体外预应力钢丝绳加固RC梁受剪性能的研究

摘要

随着我国经济和社会的快速发展，大量旧有桥梁的维修加固问题日益突出，在诸多桥梁加固方法中，体外预应力加固技术以其中断交通时间短、施工简便、经济高效、加固效果好等有点，被广泛用于旧桥加固施工中。而在既有桥梁中，梁端受剪破坏是一种常见的破坏形式，主要表现为主拉应力裂缝数量多，宽度超限，斜裂缝向跨中发展，严重影响结构的安全。造成受剪破坏的原因主要有抗剪承载力不足、材料性能退化、车辆超载等。目前，对抗剪能力加固，主要有粘贴钢板、粘贴高强复合材料、增大截面、体外预应力等加固方法。其中前三种均属于被动加固，只有体外预应力法属于主动加固，经常与抗弯加固配合作用，效果良好，但需设置转向块，构造复杂，施工繁琐。钢丝绳体外预应力加固，采用分散的钢丝绳进行加固，预应力分散布置，吨位小，锚固简便，不需转向装置，施工方便，是抗剪加固的一种新的尝试，为旧有混凝土桥梁及部分大跨径预应力混凝土桥梁普遍存在的斜裂缝加固提供新的途径，以改善桥梁受力状况、保证桥梁运营安全、延长桥梁的使用寿命，带来明显的直接及间接经济效益。本文的主要内容和研究结果如下:
　　(1)体外预应力筋加固效果的研究
　　模拟旧桥使用损伤状态，设计3片基准梁和23片加固梁进行体外预应力钢丝绳加固试验，试验梁截面尺寸为20cm×40cm，梁长为300cm，对加固梁的抗剪效果进行了系统的试验研究，试验内容包括体外筋加固作用对加固梁的极限承载力、裂缝变化、箍筋应变的影响，试验结果表明，体外预应力筋加固方法能够有效提高钢筋混凝土梁的抗剪能力，推迟梁体开裂，提高箍筋屈服荷载。
　　(2)试验梁设计参数对加固效果的影响
　　按照试验梁的设计参数建立非线性有限元计算模型，对设计模型进行抗剪承载力计算，并加密设计参数弥补试验梁的不足，通过非线性有限元方法对待加固梁的混凝土强度等级、体内配箍率、纵向配筋率等设计参数以及体外参数包括钢丝绳间距、预加力大小、加固梁带载水平等因素对抗剪加固效果的影响进行了理论研究，揭示了体外钢丝绳抗剪加固的机理，总结了原梁参数和体外参数对加固效果的影响规律。计算结果表明，有限元计算结果与试验结果吻合良好;抗剪承载力随着配箍率、纵筋配筋率、混凝土标号、体外筋预加力的增大而明显提高，随着剪跨比、带载水平、体外筋间距的增大而减小。
　　(3)加固梁抗剪承载能力计算方法的研究
　　综合分析了国内外现有的抗剪承载力计算方法，在此基础上采用遗传-回归的方法，利用Matlab计算软件对试验数据和有限元计算数据进行优化分析，建立了基于桁架-拱模型的抗剪承载力计算模型，提出了体外钢丝绳、带载水平和混凝土损伤三个系数η1、η2、η3。并根据本课题抗剪加固试验数据检验了所提公式的可靠性。
　　本文的研究成果为体外预应力加固钢筋混凝土梁的加固设计、施工方案、承载力计算提供了理论依据，可供参考使用。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 钢筋混凝土结构抗剪加固的原因和必要性

1．2．1 我国桥梁现状

1．2．2 我国桥梁总体特点

1．2．3 桥梁常见病害

1．3 抗剪加固研究现状

1．3．1 抗剪加固方法研究现状

1．3．2 抗剪承载力计算方法研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 体外预应力钢丝绳抗剪加固试验

2．1 试验目的和研究内容

2．2 试验梁设计与制作

2．2．1 试验梁设计

2．2．2 试验梁制作

2．2．3 试验材料

2．2．4 试验梁锚固装置

2．2．5 结构灌缝胶性能试验

2．3 试验内容

2．3．1 原梁预裂

2．3．2 试验梁加固

2．3．3 加固梁试验

2．3．4 试验测试内容

2．3．5 测量仪器

2．3．6 加载破坏标志

2．4 本章小结

3 体外预应力钢丝绳加固梁抗剪性能的试验研究

3．1 加固梁破坏形态

3．2 裂缝情况

3．3 抗剪极限承载能力分析

3．4 加固效果影响因素分析

3．4．1 原梁参数对加固效果的影响

3．4．2 体外钢丝绳参数对加固效果的影响

3．5 加固梁加固机理分析

3．6 钢丝绳体外预应力损失

3．7 本章小结

4 钢筋混凝土梁有限元理论

4．1 有限元理论概述

4．2 钢筋混凝土的非线性有限元分析

4．2．1 有限元分析原理

4．2．2 有限元应用软件

4．2．3 有限元法在RC梁分析中应用

4．3 RC梁有限元分析的基本假设

4．3．1 模型的选择

4．3．2 单元的选择

4．3．3 材料的本构关系

4．3．4 非线性问题的求解方法

4．3．5 混凝土的屈服准则

4．3．6 混凝土硬(强)化法则

4．3．7 混凝土破坏准则

4．4 本章小结

5 体外预应力钢丝绳抗剪加固梁有限元分析

5．1 试验粱非线性有限元计算模型的建立

5．1．1 基本假设

5．1．2 混凝土、钢筋和钢丝绳的材料属性

5．1．3 建立梁体模型

5．1．4 建立体外钢丝绳模型

5．1．5 钢丝绳体外预应力施加

5．1．6 模仿混凝土损伤

5．1．7 分析方法

5．1．8 收敛控制

5．1．9 模型计算结果分析

5．2 模型有效性的验证

5．3 模型计算

5．3．1 模型的影响因素设计

5．3．2 有限元计算结果分析

5．4 本章小结

6 加固梁抗剪承载能力计算方法的研究

6．1 遗传算法基本原理及特点

6．1．1 遗传算法的特点

6．1．2 遗传算法的数学原理

6．1．3 遗传算法的应用过程

6．2 逐步回归法分析原理

6．3 遗传-回归模型建立及程序实现

6．3．1 模型建立基本原理

6．3．2 程序建立步骤

6．4 基于桁架-拱计算模型的体外预应力筋抗剪加固计算方法

6．4．1 桁架-拱模型

6．4．2 基本假定

6．4．3 确定模型因子和参数

6．4．4 算法验证

6．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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