CFRP筋体外预应力加固钢筋混凝土梁受弯性能研究

发布时间：2019-05-16 09:58

【摘要】：重载铁路是提高铁路货物运能的关键设施,其运送能力大,经济和社会效益显著。随着我国经济的发展,提高车辆轴重是今后重载运输的主要发展方向。对于既有铁路线路,轴重增加将对桥梁的冲击振动加剧,并会引起梁体开裂等病害,严重危及铁路行车安全。在诸多桥梁加固方法中,体外预应力技术因能显著提高承载力而被广泛应用。但传统体外预应力加固技术中锚固装置的施工周期较长,且体外筋的养护工作较为繁琐,因此,研发新型体外预应力加固装置,对保障铁路运输安全、实现重载铁路运输的可持续发展具有十分重要的意义。本文在国家“863计划”项目子课题(编号：2009AAllZ102-2)的资助下,针对重载桥梁结构形式,提出预应力体系的合理布置方式,研制一套CFRP(碳纤维增强塑料)筋体外预应力锚固及张拉装置,采用试验研究、理论分析与有限元模拟计算相结合的方法,系统研究预应力CFRP筋加固梁受弯性能,主要工作及成果如下： (1)对预紧后的CFRP筋与锚具组装件进行反复抗拉强度试验,研发新型CFRP筋体外预应力加固体系,研制出一套CFRP筋体外预应力加固混凝土桥梁的锚固装置及相应的张拉装置,并应用于T形截面混凝土梁进行锚固性能试验研究及有限元分析。结果表明：设计的预紧装置能对CFRP筋夹片式锚具进行有效预紧；CFRP筋锚固装置在加固梁的整个受力过程中与梁体保持协同工作；锚固装置在整个受力过程中表现良好的弹性工作状态,且腹板孔洞附近混凝土的最大主应力小于混凝土的抗拉强度标准值；研制的CFRP筋体外预应力加固装置满足重载铁路桥梁加固“快速、不间断运输且大幅度提高承载力”的要求。 (2)考虑初始张拉应力、混凝土强度等级、体内非预应力钢筋配筋率以及梁体加载前的原始裂缝宽度等因素,设计制作了11根T形截面混凝土梁试件,通过静力试验,研究了CFRP筋体外预应力加固受弯性能。结果表明：CFRP筋体外预应力加固梁的受力过程与未加固梁的相似,正截面工作阶段可划分为弹性工作阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段；与未加固梁相比,采用CFRP筋体外预应力加固,可显著提高混凝土梁的受弯承载力、整体刚度和极限变形能力,并有效抑制裂缝发展；张拉控制应力和非预应力筋配筋率对加固梁受弯承载力影响较为明显,而混凝土强度等级影响较小；原始裂缝的存在对加固梁的开裂荷载影响较大,但对屈服荷载和极限荷载的影响较小；施加的体外预应力能使初始开裂混凝土梁的裂缝达到完全闭合的状态；在加固梁体开裂之前,梁体截面(包括CFRP筋)应变变化规律符合平截面假定,梁体开裂之后,CFRP筋平均应变明显小于梁体混凝土的应变；加固梁的可变形性随混凝土强度等级、体内非预应力筋配筋率以及初始张拉应力的提高而降低,而随着原始裂缝宽度的增大而增大。 (3)通过预应力CFRP筋的张拉锚固试验及2根不同张拉控制应力加固梁的长期应力观测试验,借鉴既有预应力损失计算方法,开展CFRP筋预应力损失研究。结果表明：CFRP筋体外预应力加固混凝土梁预应力损失的引起因素主要有5个：混凝土弹性压缩、锚固钢板回缩、温度变化、混凝土收缩徐变、CFRP筋松弛和钢板的长期变形；CFRP筋的初始应力水平越高,预应力损失越大；2根试验梁100d观测结果为CFRP筋总预应力损失分别占其初始张拉应力的12.3%和19.5%,其中,预应力瞬时损失占初始张拉应力的2.1%和4.2%,长期损失占初始有效应力的10.5%和16.0%；初始应力水平较高时,CFRP筋松弛和钢板的长期变形是引起长期预应力损失的主要因素。 (4)根据试验结果及锚固装置自身特点,运用等效塑性铰区长度计算理论计算CFRP筋极限应力增量,在此基础上,考虑二次效应,建立了CFRP筋体外预应力加固T形截面混凝土梁受弯承载力计算公式,并采用ABAQUS软件对加固梁受弯承载力和CFRP筋应力增量的影响因素进行拓展分析,可供实际工程设计参考。 (5)基于试验结果,结合理论分析,对CFRP筋体外预应力加固T形截面混凝土简支梁的短期挠度计算方法进行了研究。结果表明：存在原始裂缝的混凝土梁在施加CFRP筋体外预应力的过程中,截面抗弯刚度计算应分有裂缝和裂缝闭合两阶段考虑；考虑二次效应的影响,运用等效惯性矩法建立了CFRP筋体外预应力加固T形截面混凝土梁的短期挠度计算公式,可供实际工程设计参考。最后,在总结全文的基础上,提出进一步研究的建议。
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【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU375.1

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