的工作性能将 直接影响加固构件的变形及受力性能 因此 提高和改进加大截面法加固受弯构件新 旧混凝土结合面的连接方法及受力性能 对既有建筑加固改造理论与技术及工程应用 具有重要的研究意义 本论文通过分析加大截面法加固受弯构件的工作性能及新 旧混凝土结合面的粘 结机理 提出了在新 旧混凝土结合面采用人工凿毛处理和增设构造植筋的连接方法 考虑不同的植筋布置方式 共设计制作了两组 4 个受弯构件 并进行了单调静力加载 试验及有限元的数值模拟分析 得出四点研究结论 1 加大截面法加固受弯构件时 需在结合面进行人工凿毛及增设构造植筋处理 形成改造的加大截面法加固受弯构件 结合面的连接方法 2 构造植筋可显著提高新 旧混凝土结合面的粘结力学性能及 结合面的开裂性能 大大提高了新 旧混凝土共同工作能力 使得结合面的无裂缝出 现 3 改进结合面的连接方法 采用布置构造植筋 使得加固试件受力性能接近一 次性整浇试件 4 根据试件的破坏特征 增设构造植筋且植入旧梁混凝土孔中深度 为 15d 以及试验数据的研究与分析 提出加大截面法加固受弯构件斜截面抗剪承载力 计算公式及正截面抗弯承载力计算公式 上述研究成果对进一步研究加大截面法加固受弯构件的受力性能及新旧混凝土界 面的连接方法 完善混凝土加固改造设计规范具有一定的参考价值 并可供实际加固 改造工程的设计与施工参考 关 键 词 加大截面法 受弯构件 受力性能 新旧混凝土结合面 植筋技术 有限 元分析 研究类型 应用研究 Subject Research on the Connecting Method and Mechanical Behavior of Flexural Component s by the Method of Enlarging Sections Specialty Disaster Prevention and Reduction 3 Improve the method of combining the connection adopt planting bar decorate construction reinforced specimen stress performance close to the one time concrete specimens 4 Planting bar according to the failure characteristics of the specimens adding structure and inserted in the old concrete beam hole depth of 15 d and the research and analysis of test data and put forward enlarging section method for inclined section flexural member reinforced shear bearing capacity calculation formula and calculation formula of normal section flexural capacity The above research results for further study on enlarging section method to reinforce the forced properties of flexural member and new and old concrete interface connection methods perfecting the design code of concrete reinforcement and reconstruction has certain reference value It also can supply consult for the design and construction of the reinforcement and modification engineering Keywords Enlarging Sections Flexural Component Mechanical Behavior Bond interface between New and Old Concretes Rebar Planting The Finite Element Analysis Thesis Applied Research 目录 目 录 1 绪论 1 1 1 课题研究背景及研究意义 1 1 2 加大截面法加固受弯构件的方法及受力性能研究动态 3 1 3 本课题研究的主要内容 4 2 加大截面法加固混凝土构件的粘结机理及连接方法研究 5 2 1 新 旧混凝土结合面的粘结机理分析 5 2 1 1 新 旧混凝土结合面的粘结机理 5 2 1 2 新 旧混凝土结合面的粘结模型 6 2 1 3 新 旧混凝土结合面粘结的宏观力学性能 7 2 2 新 旧混凝土结合面的受力特点分析 7 2 3 新 旧混凝土结合面粘结性能的影响因素 8 2 4 新 旧混凝土结合面的连接方法研究 9 2 4 1 化学植筋技术 9 2 4 2 植筋技术用于新旧混凝土结合面的工作性能分析 10 2 5 本章小结 11 3 加大截面法加固钢筋混凝土受弯构件受力性能试验概况 12 3 1 试验目的 12 3 2 试件设计与制作 12 3 2 1 试件设计 12 3 2 2 试件制作 15 3 2 3 试件材料物理力学性能试验 15 3 3 试验加载方案 16 3 3 1 试验加载方法 17 3 3 2 试验加载装置和加载制度 17 3 4 试验观测方案 20 3 4 1 观测内容 20 3 4 2 观测方案 20 3 5 试件加载试验概况 23 3 6 本章小结 24 4 加大截面法加固混凝土受弯构件受力性能试验结果分析 25 4 1 试件屈服与试件破坏的确定 25 4 1 1 试件屈服的确定 25 目录 I 4 1 2 试件破坏的确定 26 4 2 加大截面法加固受弯构件的受力性能分析 26 4 2 1 破坏特征分析 26 4 2 2 试件受力变形性能分析 29 4 2 3 梁纵向受力钢筋受力特点分析 31 4 2 4 截面混凝土应变特点分析 33 4 2 5 新 旧混凝土结合面应变特点分析 33 4 2 6 植筋钢筋受力特点分析 36 4 2 7 试件承载力分析 38 5 加大截面法加固钢筋混凝土受弯构件的数值模拟分析 42 5 1 计算软件的选用 42 5 2 材料的本构关系及破坏准则的确定 42 5 2 1 混凝土的本构模型 42 5 2 2 混凝土应力 应变关系 46 5 2 3 钢筋本构关系 47 5 2 4 混凝土的破坏准则 47 5 2 5 收敛准则 49 5 3 有限元计算模型建立 50 5 3 1 单元的选取 50 5 3 2 有限元模型建立 50 5 4 有限元计算结果分析 52 5 4 1 混凝土应力分析 52 5 4 2 荷载与变形曲线分析 53 5 4 3 新旧纵向钢筋 P 荷载 应变的关系曲线 55 5 5 本章小结 54 6 结论与展望 57 6 1 结论 57 6 2 展望 57 致 谢 58 参考文献 59 附 录 62 大学硕士学位论文 0 1 绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 土木工程结构按材料分为混凝土结构 钢结构 砌体结构和木结构 其中混凝土 结构的使用至今已约有 150 年的悠久历史 与钢结构 木结构和砌体结构相比较 混 凝土具有强度高 耐火性能与耐久性能好 安全性 适用性好 且材料来源方便等诸 多优点而被广泛的使用于建筑结构工程 桥梁结构工程 地铁隧道 水利水电工程 军事科技等工程中 随着轻质高强度材料的使用 混凝土结构也越来越普遍 甚至开 始计划实施用于月面建筑 然而 在实际工程中 随着时间的推移 尤其不良环境的 影响 混凝土的耐久性不断的降低 以及无法避免老化等各种因素 这都影响着混凝 土结构的正常使用 严重时甚至会危及到人民的生命财产 所以 应对其结构和构件 进行加固改造 另外 为了满足社会生活而发展要求 需要对原结构性能进行加固改 造 因此 从发展趋势看 建筑结构的加固改造 将在经济建设中发挥着重要的作用 我国在建国初期建造大量的混凝土建筑 服役期大都超过了规定的 50 年 这些混 凝土结构建筑存在着结构可靠性下降等安全隐患 在 大跃进 时期 只求大干快上 主观要求高速度基本建设 不按客观规律办事 建设程序被否定 以致留下大量的工 程质量隐患 结果造成大量的工程事故甚至结构倒塌 特别是改革开放后 建筑物得 到了很大的发展 工程结构的质量也越来越好 但是每年仍会发生几十起重大工程事 故 由于勘查失误 设计方案不当或是计算错误 施工质量低劣 使用中的管理不当 或是改建不当等原因 导致工程质量低下而不能满足结构功能的正常使用 造成工程 质量隐患或工程问题 甚至引起结构倒塌 给人民生命财产及社会的经济效益带来了 巨大的损失 需要及时的采取国家规定的相应安全加固措施 才能避免可能导致重大 的安全事故及给人民和国家带来的经济损失 我国是一个土地资源相对匮乏而人口众 多国家 在利用土地资源最大化的情况下 进行又快又好的发展城市建设 导致耕地 面积相对减少 从而加深了我国土地资源的供求与人民生活矛盾的差距 所以 对旧 建筑物的加固改造工作正好可以缓解这一矛盾 随着人们环保意识的加强 建筑节能 环保这种可持续发展的模式已成为目前建筑结构发展的主旋律 然而建造新的建筑物 不仅需要消耗越来越多的原材料 而大多的材料都是不可再生的资源 则通过对既有 建筑加固改造与处理 使其满足建筑的安全使用功能 延长它们的使用寿命 也是符 合走可持续发展道路的战略 使得建筑加固改造行业蓬勃发展 为此 国家每年都要 投入大量资金用于建筑结构鉴定修复与加固改造 以延长它们的使用寿命和减少大量 不可再生资源材料的使用 另外 随着社会经济的发展和人民生活水平的改善 既有 1 绪论 1 建筑的面积和使用功能已不能满足新的要求 为了扩大建筑面积 改善其使用功能 在节省经费 缩短工期 避免繁琐程序的情况下 对既有建筑结构的功能改造 加层 改造 结构布局改造等也是我国目前建筑业发展的一种趋势 3 也是目前众多学者研究 的课题之一 因此 既有建筑物的加固改造已成为当今建筑领域的一种朝阳行业 建筑加固改造是应用建筑病害诊治理论和技术及相关加固改造理论与技术 对发 生劣化 开裂 下沉 倾斜 损坏的既有建筑进行加固改造处理 使危房 改斜为正 转危为安 恢复其使用功能 重新投入正常使用 或对既有建筑物进行增层改造 结 构托换 移位与转动等结构改造处理 调整 改善房屋使用功能 扩大既有建筑的使 用面积 使结构寿命得到延长 建筑物全寿命成本大为降低 我国解放前 对有关的既有建筑已进行过修复处理 如西安北城门箭楼修复 解 放初 开始对日伪 国民党留下的厂房 如鞍钢 大冶铁厂等 进行鉴定修复 20 世 纪 80 年代 对 50 年代建造的大量工业建筑进行诊断 补强 加固 80 年代后 国家 有关部委 就结构耐久性 可靠性鉴定的一些课题列为重点研究的科研课题 并组织 专家组攻关 成立全国建筑物鉴定加固改造标准技术委员会 编制和颁发了 混凝土 结构加固技术 4 混凝土结构设计规范 5 工程结构可靠性鉴定与加固 6 建 筑结构诊断鉴定与加固修复 7 建筑物改造和维修加固新技术 8 民用建筑可靠 性鉴定标准 9 建筑抗震加固技术规程 10 危险房屋鉴定标准 11 钢筋混凝 土构件设计 12 工业厂房可靠性鉴定标准 13 既有建筑物质量检验与可靠性评 定 14 等有关规范 规程 推动了我国加固改造业的发展 取得大量的研究与工程应 用成果 例如对建于 1978 年的福州商贸大厦 在 2002 年对结构进行大面积的加固及 改造工作 采用加大截面法对钢筋混凝土原梁进行加固处理 并对中央大厅和角厅进 行了抗震加固 对原钢筋混凝土框架结构采用植筋技术增加加层框架梁 大大改变了 部分展厅的使用功能 使其满足新的使用功能要求和结构抗震要求 其改造加固实况 见图 1 1 图 1 1 福州商贸大厦框架改造加固实况 又如 国家民航总局办公楼加固改造工程 厦门艺术剧院抗震加固工程 福州长 大学硕士学位论文 2 乐国际机场候车室加固改造等工程应用都是成功的既有建筑加固工程实例 都取得了 良好的经济效益及社会效益 1 目前 在我国加固改造的工程应用中 常用的加固方法有加大截面法 外包钢加 固法 粘钢加固法 粘贴纤维加固法 托梁拔柱法等 其中加大截面加固法是在原有 结构的构件上增设新的加固构件 使得原有结构与新增设的加固构件粘结在一起 形 成整体 以增加构件截面面积 从而提高其承载力 刚度 稳定性等的一种直接加固 法 加大截面加固混凝土构件属于二次受力构件 其受力性能与一般未经加固的普通 构件有一定的差异 且新 旧混凝土界面之间的良好粘结是保证加固后结构能够整体 工作 共同受力 2 加大截面法加固受弯构件结合面处时常发生的脱离 开裂等现象都 会严重影响到结构的整体承载能力和正常使用 其主要原因是新旧混凝土的结合面是 一个受力的薄弱面 其界面粘结性能相对较差 加固改造后的整体结构一般达不到一 次性整浇混凝土的强度 耐久性能也相对较差 因此 近些年来 国内外学者一直都 在着力探讨研究加大截面法新旧混凝土的结合面连接方法及其受力情况 而在实际过 程中大多都是凭经验来施工 即建筑加固改造的理论研究在一定程度上还落后于工程 实践 所以 对加大截面法中结合面的连接方法及受力性能研究 以及梁加大截面法 加固后受弯构件整体变形 裂缝发展过程 抗剪承载力等力学性能的研究 具有极其 重要的理论研究意义和工程实用价值 1 2 加大截面法加固受弯构件的方法及受力性能研究动态 随着加固改造行业的广泛应用 其加大截面法已被成功应用到一些工程项目中 例如北京化工大学化学工程加固改造项目 西安市第一保育院教学楼办公楼改造项目 西安东大街工商银行营业楼加固改造项目 丹江口大坝增高项目等 这些工程都取得 了良好的社会效益与经济效益 所以 分析加大截面加固受弯构件的受力性能及新旧 混凝土结合面的连接方法是目前建筑加固改造业的共同研究课题之一 近些年来 国 外学者对新旧混凝土结合面的连接方法及粘结质量做了大量的研究工作 工程实践应 用及新旧混凝土粘结断裂性能研究等 取得了一定成效的研究成果 Smith and Teng 最近的研究中采用单侧加厚加固受弯构件 尤其是结合面的连接处 理方式 考虑布入不同的植筋方式 分析结合面的应力互等关系 这些剪应力和正应 力沿结合面均匀分布 除了考虑荷载有所区别以外 其变形特征也存在一起其他的差 别 15 Roberts and Haji Kazemi 分析过的受均布荷载作用的简支梁 按照 Smith and Teng 解析解计算出的结合面剪应力和正应力的分布 端部正应力为正值 表面在梁和外贴 板之间的存在拉力 最大的剪应力和最大正应力均出现在端部 也正是发生端部剥离 破坏的区域 16 1 绪论 3 Sergio M Alcoccer 采用加大截面加固法加固梁柱节点构件 对仅加固柱和对梁柱 都加固的两种方式进行了对比试验 并采用试验方法模拟地震作用 试验结果表明 加大截面加固法有效的提高了梁柱节点构件的强度 刚度和耗能性能 17 我国对于新旧混凝土结合面的处理及受力性能方面的研究相对较晚一些 大连理 工大学赵国藩院士 赵志方等人于 1999 年采用高压水射法处理新旧混凝土粘结面进行 试验研究 试验过程中采用美国 Flow 公司 40DQ 高压清洗机高压水枪进行界面清洗处 理 随后进行界面劈拉试验 验证了结合面的处理 有利于提高结合面的粘结力 从 而使加固后的构件整体受力情况比较良好 所以该试验的结果比较适合应用于实际工 程的加固试件 18 1999 年底 又选取 Z 字形加固试件作为粘结试件 对抗拉 抗剪等 受力性能试验的研究分析 试验表明 界面清洗 界面剂的选择对结合面的水平抗剪 有所提高 从总体情况来看 对加固改造试件结合面连接方法及受力性能 尤其采用 加大截面法加固受弯构件的受力及变形性能 还需要做进一步大量研究工作 1 3 本课题研究的主要内容 针对目前加大截面法加固钢筋混凝土受弯构件的理论研究与工程应用中急待解决 的技术难题 本文主要研究下列内容 1 改进的加大截面法加固受弯构件结合面连接方法研究分析与论证 拟对钢筋 混凝土受弯构件采用加大截面法加固时 在结合面增加构造植筋 并考虑不同的植筋 参数 植筋的间距及布置方式 提出改进的加大截面法加固受弯构件的工艺做法 2 改进的加大截面法加固受弯构件的受力性能研究 考虑不同的构造植筋布置 设计并制作多个加固试件 通过静力加载试验和数值模拟分析 研究改进的加大截面 法加固钢筋混凝土梁的受力及变形性能 分析不同的植筋布置方式对受弯构件的受力 性能的影响 以及新 旧混凝土结合面的工作性能 3 通过试验研究及数值模拟分析 提出受弯构件斜截面抗剪承载力计算公式及 受弯构件的抗弯承载力计算公式 为进一步的理论研究和工程设计及施工提供参考 大学硕士学位论文 4 2 加大截面法加固混凝土构件的粘结机理及连接方法研究 2 1 新 旧混凝土结合面的粘结机理分析 2 1 1 新 旧混凝土结合面的粘结机理 新 旧钢筋混凝土两种相同的材料能够共同工作是由于它们之间存在粘结作用 这种作用使得新旧混凝土之间能够传递应力 已有研究资料表明 新 旧混凝土结合 面的粘结作用是由机械咬合力 范德华力和化学胶结力三部分组成 19 20 机械咬合力作用是新 旧混凝土结合面相互粘结在一起的一种机械作用 宏观上 看是新 旧混凝土结合面的粗糙度影响结合面的粘结力 然而从微观上分析 结合面 容易产生出水化物 它们通常主要集中生长在旧混凝土表面裂缝或是旧混凝土表面较 大的间隙与空隙之间 对于加固改造中混凝土结构试件 由于冻融循环 冷热交替以 及收缩使得混凝土结合面位置产生了附加应力 形成细微裂缝 所以 新增梁混凝土 材料和旧梁混凝土材料之间存在一定差异 从结合面受力情况分析 混凝土的骨料比 较集中就会产生裂缝 当受到外部荷载的作用时 裂缝就不断的延伸及扩展 导致了 结合面就发生相对滑移 22 对由新 旧混凝土组合的新的结构构件 结合面较为粗糙 一点 也就是说骨料与浆体合成可看做是粗糙表面的 新 旧混凝土粘结力就相对较 好 新 旧混凝土结合面的粘结力主要表现为机械咬合力 在新 旧混凝土结合面当中 范德华力主要是由晶体与集料之间 水泥石子中的 晶体与晶体之间的分子作用力 范德华力包括色散力 诱导力和静电力 而混凝土之 间构成主要是由静电力和色散力 他们两者占范德华力的百分之八十以上 23 由于混 凝土结构是一种结构式多孔稀松的材料 且分子间的距离也相对较大 因此被认为分 子间的作用力相对较小 新 旧混凝土结合面化学作用主要来自新混凝土 界面剂 旧混凝土之间的水化 物发生反应和新混凝土 界面剂 旧混凝土之间的未水化的水泥反应 正是由于新 旧混凝土结合面存在机械咬合力 范德华力 化学胶结力 才会产 生了结合面的粘结力 已有新 旧混凝土结合面的受力性能研究分析表明 21 机械咬合 力作用在混凝土骨料与浆体和浆体结合面粘结起到了至关的重要作用 范德华力在颗 粒体 浆体以及晶体之间也起到了主要的作用 但是化学作用力所占比例相对很小 因此 为了提高新 旧混凝土结合面的粘结力 应设法改善新 旧混凝土结合面的粗 糙度 以提高新 旧混凝土结合面的机械咬合力 2 加大截面法加固混凝土构件的粘结机理及连接方法研究 5 2 1 2 新 旧混凝土结合面的粘结模型 根据已有的研究资料 新 旧混凝土界面的微观结构模型 24 25 26 27 1 三区粘结模型 最早 Emmons P H 等人提出了一种三个区域的模型组成结构 新混凝土区 界面 区 旧混凝土区 如图 2 1 所示 图 2 1 三区粘结模型 新 旧混凝土结合面的粘结区域由三个构造层组成 它们分别为渗透层 反应层 渐变层 渗透层和反应层对结合面的粘结力学性能起主导作用 反应层和渐变层也起 到某种程度上的作用 在新 旧混凝土之间还存在着一个明显的过渡层 28 该层由渗 透层 强效应层 弱效应层构成 对结合面的粘结性能起决定性作用的是该过渡层中 的强效应层 但对强效应层影响有新旧混凝土的强度 水灰比 界面剂接结合面的粗 糙度 此种模型的优点 新 旧混凝土结合面骨料颗粒越大 结合面越粗糙 结合面的 粘结力就越强 2 多层区粘结模型 双界面 多层区粘结模型 双界面 如图 2 2 所示 新 旧混凝土的结合面由新 旧混凝土区 域及新 旧混凝土粘着在一起过渡区的构造层所组成的 粘结过渡区由双界面 结合 面之间的骨料颗粒 缝隙及两侧混凝土组成 29 此种模型的优点 一般来说 界面粗糙度越大 新 旧混凝土结合面的粘结力就 越高 由于新 旧混凝土结合面的粘结力与粗糙度有关 界面粗糙度越大 新 旧混凝 土结合面的粘结力就越高 为了改造新 旧混凝土结合面的粘结力学性能 故本文研 究所采用多层区粘结模型 双界面 图 2 2 多层区粘结模型 双界面 2 1 3 新 旧混凝土结合面粘结的宏观力学性能 如前所述 加固改造试件的结合面是一个受力的薄弱面 其受力性能关系到加固 结构的安全性 许多研究人员通过大量试验来测试分析新 旧混凝土结合面的抗拉 抗折 抗剪等受力性能 在常温条件下 新 旧混凝土结合面的抗拉强度达到了一次 性整浇的混凝土所对应的抗拉强度的 67 84 26 新 旧混凝土粘结劈裂抗拉强度达 到了一次性整浇混凝土所对应粘结劈裂抗拉强度的 62 75 加固改造试件的结合面 大学硕士学位论文 6 的抗剪强度达到了加固改造后试件整体强度 17 38 27 新 旧混凝土粘结的断裂 韧度达到了加固试件整体所对应的断裂韧度的 47 55 28 另外 试验研究结果表明 在 200 高温情况下 加固试件的结合面的粘结劈裂抗拉强度相对于常温情况下 下降 了 25 左右 700 情况下 下降了 92 29 左右 其次 随着外部荷载作用的类型不同 新 旧混凝土结合面的应力的粘结性能也有所区别 因此 为了提高结构加固效果 达到预期加固目的 须设法提高新 旧混凝土界面的粘结力 改善新 旧混凝土界面 的工作性能的方法 具有重要的意义 2 2 新 旧混凝土结合面的受力特点分析 加固前原结构由于原荷载 第一次加载 作用 其内部产生的应力和应变水平已较高 而新加固部分无此受力 当结构加固后 在新增荷载作用下 第二次加载 新加固结构 才开始受力 但原结构的应力和应变将在原基础上进一步增大 在加固结构新 旧部 分共同受力的过程中 新增部分的应力和应变低于原结构的应力和应变 加固构件为 由原混凝土及新混凝土组成的组合结构 当加固后构件受荷载作用时 新 旧混凝土 结合面要承受一定的拉应力 压应力以及剪应力等 处于较为复杂的二向或是三向的 应力场中 尤其对受弯构件或偏压构件 根据剪应力互等定理 结合面所受剪应力较 大 因此 新旧混凝土结合面将成为薄弱面 加固改造后结构结合面有抗拉 抗剪 抗弯等复合力 其中以抗剪为主 而且新 旧混凝土结合面又是一个很薄弱的受力面 在结合面开裂前 结合面的钙矾石和氢氧化钙晶体数量增多 形态变大 从而降低结 合面的粘结力 34 结合面开裂后 随着荷载的不断增大 裂缝不断的延伸扩展 导致 结合面发生滑移或是结合面出现大裂缝 所以只要结合面产生了裂缝 裂缝尖端处应 力集中 就会导致裂缝增加 宽度变大 因此 为提高新旧混凝土结合面的受力性能 必须设法提高结合面的抗剪能力 2 3 新 旧混凝土结合面粘结性能的影响因素 根据前述 新 旧混凝土结合面的粘结机理及界面的受力特点分析 结合工程应 用实践总结 混凝土结构加固中新 旧混凝土结合面的抗裂性能影响因素主要有以下 五个方面 1 结合面的粗糙度 加大截面法加固试件连接施工的第一步是旧试件表面的清理 表面清理是指清除 旧混凝土表面上附着的骨料颗粒 混凝土凸出的杂质等 对旧梁构件采用人工凿毛处 理 使得混凝土表面露出凹凸不平的表面 形成粗糙面以便提高混凝土结合面的粘结 力学性能 结合面混凝土表面的状况 微观机理是影响结合面粗糙度的两个因素 也 是混凝土微观结构 物理等因素整体反映 普遍来说 随着结合面粗糙度越大 其结 2 加大截面法加固混凝土构件的粘结机理及连接方法研究 7 合面的粘结力学性能就越强 当结合面的粗糙度达到一定程度时 结合面的粗糙度越 大 对加固改造构件的结合面的粘结力就相对降低 35 综上所述 影响新旧混凝土结 合面的的重要因素是结合面的粗糙度 合理处理结合面粗糙度是需要深入研究 探讨 的问题之一 据有关研究资料表明 36 结合面粗糙度等级分 A 级 B 级及 C 级 其中 A 级的粗 骨料能见度相对来讲较低 B 级比较适中 C 级粗骨料能见度相对较高 但是大部分 实际工程中 结合面的粗糙度评判的标准不是唯一的 只能参考实际的工程经验来鉴 定 试验研究结果表明 B 级粗糙度较为合理 适用于实际工程参考 2 加固补强材料的选择和应用 加固补强材料是影响结合面粘结力学性能的一个重要因素 其主要考虑它与混凝 土表面的粘结机理 还要求线膨胀系数与旧混凝土相接近 耐久性也要相同 混凝土 强度要求大于等于旧混凝土材料的强度 在加固改造过程中 在新混凝土中加碳纤维 来加强新 旧混凝土结合面的粘结力学性能 还可采用具有收缩性小 粘结性强的预 铺混凝土骨料 还可以选择加固材料具有收缩补偿性 聚合性以改良性的材料 3 界面剂的选择和使用 在加固改造试件时 首先考虑选择界面剂 使用界面剂可以有效提高结合面的粘 结力 使得加固改造后的试件 如同整浇试件 尽量减少结合面的发生裂缝或是脱离 等现象 界面剂的种类各种各样 目前工程加固改造中常用的界面剂有水泥砂浆 水 泥净浆 掺加膨胀剂的水泥浆 聚合物类界面剂等 不同品种的界面剂 它的性质 组成及粘结性能也不同 所以在选择界面剂的时候需要考虑一下几个主要因素 28 界面剂的使用条件 在选择合理的环境下 常温 20 摄氏度左右 空气中的湿度 控制在 60 左右 界面剂的施工工艺 要获得良好的粘结效果 如何选择界面剂在合适的环境下 使用 还要根据构件的结构形状来采用最合理的粘结施工工艺做法 界面剂的价位及货源 在满足使用功能的条件下 界面剂的选择应当是廉价的 采货容易 粘结性能较强 界面剂的使用增强结合面区域的机械咬合力 化学作用力及范德华力 从而提高其 粘结力 根据大量的实际工程 研究表明不同的界面剂选择不同的环境下 其相应的 粘结力学性能也就不一样 4 新制作混凝土的浇筑质量和养护环境 在浇注新结构试件时 由于旧混凝土表面的粗糙度 空隙及缝隙之间的缝隙 会 影响新浇注的试件的粘结力 所以在进行浇注新试件混凝土时 要对浇注完的混凝土 进行振动密实 使得新浇注混凝土中的空气 泡沫散出 以增大结构试件的截面面积 使得新浇注的试件混凝土中的骨料较为充分进行水化作用 以及旧混凝土与新浇注的 大学硕士学位论文 8 试件混凝土粘结在一起 增强其粘结力 提高加固改造后试件结合面的粘结质量 5 加固后新混凝土结构所处的环境 加固改造后的试件在不良的环境下对新 旧混凝土结合面的粘结性能具有重大的 影响 针对空气中的湿度不同 新浇注的混凝土结构就会产生收缩 结构的徐变也随 着发生变化 从而影响新 旧混凝土结合面的粘结力学性能 除此之外 影响结合面 的粘结力学性能还与试件在低温下 酸性较强的空气会有不同的影响 2 4 新 旧混凝土结合面的连接方法研究 2 4 1 化学植筋技术 化学植筋技术是在原有的结构上进行钻孔 钻孔的直径大小要合理 植筋植入的 深度按规范要求植入深度为植入钢筋直径的 15 倍 使得钢筋与混凝土有着较好的锚固 粘结力 以实现对被连接件产生握裹力 从而达到与原结构构件预埋效果 作法见图 2 3 其植筋技术有下列特点 1 植筋在施工过程中 材料控制和工序控制为质量保证的重点 植筋用的植筋 胶必须选用符合规范性要求的产品 清孔的洁净度及孔径深度要求是保证施工质量的 基础 2 施加植筋前 需在原有混凝土结构构件上定位 钻孔 清孔 灌入植筋胶等 施工工序 完成植筋植入技术 使得加固改造后的试件满足结构试件所需要的承载力 要求 3 植筋技术可配合增大断面加固 喷射混凝土加固等多种加固技术 在结构改 造加固领域应用广泛增层连接 增设夹层 增设混凝土承重构件 补设予埋件 建筑 空间拓展延伸等 在国内外许多大型重点工程中频繁使用 4 具有优秀的抗委靡 抗老化 抗震 抗酸碱 耐低温 耐老化 耐热等功能 的优越 常温下无蠕变 耐水渍 在湿润的情况中长时间负荷不变等功能 承载快抗 拉力大 5 装置不受恶劣情况影响 设计力值于湿润孔与润滑孔中可完全发扬 水钻钻 孔不需凿毛处置 并可在明水情况下装置 装置完成后可以承载 50 到 80 的情况 温度 无膨胀应力的锚固技能 合用于小边距 小间距装置 图 2 3 化学植筋工艺 化学植筋工艺简单 锚固简易 可靠性强 因而被广泛应用于实际加固改造工程 为此 本课题研究拟对加大截面法加固受弯构件 新 旧混凝土结合面采用植筋技术 即在新 旧混凝土结合面设置构造植筋 提高新 旧混凝土结合面的抗剪能力 进一 2 加大截面法加固混凝土构件的粘结机理及连接方法研究 9 步提高新 旧混凝土结合面的共同工作性能 最终提高加固试件的承载力 2 4 2 植筋技术用于新 旧混凝土结合面的工作性能分析 本课题研究中 先在原梁中与新加固的接触面原混凝土梁内采用机械方法打植筋 孔 然后将植筋胶注入植筋孔内 再将钢筋植入孔内 使得钢筋与植筋胶胶结在一起 起到暗鞘作用 限制裂缝发展 增强结合面的抗剪性能 其工作机理有下列两个方面 1 植筋钢筋产生销栓作用 因为构造植筋的锚固力 使得构造钢筋与混凝土保 持不拔拉现象 产生销栓作用 2 植筋钢筋在界面处的抗剪作用 合理的选择构造植筋的直径 数量 以保证 构造钢筋在混凝土中均匀的受力 起到抗剪作用 由上可知 对加固改造构件的结合面采用植筋法连接 由于植筋的销栓作用及本 身的抗剪能力 可明显提高结合面的的抗剪 抗拉能力 避免发生脆性破坏 目前 在大量的工程实际中 有不少加固工程中采用植筋法来提高加固构件的工作性能 2 5 本章小结 1 加固改造试件的结合面是一个相对比较薄弱的面 如果结合面没处理好 植 筋技术没改善 加固改造后的新 旧混凝土结构构件主要的破坏特征是结合面的剪切 破坏 2 影响加固改造试件结合面的粘结质量主要有 新混凝土强度的提高 界面剂 选择及界面剂所处的环境 结合面增设构造钢筋等 3 为了更明显的提高新 旧混凝土结合面抗剪承载力 采用增设构造植筋来提 高结合面的粘结力 从而提高结合面的抗剪作用 大学硕士学位论文 10 3 加大截面法加固钢筋混凝土受弯构件受力性能试验概况 3 1 试验目的 本课题研究新 旧混凝土结合面是采用增设构造植筋 根据构造植筋的不同布置 方式 设计并制作试验试件 通过静力加载试验来研究分析新 旧混凝土结合面的受 力性能和结构试件的破坏过程 破坏形式及破坏机理 并且测定结构试件的承载力性 能及变形情况 其试验目的有下列四个方面 测定加大截面加固钢筋混凝土受弯构件的受力及变形参数 观测结构试件结合面的裂缝变化情况 且分析构造植筋 纵向受拉钢筋的受力 特点 为理论分析提供依据 根据试验数据研究分析 提出结合面合理的植筋布置方式 对比不同类型的加 固试件的开裂荷载 屈服荷载 极限承载力 及裂缝发展等 根据试验结果数据分析 提出受弯构件斜截面抗剪承载力计算公式及抗弯承载 力计算公式 为实际加固改造工程设计及施工方案提供依据及参考 3 2 试件设计与制作 3 2 1 试件设计 本课题的试件原型为某多层钢筋框架楼盖梁 考虑楼面荷载的增加 对原框架梁 采用加大截面法进行加固处理 用 U 型筋焊缝旧梁箍筋 并采用植筋技术植入旧梁结 构中 此后二次浇注梁混凝土 形成试验试件 其有关参数设计如下 1 模型比确定 根据结构实验室设备及加载装置条件的限制 对原有结构不能按实际来进行试验 因此 本课题试验试件取模型比例 C 0 5 2 试件形式选择与尺寸确定 本试验试件原型是从实际结构中某一楼盖梁提取 取模型比之后梁的截面尺寸b 180mm 250mm 宽 高 梁长 2550mm 加大截面法加固改造试件取下部增高h l 尺寸 100mm 则加固后试件的尺寸为 2550mm 180mm 350mm 试验原h l b h 梁试件为矩形截面梁 试件尺寸为 2550mm 180mm 350mm 试件配筋图 l b h 试件形状及尺寸详见下图 3 1 图 3 4 3 试件类型及数量确定 本试验设计 4 个试件 一组试件为原梁试件 YSJ 1 按实际的配筋制作一个试件 3 加大截面法加固混凝土受弯构件受力性能试验概况 11 另一组试件为加固改造试件 JSJ 1 JSJ 2 JSJ 3 按实际的配筋共制作 3 个试件 根 据试验的需要研究的问题 分别采取不同位置的植筋布置方式 不同的植筋布置方式 如下表 3 1 表表 3 1 试件类型试件类型 试件编号植筋规格植筋锚固长度植筋方式备注 YSJ 1无无无原梁试件 JSJ 112 1415d 一 字形 JSJ 212 1415d折线形 JSJ 312 1415d梅花形 加固试件 4 试件材料选用 试件采用与原结构相同材料 梁混凝土强度等级为 C40 主筋采用 HRB335 箍筋 采用 HRB300 图 3 1 原梁试件 YJS 1 配筋图 图 3 2 加固试件 JSJ 1 配筋图 图 3 3 加固试件 JSJ 2 配筋图 图 3 4 加固试件 JSJ 3 配筋图 3 2 2 试件制作 根据原先设计好的试件尺寸 对钢筋进行加工处理 且钢筋两端部位制作成 45 弯 大学硕士学位论文 12 钩 植筋的另一端部位也制作成 45 弯钩 然后对钢筋进行绑扎 制作成旧梁钢筋笼 绑扎旧梁钢筋笼完成后 把新增梁的 U 型筋与旧梁钢筋笼中的箍筋用电焊以点焊方式 进行焊接 焊接采用两边焊接 焊接长度为 50mm 对制作好的钢筋笼取需要研究的 测点布置 测点布置沿着钢筋上及箍筋布置在所需测试的位置 之后在钢筋上及箍筋 上进行打磨处理 使得钢筋及箍筋的表面平整光滑后 再用酒精对需要测点的位置进 行清洗 待钢筋上的酒精蒸发后 再进行黏贴应变片 待应变片粘好后 连接导线 然后用欧姆表测试应变片是否在误差范围内 在误差允许的情况下 用环氧树脂封闭 使得钢筋上的应变片与空气隔离达到防潮的目的 以便应变片测试的准确性 最后对 连接好导线进行做编号工作 再制作模板 对制作好的钢筋笼放入模板中 然后进行 浇注混凝土梁 制作构件是采用两次浇注成型的混凝土制作而成 搅拌混凝土时采 用人工搅拌 人工搅拌不密实 故在浇注过程中 用振动棒进行振动 以便使得混凝 土构件比较充分密实 等混凝土达到龄期后 在旧梁位置进行人工凿毛处理 根据植 筋布置的方式及间距 对混凝土梁进行钻孔 钻孔的深度是植筋钢筋直径的 15 倍 15d 孔径的大小一般是取 25mm 之后清除旧混凝土梁的表面残渣 骨料等 再 进行清孔 清孔后等孔干之后 往孔里注入植筋胶 之后植入植筋钢筋 待植筋与植 筋胶粘结达到一定的强度后 再进行二次浇注加固梁需要尺寸的混凝土梁 其制作加 工过程中见图 3 5 3 2 3 试件材料物理力学性能试验 试件制作过程 对新 旧混凝土各取3组立方体试块 并和试验试件同期进行养护 待养护28天后采用压力机对混凝土立方体试件进行抗压强度试验 则得到混凝土抗压 强度见表3 2 另外 在试件制作前 需对钢筋随机抽查几根 截取合适长度的钢筋 对钢筋进行拉伸试验 所得试验结构件下表3 3所示 采用无机植筋锚固料 对钢筋进 行拔拉试验 试验所得的结果如下表3 4所示 3 加大截面法加固混凝土受弯构件受力性能试验概况 13 a 试件钢筋加工 b 试件钢筋绑扎 c 钢筋应变测点防护处理 d 浇注试件混凝土 图 3 5 试件制作 表表 3 2 混凝土试块的抗压强度混凝土试块的抗压强度试验结果试验结果 cu f 设计混凝土标号试块抗压强度 MPa 平均强度 MPa 备注 1 11 21 3 C40 41 341 241 1 41 1混凝土材料 表表 3 3 钢筋力学性能指标钢筋力学性能指标 直径 mm 编号 屈服荷载 kN 屈服强度 MPa 屈服强度平 均值 MPa 伸长率 弹性模量 GPa 1 139 635024 12 1 241 3365 357 5 22 200 2 152 634222 14 2 253 1345 343 5 23 200 表表 3 4 植筋钢筋拉拔力试验结果植筋钢筋拉拔力试验结果 直径 mm 试件编号 钢筋设计屈服荷载 kN 植筋试验极限拉 拔力 kN 拉拔力平均值 kN 1 133 945 7 12 1 233 944 9 45 3 2 146 260 1 14 2 246 258 8 59 5 3 3 试验加载方案 3 3 1 试验加载方法 根据试验之前所构想的方案 本试验采用静力加载试验对整浇及加固改造试件进 行研究分析 在静力荷载的作用下 观测试件的裂缝的变化 荷载与变形的关系 试 件的抗裂性能及试件的破坏机理 在试验进行对比的情况下 分析整浇试件及加固试 大学硕士学位论文 14 件的承载力性能 目前 静力加载试验时比较常用的一种加载方式 3 3 2 试验加载装置和加载制度 1 试验加载装置 试件采用单调静力加载方案 试验所需的设备采用分配梁液压加载系统进行加载 试验荷载取值为标准荷载 加载采用三分点加载图示见图 3 6 实际加载装置由钢结构 自平衡式荷载梁及钢墩 支座 钢制荷载分配梁 以及液压油泵和液压加载器等组成 见图 3 7 1 液压加载器 2 荷载分配梁 3 试件 4 支撑架 图 3 6 试验加载装置示意图 2 试验加载制度 本试验采用分级加载制度 加载采用荷载及位移控制方式 试验正式加载前先进 行预加载 预加载目的是为了检查试件安装是否可靠 试验中应变片与导线的连接是 否接触良好 试验中的函数仪及应变仪是否连接良好 故试件在外部荷载作用下 需 要对试件进行预加载 预加载的取值一般是开裂荷载的 50 左右 试验中 一次性整 浇梁 原梁试件 预加载荷载取 9 8KN 加固改造试件预加载荷载取 10 55kN 图 3 7 试验加载装置 正式加载 使用液压加载系统对结构试件进行加载 逐步对结构试件进行加载 起初加载按荷载控制 待试件屈服后 按位移控制加载 直至试件宣告破坏为止 停 止加载 在试验加载过程中 同时记录相应所需要的数据 并观察试验数据的变化和 裂缝发展的情况 试验加载每级荷载取值见下表 3 5 3 8 中加载程序表 表表 3 5 原梁试件加载程序原梁试件加载程序 级荷载值 kN 累计值 kN 备注 000 1 15 39 8 1 29 819 6 2 15 324 9 梁及分配梁自重 4 5kN Pcr 19 6kN 2 29 834 7 319 654 3 419 673 9 519 693 5 3 加大截面法加固混凝土受弯构件受力性能试验概况 15 6 19 8103 3 6 29 8113 1 Ps 113 1kN 70 5 113 1 0 5 80 5 113 1 90 5 113 1 1 5 100 5 113 1 2 P 272 7kNu 表表 3 6 加固试件加固试件 JSJ 1 加载程序加载程序 级荷载值 kN 累计值 kN 备注 000 1 16 0510 55 1 210 5521 1 梁及分配梁自重 4 5kN Pcr 21 1kN 2 110 5531 65 2 210 5542 2 310 5552 75 421 173 85 521 194 95 610 55105 5Ps 105 5kN 70 5 105 5 0 5 80 5 105 5 90 5 105 5 1 5 100 5 105 5 2 P 243kNu 表表 3 7 加固试件加固试件 JSJ 2 加载程序加载程序 级荷载值 kN 累计值 kN 备注 000 1 16 0510 55 1 210 5521 1 2 12 6523 75 梁及分配梁自重 4 5kN Pcr 23 75kN 2 210 5534 3 321 155 4 421 176 5 521 197 6 6 110 55108 15 6 23 4111 55Ps 111 55kN 大学硕士学位论文 16 70 5 111 55 0 5 80 5 111 55 90 5 111 55 1 5 100 5 111 55 2 P 255kNu 表表 3 8 加固试件加固试件 JSJ 3 载程序载程序 级荷载值 kN 累计值 kN 备注 000 1 16 0510 55 1 210 5521 1 2 12 6523 75 梁及分配梁自重 4 5kN Pcr 23 75kN 2 210 5534 3 321 155 4 421 176 5 521 197 6 6 110 55108 15 6 23 4111 55Ps 111 55kN 70 5 111 55 0 5 80 5 111 55 90 5 111 55 1 5 100 5 111 55 2 P 268 4kNu 3 4 试验观测方案 3 4 1 观测内容 根据本课题的研究目的 试验观测内容主要包括下列六个方面 1 测定试件的开裂荷载 屈服荷载以及试件的极限承载力 2 测定纵向受力钢筋及增设构造植筋的应变 3 测定试验梁的变形 绘制