既有桥梁预应力CFRP板主动加固技术研究

摘要

CFRP复合材料具有高强度、高抗腐蚀性、良好的抗疲劳性能和减隔震性能等优点，近年来在桥梁结构的加固补强中得了广泛的使用和良好的发展。使用预应力CFRP板加固桥梁结构可以延迟结构裂缝的产生和发展，减小已有裂缝的宽度，CFRP板与结构内部钢筋协同受力，缓解钢筋应力应变，有效提高结构的屈服荷载和极限承载能力。
　　本论文以天定高速龙头嘴沟大桥（简支转连续结构）为工程背景，分析了预应力CFRP板引起加固过程中及加固完成后结构的应力和挠度变化，桥梁动力特性变化等对桥梁加固效果进行综合评价。本论文在得到了甘肃省交通厅工程处龙头嘴沟大桥维修加固项目的支持。文章主要研究内容和结论如下:
　　1、对加固机理行进研究，分析了CFRP板与混凝土的粘结模式;对加固梁的特征弯矩进行了理论推导;分析了界限破坏、CFRP板拉断和受压区混凝土压碎破坏这三种情况下的极限承载能力。
　　2、讨论预应力放张后粘结界面的剪力传递规律，求解出可施加的最大预应力;由本文研究成果可知:增大CFRP片材弹性模量与厚度比，则可对其施加的最大预应力会增大;减小预应力值和粘结胶层的刚度，增大CFRP弹性模量和厚度比，可缓解构件端部剪应力。
　　3、探讨了预应力CFRP板加固桥梁的施工工艺;介绍了U型箍和波形夹具锚固，并进行对比分析，由本文的研究成果可知:波形夹具锚是一种刚性约束，U型锚是柔性约束，在加固工程量较大时，采取可靠的机械锚固。
　　4、针对龙头嘴沟大桥的病害，结合本文的研究成果给出了切实可行的加固方案;建立有限元模型，结合实测数据，分析了CFRP板张拉过程中梁体应力变化和反拱;通过加固前后桥梁的静载试验和脉动试验，对桥梁的加固效果进行评价。由文章的研究结论可知:预应力CFRP板加固桥梁结构能有效改善其应力状态，使其有较大的应力储备:提高结构的极限承载能力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 桥梁加固方法概述

1．1．1 被动加固技术及常用被动加固方法

1．1．2 主动加固技术及常用的主动加固方法

1．2 预应力CFRP板加固研究状况

1．3 预应力CFRP板加固特点及应用

1．3．1 CFRP复合材料的特点

1．3．2 预应力 CFRP板加固桥梁结构的特点

1．3．3 预应力CFRP板在加固工程中的应用

1．4 本文的工程背景及主要研究内容

2 预应力CFRP板加固机理研究

2．1 预应力CFRP板与混凝土的粘结模式

2．1．1 粘结胶结层剪应力

2．1．2 CFRP片材正应力和即时预应力损失

2．2 抗弯承载能力分析计算

2．2．1 破坏模式

2．2．2 计算基本假定

2．2．3 特征弯矩分析

2．2．4 极限承载能力分析

2．3 斜截面受剪承载能力分析

2．4 本章小结

3 预应力CFRP板加固工艺研究

3．1 预应力CFRP板预应力施加方法

3．1．1 反拱法

3．1．2 外部直接张拉法

3．1．3 波形夹具锚张拉法

3．2 预应力CFRP锚固方法研究

3．2．1 有效粘结长度和粘结界面上的应力传递

3．2．2 U型锚固及其模型简化

3．2．3 波形夹具锚固及其模型简化

3．2．4 两种锚固方式的对比分析

3．3 本章小结

4 预应力CFRP板加固过程中的力学机理分析

4．1 预应力损失及有效预应力

4．1．1 预应力损失计算

4．1．2 分批张拉预应力损失及其减小措施

4．2 CFRP板施加的最大预应力的确定

4．2．1 理论分析

4．2．2 CFRP板与混凝土截面的本构关系

4．2．3 理论分析

4．2．4 应力分布分析

4．2．5 结论

4．3 预应力CFRP板引起的反拱计算

4．3．1 双直线法

4．3．2 有效惯性矩法

4．3．3 曲率积分法

4．3．4 虚拟梁法

4．4 预应力CFRP板对桥梁动力特性的影响理论分析

4．5 本章小结

5 预应力CFRP板加固混凝土梁桥及其加固效果评定

5．1 桥梁概况及主要病害分析

5．1．1 桥梁概况

5．1．2 主要病害

5．1．3 病害分析

5．2 主梁维修加固方案设计

5．2．1 预应力CFRP板加固方案设计

5．2．2 体外预应力加固方案设计

5．2．3 加固方案比选

5．2．4 主梁维修加固的施工工艺

5．3 有限元模型的建立

5．3．1 建立加固前后的有限元模型

5．3．2 张拉CFRP板过程中的应力分析

5．4 预应力CFRP板反拱分析

5．4．1 张拉1号梁的反拱分析

5．4．2 张拉2号梁的反拱分析

5．4．3 张拉全部CFRP板后的反拱分析

5．5 加固效果评价

5．5．1 桥梁荷载试验

5．5．2 挠度测量及校验系数

5．5．3 应力测量及校验系数

5．5．4 桥梁加固前后动力特性分析

5．6 本章小结

6 总结与展望

6．1 主要内容及结论

6．2 本文存在的不足及需要进一步研究的问题

致谢

参考文献