重载铁路桥梁体外预应力加固法的关键技术研究

摘要

提高货车轴重可以有效提升我国重载铁路的运输效率，但会使既有桥梁承载力出现相对不足。体外预应力加固法是解决在重载铁路货车轴重大幅提升条件下桥梁结构承载力相对不足问题的最有效方法之一，目前在铁路桥梁加固上应用较少和研究不足，因此开展对重载铁路桥梁体外预应力加固法的研究，对推动体外预应力技术在重载铁路桥梁加固领域的应用和促进我国重载铁路运输能力的进一步发展具有重要的意义。
　　由体外索、锚固结构、转向结构等组成的体外预应力加固体系是体外预应力加固法得以成功实现的物质基础和关键技术问题所在，因此围绕体外预应力体系加固既有重载铁路桥梁时体外索力计算、体系结构设计、锚固承载力、体系整体性能试验及体系加固桥梁的可靠性等关键技术问题，依托国家863计划项目《重载铁路桥梁和路基检测与强化技术》，进行了深入的理论分析和试验研究，主要研究内容如下:
　　(1)基于现行铁路桥梁规范的容许应力设计法，研究了体外索力的设计计算方法;并针对体外索力作用下桥梁上拱度和挠度以恒定刚度检算时存在较大误差的问题，提出了考虑体外索力作用下混凝土裂缝闭合前后梁体刚度变化的分阶段计算法，并将理论计算值与试验结果进行了对比验证分析;
　　(2)针对既有体外预应力体系加固重载铁路桥梁时，存在施工速度慢、安装质量不易控制、锚索连接处易引起弯折疲劳损伤等缺点，不能适应重载桥梁加固的基本要求，依照重载铁路桥梁体外预应力加固体系的设计原则，提出了转动锚索式体外预应力加固体系;同时为研究该体系的安装施工工艺，以及在体外力张拉作用、静载作用和疲劳荷载作用下的整体性能，在钢筋混凝土梁上对该体系进行了试验研究，初步论证了该体系在重载铁路桥梁加固上的适用性;
　　(3)针对体外预应力体系在被加固梁体上锚固时，缺乏锚固承载力设计计算方法和试验研究不足的问题，通过试验研究和理论分析相结合的方法对锚固连接性能进行了研究。不同锚固连接方式的对比试验研究表明，适合重载铁路桥梁加固的最佳锚固方式是粘接摩擦型锚固;在对粘接摩擦型锚固承力特点分析的基础上，对锚固界面性能和锚固承载力进行了试验研究和理论分析，并通过试验数据回归分析的方式建立了锚固承载力计算公式;
　　(4)针对当体外预应力锚固点设置在既有铁路混凝土桥梁梁端时，直接用千斤顶张拉预应力存在空间不足的问题，结合转动锚索式体外预应力加固体系所采用销接式锚具的构造特点，提出并设计了前置式体外预应力张拉装置，通过数值计算和室内张拉试验对这种张拉方式进行了研究;
　　(5)对转动锚索式体外预应力体系加固重载铁路桥梁后的可靠性进行了初步研究。在对活载、恒载和耐久性因素、疲劳因素等随机变量分析的基础上，综合考虑疲劳和耐久性因素对桥梁结构可靠性的影响，建立了同时考虑疲劳和环境侵蚀作用的时不变可靠性计算模型和时变可靠性计算模型。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 桥梁加固方法概述

1．2．1 轴重增加对桥梁上部结构的影响

1．2．2 桥梁常用加固方法对比

1．3 体外预应力加固法国内外研究现状

1．3．1 体外索力的计算理论

1．3．2 体外预应力体系试验及理论

1．3．3 体外预应力体系作用下桥梁的可靠性

1．4 关键技术问题及研究内容

1．4．1 关键技术问题

1．4．2 研究内容及方法

2 体外索力的设计计算

2．1 重载运输活载图式

2．2 体外索应力及应力增量的计算

2．2．1 弹性变形阶段应力增量

2．2．2 极限应力增量及极限应力

2．3 基于容许应力法的体外索力计算

2．3．1 体外索力计算及配筋设计

2．3．2 正截面应力和抗弯强度的检算方法

2．4 体外索力作用下桥梁上拱度和挠度的分阶段计算法

2．4．1 加固前桥梁的挠度

2．4．2 体外预应力张拉阶段的上拱度

2．4．3 加固后正常使用阶段的挠度

2．5 体外索力计算实例

2．6 本章小结

3 转动锚索式体外预应力加固体系设计

3．1 转动锚索式体外预应力加固体系的提出

3．1．1 体外预应力加固体系设计原则

3．1．2 转动锚索式体外预应力加固体系的基本结构形式

3．2 锚固结构设计

3．2．1 不同锚固连接方式对比试验及分析

3．2．2 锚固装置设计

3．3 前置式张拉装置设计

3．3．1 既有体外预应力张拉方式存在的问题

3．3．2 前置式张拉装置设计

3．4 拉杆组合式转向装置设计

3．5 本章小结

4 粘接摩擦型锚固界面性能及锚固承载力研究

4．1 粘接摩擦型锚固传力特点分析

4．2 界面粘接性能试验

4．2．1 试验概况

4．2．2 极限破坏状态

4．2．3 平均剪切应力-总滑移关系

4．2．4 不同加载力下界面应变分布

4．2．5 界面粘接-滑移关系

4．3 界面性能对锚固承载力的影响分析

4．3．1 粘接作用对锚固承载力的影响

4．3．2 摩擦作用对锚固承载力的影响

4．4 锚固设计参数对锚固承载力影响

4．4．1 影响锚固承载力的设计参数

4．4．2 试验概况

4．4．3 试验结果及分析

4．5 基于回归分析的极限锚固承载力计算模型

4．5．1 考虑锚固装置设计参数的回归计算模型

4．5．2 考虑荷载分布的回归计算模型

4．6 本章小结

5 转动锚索式体外预应力加固体系试验研究

5．1 试验概况

5．2 体外预应力张拉试验

5．2．1 测点布置

5．2．2 试验结果及分析

5．3 静载试验

5．3．1 测点布置及试验参数

5．3．2 试验结果及分析

5．4 疲劳试验

5．4．1 疲劳应力幅的确定方法

5．4．2 试验结果及分析

5．5 本章小结

6 体外预应力体系加固桥梁的可靠性分析

6．1 体外索使用寿命分析

6．1．1 影响体外预应力体系可靠性的因素

6．1．2 体外索使用寿命计算模型

6．2 影响桥梁抗力时变性的主要因素

6．2．1 混凝土强度的经时变化

6．2．2 氯离子侵蚀

6．2．3 混凝土碳化

6．2．4 钢筋锈蚀模型

6．2．5 钢筋疲劳剩余强度时变模型

6．3 考虑疲劳和环境协同作用的桥梁加固后可靠性

6．3．1 时不变可靠性模型

6．3．2 时变可靠性模型

6．4 本章小结

7 结论及展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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