高强钢绞线网—聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁式桥试验研究与机理分析

论文摘要

高强钢绞线网-聚合物砂浆加固技术作为一种新型的加固方法,在工程界的运用正逐步兴起。对该加固技术的加固机理和设计方法进行研究是该技术推广运用的前提和基础。本文围绕河北沧州东关大桥加固工程,经过一系列试验研究,深入分析了高强钢绞线网-聚合物砂浆加固层与混凝土界面之间的粘结破坏机理、高强钢绞线网-聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁的抗弯和抗剪性能;确立了从承载力计算、界限配筋率、到剥离强度验算的加固梁计算体系;并通过东关大桥加固前后的静载试验和动力性能分析,验证了计算体系和加固效果。取得的主要成果有以下几个方面。1、通过243个测点的正拉粘结强度试验、24个测点的剪切粘结强度试验、9个界面剥离破坏试验,分析了聚合物砂浆与混凝土之间的粘结性能及影响因素。研究认为抹灰龄期、界面粗糙度、混凝土和砂浆强度、修补方位等是影响粘结性能的主要因素,其显著性水平按此顺序由高到低排列;此外,加固层长度对剥离强度的影响非常显著,存在有效锚固长度的限制;结合试验数据提出了粘结面正拉强度模型、剪切强度模型、加固层剥离强度模型;结合有限元分析,提出并验证了加固层粘结-滑移本构关系;分析了加固层各材料之间的粘结锚固性能,提出高强钢绞线与聚合物砂浆之间的粘结强度计算模型和锚固长度计算公式;最后结合试验提出加固施工中的注意事项。2、依据高强钢绞线网-聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁试验研究以及加固材料与混凝土之间的粘结性能试验研究,分析了高强钢绞线网-聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁破坏模式,着重对加固层界面剥离破坏受力机理进行了深入研究。从加固界面“粘结破坏区”出发,引出“粘结破坏层”概念,建立基于“粘结破坏层”的抗弯构件端部剥离破坏剪应力和正应力的解析解,提出端部剥离破坏准则以及端部剥离承载力简化计算公式;分析了抗弯加固梁中部剥离破坏机理,建立基于“粘结破坏层”的抗弯加固梁中部剥离破坏承载力计算公式,并建立了相关破坏准则;从“粘结破坏层”角度出发,分析了抗剪加固剥离破坏受力机理,基于抗剪加固试验研究和数值分析结果,建立了剥离承载力计算公式。3、依据本文5根6.6m跨的T形梁抗弯加固试验及其14根梁的抗弯加固数值试验、9根2.5m跨的矩形梁抗剪加固试验及其12根梁的抗剪加固数值试验,分析了混凝土强度、原梁配筋率、原梁配箍率、高强钢绞线用量、二次受力、剪跨比、加固方式等因素对高强钢绞线网-聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁受力性能的影响;结合粘结强度和剥离破坏的研究,提出了加固梁抗弯、抗剪承载力计算公式、考虑和不考虑剪切变形影响下的挠度计算公式、最大弯曲裂缝和斜裂缝宽度计算公式、高强钢绞线界限用量计算公式。最终确立了较为完善的加固梁计算体系,并且所有计算结果与相关试验数据吻合良好。4、为考察高强钢绞线网-聚合物砂浆加固东关大桥的受力性能,本文进行了东关大桥加固前后的车辆静载试验;在此基础上,根据已有的交通调查,建立模型车辆库,编制桥梁荷载谱程序VLS,实现了随机车辆荷载谱的构造及有限元程序的加载,为桥梁结构在随机车辆荷载谱作用下的动力分析、疲劳分析提供了一种可行的方法;并利用该方法分析了车辆荷载谱作用下桥梁加固前后的动力性能。结论进一步表明加固梁计算体系是可行的;动力作用下最不利荷载为密集运营状态下的二车道同向偏载作用,该荷载作用下加固桥梁完全满足承载能力的要求;桥梁横向振动普遍较小,中小跨径公路钢筋混凝土桥梁的横向振动可以忽略不计,并且车流方向对桥梁振动的影响不大;与加固前对应状态相比,加固使桥梁最大挠度减小14.97%,一阶频率提高6.94%,桥梁整体刚度和承载力获得较大幅度提高,加固效果明显;与静载试验相比,最不利荷载作用下桥梁动挠度要小于汽车-超20级静载作用下的挠度,加固后的东关大桥能够达到汽车-超20级荷载的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 既有桥梁的现状及加固维修的意义
• 1.2 桥梁上部结构加固常用方法及适用性分析
• 1.3 本课题来源
• 1.3.1 沧州大桥概况
• 1.3.2 东关大桥加固方案
• 1.3.3 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固技术概述
• 1.4 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固技术研究现状
• 1.4.1 砂浆薄层加固技术研究现状
• 1.4.2 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固技术研究现状
• 1.5 存在的关键问题与本文的主要工作
• 1.5.1 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固混凝土界面行为研究
• 1.5.2 高强钢绞线网-聚合物砂浆抗弯加固研究
• 1.5.3 高强钢绞线网-聚合物砂浆抗剪加固研究
• 1.5.4 本文主要研究内容
• 1.5.5 本文技术路线
• 1.6 本章总结
• 参考文献
• 第二章 高强钢绞线网-聚合物砂浆粘结破坏机理研究
• 2.1 引言
• 2.2 粘结机理研究现状
• 2.2.1 粘结机理
• 2.2.2 界面粘结性能的影响因素
• 2.2.3 现有新旧混凝土粘结性能的试验研究
• 2.2.4 砂浆薄层与混凝土界面粘结的特点
• 2.3 高强钢绞线网-聚合物砂浆材料性能分析
• 2.3.1 高强不锈钢绞线网材料性能
• 2.3.2 聚合物砂浆材料性能
• 2.4 聚合物砂浆与混凝土界面粘结性能试验研究
• 2.4.1 加固层界面抗拉性能试验研究
• 2.4.1.1 正拉粘结破坏特征
• 2.4.1.2 粗糙度对正拉粘结强度的影响
• 2.4.1.3 龄期对正拉粘结强度的影响
• 2.4.1.4 混凝土和砂浆强度对正拉粘结强度的影响
• 2.4.1.5 修补方位对正拉粘结强度的影响
• 2.4.1.6 正拉粘结强度影响因素显著性分析
• 2.4.1.7 正拉粘结强度计算公式
• 2.4.1.8 正拉粘结强度简化计算公式
• 2.4.2 加固层界面抗剪性能试验研究
• 2.4.2.1 粗糙度对剪切粘结强度的影响
• 2.4.2.2 混凝土和砂浆强度对剪切粘结强度的影响
• 2.4.2.3 修补方位对剪切粘结强度的影响
• 2.4.2.4 剪切粘结强度影响因素显著性分析
• 2.4.2.5 剪切粘结强度计算公式
• 2.4.2.6 剪切粘结强度简化计算公式
• 2.5 加固层界面剥离破坏试验研究
• 2.5.1 剥离破坏试验方案
• 2.5.2 剥离破坏试验结果
• 2.5.3 剥离破坏承载力计算
• 2.5.4 聚合物砂浆加固层-混凝土界面粘结本构模型
• 2.5.4.1 粘结本构模型建立
• 2、ξ₃ 的确定'>2.5.4.2 系数ξ1 、ξ₂、ξ₃的确定
• 2.5.5 高强钢绞线应力发展模型
• 2.6 加固层材料粘结锚固性能研究
• 2.6.1 聚合物砂浆与钢绞线粘结锚固性能研究
• 2.6.2 加固层砂浆厚度、界面粘结力、钢绞线握裹力三者协调关系研究
• 2.7 加固施工要点
• 2.8 本章总结
• 参考文献
• 第三章 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁抗弯试验研究
• 3.2.1 抗弯加固试验设计
• 3.2.2 抗弯试件加固方案
• 3.2.3 抗弯试件制作
• 3.2.4 抗弯加固试验装置及加载方案
• 3.2.5 抗弯试验结果与破坏特征
• 3.2.5.1 主要试验结果
• 3.2.5.2 试验梁破坏过程
• 3.2.5.3 试验梁弯曲特征
• 3.2.5.4 其它主要试验曲线
• 3.2.5.5 平截面假定验证
• 3.2.6 抗弯加固梁刚度分析
• 3.2.7 抗弯加固梁裂缝分析
• 3.3 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁抗剪试验研究
• 3.3.1 抗剪加固试验设计
• 3.3.2 抗剪试件制作
• 3.3.3 抗剪试验装置及加载方案
• 3.3.4 抗剪试验结果与破坏特征
• 3.3.4.1 试验结果
• 3.3.4.2 试验梁破坏过程
• 3.3.4.3 试验梁剪切特征
• 3.3.4.4 其它主要试验曲线
• 3.3.5 抗剪加固梁刚度分析
• 3.3.5.1 加固对梁整体刚度的影响
• 3.3.5.2 加固对梁剪切刚度的影响
• 3.3.6 抗剪加固梁裂缝分析
• 3.4 本章总结
• 参考文献
• 第四章 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁参数分析
• 4.1 引言
• 4.2 ANSYS程序计算混凝土结构的原理
• 4.2.1 单元类型
• 4.2.2 钢筋混凝土有限元模型
• 4.2.3 混凝土材料性质
• 4.2.3.1 本构关系
• 4.2.3.2 混凝土破坏准则
• 4.2.4 钢筋材料性质
• 4.3 ANSYS 模拟钢筋混凝土梁程序验证
• 4.3.1 钢筋混凝土梁抗弯模拟
• 4.3.1.1 有限元模型的建立
• 4.3.1.2 有限元分析结果
• 4.3.2 钢筋混凝土梁抗剪模拟
• 4.3.2.1 有限元模型的建立
• 4.3.2.2 有限元分析结果
• 4.3.3 ANSYS 程序验证结论
• 4.4 高强钢绞线网-聚合物砂浆抗弯加固有限元分析
• 4.4.1 抗弯加固试验梁有限元对比分析
• 4.4.1.1 抗弯加固试验梁有限元模型建立
• 4.4.1.2 抗弯加固试验梁有限元计算结果
• 4.4.2 抗弯加固梁有限元参数分析
• 4.4.2.1 混凝土强度对加固性能的影响
• 4.4.2.2 原梁纵筋配筋率对加固性能的影响
• 4.4.2.3 钢绞线用量对加固性能的影响
• 4.4.2.4 二次受力对加固性能的影响
• 4.5 高强钢绞线网-聚合物砂浆抗剪加固有限元分析
• 4.5.1 抗剪加固试验梁有限元对比分析
• 4.5.1.1 加固层粘结-滑移本构模型选取
• 4.5.1.2 抗剪加固有限元模型建立
• 4.5.1.3 抗剪加固有限元计算结果
• 4.5.2 抗剪加固梁有限元参数分析
• 4.5.2.1 混凝土强度对加固性能的影响
• 4.5.2.2 原梁配箍率对加固性能的影响
• 4.5.2.3 钢绞线用量对加固性能的影响
• 4.5.2.4 加固方式对加固性能的影响
• 4.5.2.5 剪跨比对加固性能的影响
• 4.6 本章总结
• 参考文献
• 第五章 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁剥离机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 抗弯加固剥离破坏研究
• 5.2.1 抗弯加固破坏模式
• 5.2.2 剥离破坏区域应力状态
• 5.2.3 端部锚固剥离破坏分析
• 5.2.3.1 粘结剪应力分析
• 5.2.3.2 剥离正应力分析
• 5.2.3.3 端部剥离破坏准则
• 5.2.3.4 端部剥离破坏简化计算
• 5.2.4 中部弯曲裂缝引起的剥离破坏分析
• 5.2.4.1 中部剥离破坏应力分析
• 5.2.4.2 中部剥离破坏准则
• 5.3 抗剪加固破坏模式
• 5.3.1 抗剪加固破坏模式
• 5.3.2 抗剪加固剥离承载力计算
• 5.4 本章总结
• 参考文献
• 第六章 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁计算体系
• 6.1 引言
• 6.2 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁正截面强度计算
• 6.2.1 抗弯加固正截面强度理论分析
• 6.2.2 抗弯加固正截面承载力简化计算公式
• 6.2.3 抗弯加固正截面变形计算
• 6.2.4 抗弯加固最大裂缝宽度计算
• 6.2.5 抗弯加固钢绞线界限用量计算
• 6.2.5.1 抗弯加固钢绞线最小用量计算
• 6.2.5.2 抗弯加固钢绞线最大用量计算
• 6.2.6 抗弯加固设计流程
• 6.3 高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁斜截面强度计算
• 6.3.1 抗剪加固斜截面强度理论分析
• 6.3.2 抗剪加固梁斜截面强度计算
• 6.3.3 考虑剪切变形的挠度计算
• 6.3.4 抗剪加固斜裂缝宽度计算
• 6.3.4.1 现有斜裂缝宽度计算模型
• 6.3.4.2 抗剪加固最大斜裂缝宽度计算公式
• 6.3.5 抗剪加固设计流程
• 6.4 本章总结
• 参考文献
• 第七章 东关大桥加固前后力学性能分析
• 7.1 引言
• 7.2 东关大桥加固前荷载试验
• 7.2.1 现场检测
• 7.2.2 静力荷载试验
• 7.2.2.1 试验项目
• 7.2.2.2 应变片及位移计的布置
• 7.2.2.3 加载方案
• 7.2.3 静载试验效率分析
• 7.2.4 静载试验结果分析评定
• 7.2.5 加固前荷载试验结论与建议
• 7.3 东关大桥加固后荷载试验
• 7.3.1 现场检测
• 7.3.2 静力荷载试验
• 7.3.2.1 试验项目
• 7.3.2.2 应变片及位移计的布置
• 7.3.2.3 加载方案
• 7.3.3 静载试验效率分析
• 7.3.4 静载试验结果分析评定
• 7.3.5 加固后荷载试验结论与建议
• 7.4 耐久性观测
• 7.5 东关大桥加固梁弯矩复合
• 7.5.1 主梁加固前承载能力校核
• 7.5.2 主梁加固后承载能力校核
• 7.6 东关大桥加固后动力性能分析
• 7.6.1 公路桥梁车辆荷载谱的建立
• 7.6.1.1 交通调查
• 7.6.1.2 汽车典型车辆模型的建立
• 7.6.1.3 Matlab 下随机车辆荷载谱的构造
• 7.6.2 加固前东关大桥在车辆荷载谱作用下的动力分析
• 7.6.2.1 东关大桥有限元模型建立
• 7.6.2.2 模态分析
• 7.6.2.3 静载分析
• 7.6.2.4 荷载谱作用下桥梁空间动力响应分析
• 7.6.3 加固后东关大桥在车辆荷载谱作用下的动力分析
• 7.6.3.1 东关大桥有限元模型建立
• 7.6.3.2 模态分析
• 7.6.3.3 静载分析
• 7.6.3.4 荷载谱作用下桥梁空间动力响应分析
• 7.7 本章总结
• 参考文献
• 第八章 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 附录
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢