玄武岩纤维布加固损伤混凝土梁抗弯承载力力学性能研究

发布时间：2015-01-16 15:59

 

【摘要】 近年来随着社会经济的发展，公路的交通负荷越来越重，现有桥梁频繁出现病害和损伤，承载力降低，使用性能下降。我国目前的桥梁工程建设已经从过去的大面积新建工程转为新建与已建桥梁补强加固相结合的阶段。据资料显示，加固工程相对新建工程而言，可节约大概40%左右的投资成本，缩短约50%时间成本，具有明显的经济优势。既有结构的承载力减弱，主要体现在抗弯和抗剪两个方面，且大部分的损伤体现在挠度、裂缝和表面破损等指标。近年来新兴的玄武岩纤维布不仅抗拉强度与弹性模量较高，而且其粘结性、耐热性和抗腐蚀性等物理性能优越，在土木结构和构件中得到广泛使用，尤其在钢筋混凝土结构加固补强方面的应用越来越受到青睐。本文在玄武岩纤维布加固损伤钢筋混凝土梁的试验基础上，研究梁的抗弯、抗剪性能及挠度裂缝计算方法，以期为玄武岩纤维布加固损伤钢筋混凝土梁的设计、施工提供理论依据。论文中先对玄武岩纤维布加固损伤混凝土梁抗弯性能开展研究，通过外贴玄武岩纤维布加固损伤钢筋混凝土梁的试验，研究不同配筋率、加固量、初始荷载及加载历史情况下梁的屈服荷载、破坏荷载及钢筋、混凝土和玄武岩纤维布的应力应变变化规律，研究给出不同破坏模型下玄武岩纤维布加固混凝土梁的抗弯承载力计算公式。又对玄武岩纤维布加固损伤混凝土梁的抗剪性能开展研究，研究不同剪跨比、加固量、初始荷载等情况下梁的抗剪承载力变化规律。修正了玄武岩纤维布加固损伤混凝土梁的抗剪承载力计算公式。同时文中还对玄武岩纤维布加固梁的挠度和裂缝计算开展研究。分析玄武岩纤维布加固损伤钢筋混凝土梁的挠度及裂缝变化规律，修正了玄武岩纤维布加固梁的挠度和裂缝间距及裂缝宽度计算方法。结合工程实际，通过对哈伊公路桥梁采用玄武岩纤维布加固研究，验证了本文提出的玄武岩纤维布加固损伤混凝土梁抗弯、抗剪承载力计算公式的有效性，可为实际加固工程提供参考。

第 1 章  绪  论

据相关部门统计，我国现有的50多亿平方米城镇建筑中，大约有20多亿平方米需要进行分期、分批的鉴定、修缮和加固处理，其中约有10多亿平方米必须立即着手加固或改造后方能正常使用。从新建项目占基建总投资的比例上来看，也己经从国家“一五”期间的96%下降到了当前的43%左右[1]。我国当前的城镇建设的发展，已经从以往单一的新区开发，转变为当下的新区开发建设与旧城项目改造相结合。目前诸多混凝土结构物，由于施工质量不过关、地质灾害及结构老化等因素影响，已出现了较严重的病害隐患。急需提高其抗弯、抗剪和抗拉等力学特性，改善结构的抗震和抗爆的性能。根据相关资料显示，在节约项目投资造价方面，，改建一个既有项目比新开工建设一个新项目可节约40%，工程进度上可缩短约50%，而投资回报的速度方面改建工程更是新建工程的3~4倍。对于出现问题的工程结构，如果能及时采取有效措施进行一定程度上地补强与加固处理，从而可以很好地提高其安全性，增强其适用性和耐久性，从而满足人们的正常需求。
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第 2 章  BFRP 加固损伤混凝土梁抗弯性能试验研究

2.1 试验方案
根据已有的资料并结合尺寸效应等因素，本次试验选取的加固试验梁截面尺寸选取为 b×h=150mm×250mm，梁长 2600mm，计算跨径 l=2400mm，混凝土强度等级 C40。试验梁按照配筋率不同分为两组，A1 组：纵向受力钢筋型号为 HRB335，直径为 12mm 的 2 根钢筋布置于受拉区；架立钢筋型号为 HPB235，直径为 8mm。A2 组纵向受力钢筋型号为 HRB335，直径为 16mm 的 2 根钢筋布置于受拉区；架立钢筋型号为 HPB235，直径为 8mm；箍筋均采用 HPB235，直径为 8mm。方案设计过程中考虑到纵筋配筋率及纤维布加固量的多少对加固梁受力性能会产生一定影响，因此在计算时把试验梁截面纵筋配筋率设计为0.7%和 1.22%两个水平；受弯试验梁的几何参数及配筋见表 2-1 及图 2-1。

2.2 材料性能试验
对比梁在弹性工作阶段混凝土应变、钢筋应变和跨中位移均为线性发展，且开裂荷载较小。与弹性阶段受力情况相比，开裂后梁体刚度有下降，混凝土及钢筋应变曲线发生明显转折。而当进入裂缝工作阶段，其混凝土及钢筋跨中位移变化明显，应变发展更为迅速。当达到纵筋屈服阶段后，试验梁的混凝土及钢筋跨中位移变化更加强烈，应变变化急剧增加。而在整个塑性阶段由于承载力增长幅度较小，但变形变化较大，因而造成混凝土发生受压破坏。

第 3 章  BFRP 加固损伤混凝土梁抗弯承载力研究 .............. 46
3.1  本构关系 ................................. 46
3.2 BFRP 加固梁正截面抗弯承载力有限元分析 ....................... 49
3.3 BFRP 加固梁抗弯承载力计算方法 ............ 60
第 4 章 BFRP 加固损伤混凝土梁抗剪性能试验及承载力研究 .......... 71
4.1  试验方案 ......................... 71
4.2  试验现象及结果分析 ......................... 74
4.2.1 试验过程及现象 ........................... 74
第 5 章  BFRP 加固混凝土梁的挠度和裂缝分析 ...................... 90
5.1 BFRP 直接加固梁挠度计算方法分析 ....................... 90
5.1.1 钢筋混凝土梁刚度分析方法 ............................. 90

第 6 章  玄武岩纤维布实桥加固研究

6.1 工程概况
哈伊公路铁力西大桥位于铁力往哈尔滨侧出口处，分左、右双幅。左幅桥于 1971 年 2 月完成设计，1973 年建成通车，桥梁总长 175.20m；右幅桥于 1997年 8 月建成通车，桥梁全长 182.35m。其中右幅桥上部为 5 孔 31.7m 双悬臂 4肋式 T 型刚构带挂梁，T 构长 12.35m，挂孔梁长 20.05m；下部为钻孔桩实体式墩台，桥面布置为：1.8m 人行道+7.3m 行车道。该桥于 1996 年开工建设，1997 年 8 月竣工交付使用。 2009 年 6 月 29 日 2 时 40 分许，哈伊公路铁力西大桥左幅桥发生桥体垮塌事故。左幅桥坍塌后，所有路经此桥的交通流都集中到了右幅桥。通过对桥梁的外观检查和荷载试验，在主梁抗弯加固中使用玄武岩纤维布材料，并对加固方案和加固效果进行了研究。

6.2 玄武岩纤维布粘贴方案
本桥采用的加固方式为复合加固即钢板和纤维布加固，在抗剪区采用钢板加固，钢板通过结合力很强的粘结材料与梁体混凝土紧密结合为一体共同承担荷载，钢板的作用如同混凝土内部的钢筋，能很好地提高梁的抗剪承载力。由于本文只研究了玄武岩纤维布这种材料的加固对桥梁结构的影响，所以在下面的计算中只考虑了纤维布加固对结构的影响，未考虑钢板加固。在抗弯区主梁加固选用抗动载、抗疲劳性能良好的玄武岩纤维单向布，其抗拉强度为2200MPa，弹性模量为 2.2?105MPa，名义厚度 0.2mm，公称宽度 200mm,沿梁底全宽180mm粘贴3层，并延伸入腹板至少200mm。每层的设计厚度为0.2mm。
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结   论

本文通过试验研究和理论分析，取得了以下研究成果：
1、通过试验研究不同的配筋率、加固量、初始荷载及加载历史情况下梁的屈服荷载、极限荷载及钢筋、混凝土和玄武岩纤维布的应力应变变化规律，应用理论推导和有限元软件分析影响加固梁抗弯承载力的主要因素，进一步明确了外贴玄武岩纤维布加固梁的作用机理和影响因素，推导了不同损伤情况下玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算公式。
2、通过外贴玄武岩纤维布加固损伤钢筋混凝土梁的试验，研究不同剪跨比、粘贴率、初始荷载等情况下梁的抗剪承载力变化规律，并利用有限元软件分析和理论推导，修正了玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力计算方法，并通过试验数据结果论证了计算公式的正确性。
3、在室内试验研究的基础上，分析了玄武岩纤维布加固损伤钢筋混凝土梁的挠度及裂缝变化规律，在现有研究成果的基础上，修正了不同破坏模式下玄武岩纤维布加固梁的挠度和最大裂缝宽度的计算方法。 
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参考文献:

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本文编号：11659