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预应力纤维片材加固混凝土梁抗弯性能研究

王兴国  
【摘要】: 由于很多人为的或自然的因素,大量桥梁、房屋等土木工程结构急需加固和修复。外贴轻质、高强、耐腐蚀的纤维增强聚合物(FRP)片材加固技术应用渐广,但该技术对结构正常使用阶段性能改善有限,且片材强度利用率较低。在教育部博士点基金(20050533042)和铁道部科技研究开发计划(2002G043)资助下,本文结合纤维加固技术和体外预应力技术的优点,采用预张纤维片材对钢筋混凝土梁进行加固,开展了相关的试验研究和理论分析。主要内容和成果如下: 1、对外贴预应力玻璃纤维(GFRP)板加固混凝土梁进行了试验研究,探讨了预应力水平和混凝土强度等参数对加固梁弯曲性能的影响;推导了预应力放张时GFRP板中正应力、胶层剪应力、跨中片材有效预应力以及混凝土梁反拱等计算表达式;对加固梁开裂弯矩、屈服弯矩及极限弯矩进行了分析;上述公式的计算值与试验结果符合良好。 2、针对外贴预应力片材加固易发生剥离破坏的缺点,采用端部带机械锚固的预应力碳纤维(CFRP)板对铁路桥梁大比例等效模型进行加固,重点考察了片材有、无粘结和梁上有、无初始荷载等因素对预应力加固梁性能的影响。试验结果表明,预应力片材加固可显著提高混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载;负载下无粘结预应力加固梁的位移延性略低于相同初载下有粘结预应力加固梁的延性;对于无粘结预应力加固梁而言,无初载的预应力加固梁的位移延性要略优于负载时预应力加固梁。 3、对预应力加固梁受荷全过程进行了非线性分析,编制了相应的计算程序,其结果与试验实测值和通用软件三维有限元分析结果吻合良好。通过数值分析考察了预应力水平、片材截面面积、加固梁混凝土强度、配筋率及既有荷载等参数对加固效果的影响。结果表明,梁内原有钢筋截面面积对体外预应力梁的受力性能影响最为显著,原配筋率越大(在适筋范围内),梁的极限承载力越高,但加固效果越不明显;对体外预应力加固梁来讲,保持其它参数不变,增加片材的张拉应力或片材截面面积,梁的破坏荷载均有明显增大。 4、对预应力片材加固梁的预应力损失进行了探讨,测试了短期预应力损失,给出了各项损失的估算方法。 5、推导了有粘结预应力片材加固负载梁承载力计算公式;分别基于粘结折减系数和等效变形区长度的概念,对无粘结钢筋混凝土梁的有关公式进行修正,给出了体外预应力片材局部加固梁中预应力片材应力增量计算式;提出了不同破坏形态下体外预应力片材局部加固梁的正截面承载力计算公式,并进一步对体外无粘结预应力片材局部加固梁的设计方法进行了研究,提出了锚具至支座的最大距离表达式,以确保破坏发生在加固区。 6、正常使用状态下,考虑体外无粘结预应力片材的二次效应,推导了体外预应力局部加固混凝土受弯构件的挠度计算公式;根据等效变形区长度,给出了体外预应力片材加固梁最大裂缝宽度的计算公式。 7、采用体外预应力片材对铁路京广线与石长线交汇处的晓峰桥进行了加固,取得满意效果,表明该技术可在不中断交通的情况下用于干线桥梁的快速加固。


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