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碳纤维布加固混凝土梁疲劳性能的试验研究

李开兵  
【摘要】: 桥梁工程是公路和铁路的重要咽喉部位,确保其承载能力和正常使用性能是全线运行畅通的关键。随着交通荷载等级的不断提高,桥梁服役年限的不断延长,桥梁结构的病害不断增多,桥梁结构的承载力不断降低,使用性能逐年恶化。急需研究桥梁结构的加固技术,以改善桥梁的使用性能和延长桥梁的使用寿命。因此,对桥梁结构的维修、加固和补强领域的研究和工程应用,已引起了世界性的关注,这是一项具有重要的理论和现实意义的研究课题。 碳纤维材料以其优良的物理力学性能被越来越多的应用到桥梁结构的加固中,目前对碳纤维布加固混凝土结构还主要集中在静载性能的研究,对碳纤维布加固混凝土结构的抗疲劳性能则尚未见到。鉴于桥梁在使用中受到的疲劳荷载作用越来越大,不断有桥梁发生疲劳破坏。因此,研究碳纤维加固混凝土梁的疲劳性能具有重大的理论意义和现实意义。本文针对这个问题,在分析现有桥梁结构加固方法的基础上,根据桥梁承受疲劳荷载的特点,对碳纤维布加固混凝土梁的疲劳性能进行了比较系统的试验研究和理论分析。按论文的章节顺序,本文的具体研究成果如下: 1、简要地介绍了本文研究工作的目的和意义。深刻阐述了桥梁发生疲劳破坏的原因,细致探讨了粘贴钢板和粘贴碳纤维加固方法用于提高混凝土梁疲劳性能的研究现状及碳纤维材料在桥梁加固中的应用,深入地分析了两种加固方法的优缺点,明确的指出了今后碳纤维材料在桥梁加固方面的研究重点和广泛的应用前景。 2、在分析国内外大量试验研究和理论分析的基础上,给出了碳纤维布加固钢筋混凝土梁正截面抗弯极限承载力的计算公式,详细阐述了等幅疲劳荷载和变幅疲劳荷载下桥梁结构疲劳强度的计算方法。 3、首次在国内进行了三根普通混凝土梁、碳纤维布加固完好混凝土梁的疲劳试验,研究了碳纤维布加固混凝土完好梁的疲劳性能。通过改变碳纤维布的粘贴层数(1、2层),从材料的应变、梁的挠度、裂缝扩展情况三方面进行分析。研究发现:经过相同次数的疲劳荷载作用后,完好加固梁的钢 武汉理工大学硕士学位论文 筋应变小于未加固梁,加固梁的变形减少了40%一50%,加固梁的疲劳寿命 提高T 60%~80%。 4、针对大量急需加固的既有桥梁加固前存在着不同程度的损伤,首次 在国内进行了两根碳纤维布加固损伤混凝土梁的疲劳试验,研究了损伤混凝 土加固梁的疲劳性能,并探讨了不同层数碳纤维布对混凝土加固梁疲劳性能 的影响。研究发现:经过相同次数的疲劳荷载作用后,损伤加固梁钢筋的应 变比未加固梁减小10%,疲劳变形比未加固梁减小了10%~30%;加固梁的 疲劳抗裂性也有了较大的改善,损伤加固梁能够承受的疲劳荷载次数大于未 加固梁,较大的延长了损伤梁的使用寿命。 5、通过完好加固梁与损伤加固梁的对比试验,首次定量给出了梁的损 伤对混凝土加固梁疲劳性能的影响。试验研究发现:经过相同次数的疲劳荷 载,完好梁钢筋的应变大于损伤梁的钢筋应变,碳纤维布应变比损伤梁小 13~33%。粘贴一层碳纤维布时,完好梁挠度降低了30%~40%;粘贴两层 碳纤维布时,挠度降低了18%~25%。对于损伤梁来说,钢筋不是疲劳破 坏的薄弱环节,要注意疲劳荷载下损伤加固梁的过大变形,一般建议损伤梁 粘贴2层以上碳纤维布。 6、本文根据试验结果,初步从理论上探讨了碳纤维加固混凝土梁的疲 劳性能。分析了混凝土、钢筋、碳纤维布的疲劳应力一应变关系,给出了疲 劳荷载下混凝土梁的动态刚度和动态挠度的计算公式,对随疲劳荷载次数增 加而变化的梁的剩余强度问题也进行了初步的探讨。 本文得到湖北省交通厅2002年科技攻关项目《纤维材料加固桥梁结构 新技术及其安全性评价方法研究》资助。


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