钢板—混凝土组合加固方法试验研究及实桥应用

摘要

我国上个世纪80年代前修建的众多公路桥梁由于设计荷载等级较低或其运营过程中受各种因素的影响出现了不同程度的病害，导致桥梁承载能力下降，已不能满足交通发展的需要，对这些在役桥梁进行旨在提高其承载能力的加固改造已迫在眉睫。因此，桥梁维修、加固及改造技术研究已成为桥梁科技发展的重要方向。随着材料科学的发展，新型实用加固改造技术不断出现。钢板-混凝土组合加固技术通过合理地运用钢板与混凝土两种材料以及结合界面连接件的合理构造布置，形成一种可显著提高桥梁承载力与结构刚度的新型实用加固技术。但国内外对此方面的研究尚不够深入。由此可见，开展钢板－混凝土组合加固混凝土桥梁的研究，具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　论文主要针对钢板－混凝土组合加固混凝土桥梁方法与工程应用中的关键技术问题，通过模型梁试验、理论及数值模拟分析、实桥应用，对钢板—混凝土组合加固梁的受力性能进行了系统研究并提出相应的理论计算公式；完善钢板—混凝土组合加固技术设计计算方法并结合依托工程，提出实用的结构连接方式，采用钢板—混凝土组合加固和粘贴钢板两种方法完成了两座桥梁的加固设计，通过桥梁荷载试验将两种加固方法的加固效果进行比较研究，最后通过加固前后、运营后测试验证组合加固混凝土桥梁的效果。本文的研究工作为钢板—混凝土组合加固技术在桥梁加固工程应用提供了技术支持。研究成果包括：
　　本文开展了钢板—混凝土组合加固T形钢筋混凝土梁的抗弯性能试验研究、数值分析，观察试验梁从加载到破坏的各阶段现象以及破坏形式，对试验得到的抗弯承载能力、变形和应变结果进行详细的分析。试验结果表明：钢板-混凝土组合加固可使混凝土T梁极限抗弯承载力提高约2倍；植筋间距、原梁弯曲损伤程度对组合加固T梁的极限抗弯承载力影响仅为4％左右；植筋间距越大，新老混凝土界面纵向相对滑移越大。基于使用有限元软件Ansys采用塑性方法对钢筋混凝土T形梁组合加固后的受力性能进行分析，并与试验结果对比，表明试验梁加固后极限抗弯承载力的数值计算结果与试验结果相差最大为9%。最后建立了钢板—混凝土组合加固钢筋混凝土T形梁极限抗弯承载力理论计算公式。
　　本文进行了钢板—混凝土组合加固钢筋混凝土T形梁的抗剪性能试验研究和数值分析。对损伤后的混凝土T形梁进行了组合加固抗剪承载力试验，得到了试验梁剪切破坏时的受力特性以及极限承载力，揭示了钢板－混凝土组合加固钢筋混凝土T梁的剪压破坏机理。钢板－混凝土组合加固钢筋混凝土T梁的有限元计算结果与试验结果吻合较好，并由此提出了组合加固钢筋混凝土T形梁的抗剪承载力计算公式，极限抗剪承载力计算结果与试验结果吻合较好。
　　本文将钢板－混凝土组合加固技术应用于火灾受损的混凝土连续箱梁桥和空心板桥的加固抢修；加固设计提出了两种连接构造措施，能够确保原结构和新混凝土、钢板形成整体共同工作，结构安全耐久，性能可靠。
　　本文将钢板－混凝土组合加固技术与粘贴钢板加固加固技术同时运用于实桥主梁加固，并将采用两种加固技术加固后的主梁受力性能进行了分析对比，在荷载作用下采用组合加固的主梁应变理论计算值及实测值均明显小于采用粘钢加固的主梁，采用组合加固主梁底板应变校验系数均小于1且相对均匀。数据结果表明采用组合加固方法加固能够保证新旧结构整体受力性能较好。组合加固方法对主梁刚度和整体工作性能提高效果优于粘钢加固方法。
　　本文的研究成果已纳入陕西省地方标准《钢板-混凝土组合加固混凝土桥梁设计与施工技术规程》，也可为其他钢板—混凝土组合加固混凝土桥梁提供借鉴。

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第一章 绪 论

1.1 国内外桥梁使用现状及存在问题

1.2 桥梁加固技术研究现状

1.3 国内外钢板－混凝土组合加固的研究现状

1.4 亟需解决的问题与本文的研究内容

第二章 钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究

2.1 项目概况

2.2 模型梁材料性能试验

2.3 模型试验梁的试验概况

2.4 模型试验梁试验结果分析

2.5 T形加固试验梁承载力及刚度分析

2.6 Ansys数值模拟结果

第三章 钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁抗剪性能研究

3.1 试验梁概况

3.2 钢板-混凝土组合加固试验梁材性试验

3.3 抗剪试验概况

3.4试验梁抗剪加固试验结果分析

3.5 试验梁抗剪承载力分析

3.6 Ansys数值模拟结果

3.7 小结

第四章 钢板-混凝土组合加固设计计算理论方法研究

4.1 钢板-混凝土组合加固抗弯承载能力理论分析

4.2 钢板-混凝土组合加固抗剪承载能力理论分析

4.3 小结

第五章 钢板-混凝土组合加固实桥应用研究

5.1 加固实桥概况

5.2 加固方案拟定

5.3 连接构造措施对比分析

5.4 加固效果验证试验

5.5 组合加固后桥梁极限抗弯承载力分析

5.6 小结

第六章 结论及建议

6.1 主要结论

6.2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢