结构预应力综合加固法及其在桥梁工程中的应用研究

摘要

桥梁加固时，新旧材料的应力差（可能是新材料的应力滞后或应力超前）是最为常见又必须考虑的技术难题。如何让新旧材料均衡、合理地参与结构（或截面）受力，即如何有效、便捷地解决新旧材料的应力差是不少桥梁加固工作者面临的一个关键问题。为解决此问题，桥梁加固逐渐形成由被动加固向主动加固、由单一加固方法向综合加固法（各种单一加固方法的联合使用）发展的趋势。本文以此为出发点，通过模型试验、理论分析、以及现场试验，主要完成了以下五个方面内容:
　　1、在预弯预应力思想的基础上，结合加固桥梁新旧材料分阶段受力的特点，本文分析并定义了“结构预应力”。并在此基础上，系统提出了结构预应力综合加固法的核心思想和内容。同时，基于桥梁加固设计的目的及基本原则，详细分析了该方法的优点和适用性。并基于病危桥梁现状，详细分析了该方法的必要性。
　　2、通过3组钢筋混凝土梁的模型试验以及扩展有限元分析，研究了不同卸载水平下加固混凝土梁的极限荷载、应力变形情况、破坏机理，以及卸载率对加固混凝土梁极限荷载、破坏模式的影响。研究表明:在不同卸载率（意义类似“预应力度”，表征预应力施加大小程度，定义详见第2章）条件下进行加固的钢筋混凝土梁，在受载过程中混凝土与钢筋应力分布差异极大，导致加固钢筋混凝土梁正常使用的承载力存在显著差异，但其极限承载能力差异不大;对加固混凝土梁承载力进行计算时必须分阶段进行计算以考虑卸载率的影响;采用扩展有限元分析能较为准确地模拟钢筋混凝土梁的受力行为与开裂过程，可以作为钢筋混凝土梁力学性能分析的有效手段。
　　3、定义了基于两种不同极限状态考虑的最佳初始弯矩及对应的最佳卸载率;并分析和设定了两种极限状态下最佳初始弯矩应满足的条件。依据设定的条件及相应的假定，推导和建立了基于两种极限状态考虑的最佳初弯矩的求解公式，进而即可确定在适宜的加固参数条件下的最佳卸载率。同时，给出了在初弯矩确定的情况下最佳加固层厚度的求解公式。在此过程中，也详细分析了加固层厚度与最佳初始弯矩的相互关系。同时，提出了受弯构件加固设计流程及应重点关注的问题。
　　4、系统分析并提出了结构预应力综合法需考虑的关键因素，主要是拟加固桥梁现状分析和桥梁结构受力特点分析。在此基础上，分析并提出了结构预应力综合加固法的要点。即应遵循相应的安全原则、选择合理的卸载方向、合理选择加固顺序（需要时）。针对拱桥、简支混凝土梁桥等卸载难度较大的桥梁，提出了一系列简单、有效的卸载（预应力施加方法）工程措施，为结构预应力综合加固法的工程应用提供了相应的技术支撑。
　　5、结合具体维修加固工程实例，对采用影响线原理进行卸载的结构预应力综合加固法的应用进行了研究。研究结果表明:在以本文的研究成果为基础进行桥梁加固工程中，新、旧混凝土应力分布合理、加固后承载力储备较高;加固达到了预期的效果，且该方法加固效果明显，并具有较强的可操作性。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 我国公路桥梁的现状

1．1．2 桥梁加固研究的进展

1．2 桥梁主动加固法的研究现状

1．2．1 体外预应力加固法

1．2．2 有粘结预应力加固法

1．2．3 预应力CFRP加固法

1．3 桥梁综合加固法的探索

1．4 预弯预应力梁的研究进展及桥梁加固方法的发展趋势

1．5 本文主要研究工作

第2章 结构预应力综合加固法的必要性和适用性分析

2．1 结构预应力综合加固法的定义及分析

2．1．1 预弯预应力与传统先(或后)张法预应力的对比分析

2．1．2 结构预应力综合加固法的定义

2．2 结构预应力综合加固法的适用性

2．2．1 加固设计的目的与原则

2．2．2 结构预应力综合加固法的主要优势

2．3 结构预应力综合加固法的必要性

2．3．1 基于病危桥现实状况的必要性研究

2．3．2 结构预应力综合法加固必要性的综合分析

2．4 本章小结

第3章 基于不同卸载率的预弯梁承载力研究

3．1 预弯梁的制作

3．1．1 试验模型构造

3．1．2 试验预弯梁的卸载率

3．1．3 预弯梁制作过程应力分析

3．2 预弯加固梁试验

3．2．1 加载方案

3．2．2 试验模型测点布置

3．2．3 试验结果分析

3．3 试验的有限元分析

3．3．1 扩展有限元

3．3．2 分析模型

3．3．3 分析结果

3．4 关于卸载率的讨论

3．5 本章小结

第4章 最佳卸载率及加固后组合截面的承载力计算

4．1 最佳卸载率

4．1．1 最佳卸载率及最佳初始弯矩

4．1．2 钢筋混凝土受弯构件最佳卸载率设定的条件及分析

4．2 正常使用最佳卸载率及承载力计算

4．2．1 基本假定

4．2．2 正常使用最佳初始弯矩M01j及最佳卸载率ηj求解

4．2．3 正常使用最佳卸载率时正常使用极限承载能力计算

4．2．4 计算流程的分析

4．3 承载能力最佳卸载率及极限承载力计算

4．3．1 基本假定

4．3．2 承载能力最佳初始弯矩M02j及最佳卸载率ηj2求解

4．3．3 最佳卸载率时的极限承载能力

4．3．4 关于加固设计流程的分析

4．4 承载力计算公式的验证

4．5 最佳加固层厚度的确定

4．6 本章小结

第5章 结构预应力综合加固法及其工程措施

5．1 结构预应力综合加固设计需考虑的关键因素及要点

5．2 结构预应力综合加固法的具体工程措施研究

5．2．1 拱桥内力调整主要措施

5．2．2 简支梁桥卸载措施

5．3 本章小结

第6章 结构预应力综合加固法的工程应用研究

6．1 晨光大桥加固工程概述

6．1．1 晨光大桥技术状况概述

6．1．2 卸载加固的必要性论述

6．1．3 晨光大桥加固方案设计

6．2 晨光大桥加固过程监测

6．2．1 加固过程应力分析

6．2．2 加固过程应力监测

6．3 晨光大桥加固效果评价

6．3．1 加固后的新老截面应力状态分析

6．3．2 拱脚传统加固与卸载加固的对比说明

6．3．3 荷载试验

6．4 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果