混凝土梁橋快速升級(jí)的一種簡(jiǎn)易方法

1、8/8基本情況項(xiàng)目名稱混凝土梁橋快速升級(jí)的一種簡(jiǎn)易方法所屬學(xué)科學(xué)科一級(jí)門： 土木工程學(xué)科二級(jí)類： 橋梁與隧道工程申請(qǐng)金額10000元起止年月2019年3月至2020年3月負(fù)責(zé)人姓名性別學(xué)號(hào)聯(lián)系電話指導(dǎo)教師聯(lián)系電話負(fù)責(zé)人曾經(jīng)參與科研的情況指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況指導(dǎo)教師對(duì)本項(xiàng)目的支持情況項(xiàng)目組主要成員姓 名學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)所在學(xué)院項(xiàng)目中的分工搜集、編輯資料進(jìn)行計(jì)算工作 立項(xiàng)依據(jù)（可加頁(yè)）項(xiàng)目簡(jiǎn)介 針對(duì)當(dāng)前交通流量和車輛載重不斷加大、超載運(yùn)輸非常普遍的現(xiàn)狀，特別是臨時(shí)面臨大件運(yùn)輸和災(zāi)害突發(fā)時(shí)緊急搶修的交通需求，本項(xiàng)目以量大面廣的混凝土梁橋?yàn)閷?duì)象，研究一種快速升級(jí)其承載能力的加固方法，即將纖維帶通過(guò)自主

2、研發(fā)的超薄型自鎖式緊湊錨具在短時(shí)間內(nèi)固定在混凝土梁底面，從而盡快實(shí)現(xiàn)纖維帶與梁的共同工作，盡量保障交通暢通。本項(xiàng)目通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證這種方法的可行性，以及纖維帶長(zhǎng)度對(duì)混凝土梁抗彎性能提升效果的影響。研究目的 橋梁是公路的咽喉，其使用功能的好壞直接影響整條線路的暢通，既有公路中設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低的橋梁嚴(yán)重制約了公路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展。我國(guó)公路橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不斷提高：設(shè)計(jì)荷載由汽- 6、汽- 8、汽- 10、汽-13發(fā)展到汽-15、汽- 20及汽-超20級(jí)；驗(yàn)算荷載也由拖- 30、拖- 60、拖- 80發(fā)展到掛- 100和掛- 120。據(jù)調(diào)查，全國(guó)在20世紀(jì)80年代前建成的國(guó)道、省道和縣級(jí)公路

3、中永久性大、中型橋梁的設(shè)計(jì)荷載達(dá)到汽- 20級(jí)、掛- 100標(biāo)準(zhǔn)的僅占6. 53 %，汽- l0、履- 50及以下荷載標(biāo)準(zhǔn)的橋梁占9.17 %，其余84.3 %的橋梁基本上是汽- 13級(jí)和汽-15級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，既有橋梁已不能適應(yīng)當(dāng)前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量和車輛載重不斷加大，公路交通的負(fù)荷日趨增大，使部分早期設(shè)計(jì)修建的橋梁的既有損傷不斷加重，加速了橋梁的老化、破損。特別是修建年代早、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低的橋梁，病害嚴(yán)重，已不能維持正常使用，而只能限速限載通行，甚至不得不關(guān)閉交通，嚴(yán)重影響和制約了交通運(yùn)輸和地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另外，對(duì)于一些特殊情況，比如戰(zhàn)爭(zhēng)、搶險(xiǎn)救災(zāi)，經(jīng)常有一些輜

4、重車輛要臨時(shí)通過(guò)一些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)比較低的橋梁。 受資金和材料資源的限制，上述橋梁不可能全部拆除重建，而期望盡量利用既有橋梁，通過(guò)技術(shù)手段對(duì)舊橋進(jìn)行技術(shù)改造，恢復(fù)和提高其承載能力。研究?jī)?nèi)容目前我國(guó)結(jié)構(gòu)加固中一般采用混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范（GB 50367-2006）中的方法（加大截面法、外包型鋼加固法、施加預(yù)應(yīng)力加固法、粘鋼加固法、噴射混凝土加固法等），對(duì)于這些傳統(tǒng)的加固方法，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，建立了較為完善的設(shè)計(jì)理論和方法，并得到廣泛的工程應(yīng)用。但是，這些傳統(tǒng)的加固方法在實(shí)際的加固施工過(guò)程中，卻存在許多的不足，如混凝土結(jié)構(gòu)加大截面、粘貼鋼板、施加體外預(yù)應(yīng)力、以及增設(shè)托架或支撐體系等都需

5、要使用大型機(jī)械、較多的人力物力和較大的施工作用空間。這不僅需要大量的一次性投入，也需要十分巨大的后期維護(hù)費(fèi)用。更有甚者，在某些情況下，這些加固方法可能都不能起到預(yù)期的效果，甚至可能對(duì)構(gòu)件完全起不到加固作用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)一種新的加固方法即纖維加固法，應(yīng)運(yùn)而生。纖維增強(qiáng)材料/聚合物是由同方向排列的許多纖維絲與聚合物通過(guò)膠結(jié)材料牢固結(jié)合而構(gòu)成，有碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等多個(gè)品種。纖維加固技術(shù)就是利用樹脂類膠結(jié)材料將纖維片材粘貼于構(gòu)件表面以改善結(jié)構(gòu)受力性能，從而對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。由于纖維片材具有質(zhì)輕、柔軟的物理力學(xué)性能、良好的粘和性、耐熱性和抗腐蝕性，以及加固效率更

6、高，施工速度更快，附加荷載更輕，便于運(yùn)輸，施工時(shí)無(wú)需重型機(jī)械等特點(diǎn)，纖維片材加固技術(shù)迅速成為當(dāng)今國(guó)際土木工程界的研究開發(fā)熱點(diǎn)，并得到越來(lái)越廣泛的研究和應(yīng)用。目前包括我國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家都投入了大量人力、物力、和財(cái)力進(jìn)行廣泛研究和開發(fā)。纖維片材加固結(jié)構(gòu)的常規(guī)做法是用膠合劑將纖維片材粘貼在待加固構(gòu)件表面，可簡(jiǎn)稱為外貼加固法。各國(guó)有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大多也是基于此法制定的。對(duì)量大面廣的鋼筋混凝土梁、板等受彎構(gòu)件進(jìn)行外貼加固時(shí)，纖維片材要發(fā)揮受拉作用只能依賴其與混凝土界面的粘結(jié)來(lái)傳力，良好的粘結(jié)是保證共同工作的前提條件。但是，相比片材很高的抗拉強(qiáng)度，這種“界面”的粘結(jié)能力常常太弱，以致于在這種高價(jià)高強(qiáng)纖維復(fù)材

7、應(yīng)力很低時(shí)，就過(guò)早失去粘結(jié)發(fā)生脆性剝離破壞。不僅外加荷載大到一定程度將因界面應(yīng)力過(guò)高而引起剝離，使用時(shí)間長(zhǎng)了還會(huì)由于膠層剪切徐變致使界面?zhèn)髁π阅芡嘶?，環(huán)境溫度高了更有可能導(dǎo)致膠層粘結(jié)強(qiáng)度下降甚至軟化脫開，這將進(jìn)一步增大出現(xiàn)剝離破壞的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)加固效果的安全性和耐久性造成不利影響。正因?yàn)槿绱?，工程技術(shù)人員常常感到“愛(ài)恨交加”：因其技術(shù)優(yōu)勢(shì)很想用，因其易于剝離而擔(dān)心、甚至不敢用。因此，剝離被視為纖維片材粘貼加固法的致命缺陷。因?yàn)槔w維片材切斷會(huì)在其端部引起界面應(yīng)力集中，受彎裂縫或彎剪裂縫也會(huì)在片材中部裂縫附近引起界面應(yīng)力集中，并可能在相應(yīng)部位導(dǎo)致剝離，所以剝離破壞形態(tài)可分為端部剝離和中部剝離2大類。這

8、種脆性破壞可能發(fā)生在粘貼界面、混凝土表層或保護(hù)層。在實(shí)際工程中，由于纖維片材與混凝土的界面粘結(jié)強(qiáng)度一般高于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)界面應(yīng)力集中在附近混凝土中產(chǎn)生的主拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致混凝土表層或保護(hù)層出現(xiàn)剝離破壞，所以，除非粘膠材料和粘貼施工的質(zhì)量不符合要求，“界面”剝離絕大多數(shù)發(fā)生在毗鄰界面的混凝土內(nèi)。而混凝土在抗拉性能上的缺陷，包括長(zhǎng)期強(qiáng)度的退化，似乎從根本上限制了剝離荷載的提高、乃至外貼纖維片材加固技術(shù)的發(fā)展。如何有效防治剝離，也就成為工程界和學(xué)術(shù)界面臨的核心問(wèn)題。另一方面，在一般的纖維加固技術(shù)中，纖維材料都是通過(guò)環(huán)氧樹脂與構(gòu)件表面粘結(jié)在一起，環(huán)氧樹脂需要按照養(yǎng)護(hù)時(shí)間

9、固化后才能承載，這個(gè)時(shí)間對(duì)于戰(zhàn)爭(zhēng)與搶險(xiǎn)救災(zāi)等緊急情況過(guò)于漫長(zhǎng)，所以本項(xiàng)目擬開發(fā)一種特殊的自鎖錨固方式，將纖維帶端部?jī)H通過(guò)錨具自鎖固定，錨具與構(gòu)件通過(guò)螺栓連接，螺栓與孔洞的間隙灌入快干膠，只要快干膠凝結(jié)，構(gòu)件即臨時(shí)加固完畢，實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土梁橋的快速升級(jí)，并且等臨時(shí)輜重車輛通過(guò)后，錨具還能拆卸進(jìn)行二次回收利用。國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)纖維增強(qiáng)材料的研究最早是在歐洲開始的，當(dāng)時(shí)纖維材料主要用于軍工和航空航天領(lǐng)域。近幾十年來(lái)，纖維材料因其具有較好的結(jié)構(gòu)性能、耐久性能等逐漸應(yīng)用在民用領(lǐng)域，特別是應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域。早在20世紀(jì)70年代，德國(guó)斯圖加特大學(xué)就開始對(duì)纖維增強(qiáng)材料展開研究，并在預(yù)應(yīng)力混凝土方面

10、取得了突出成績(jī)。1978年承包商Strabag、化工品商Bayer合作開發(fā)了纖維增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋和錨固系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于德國(guó)和奧地利的幾座橋中。1981年，瑞典的Meier首次采用粘貼碳纖維片材的方法加固了Ebach橋，并同時(shí)進(jìn)行了碳纖維板加固混凝土結(jié)構(gòu)的可行性研究，指出用碳纖維片材代替鋼板進(jìn)行加固，可以簡(jiǎn)化施工方法，降低總成本，并且碳纖維的比強(qiáng)度和比模量較高，實(shí)際工程加固效果較佳。北美的科學(xué)家在政府的支持下進(jìn)行了深入而又廣泛的研究，取得了大量第一手資料，提出了許多新理論、新模型，促進(jìn)了纖維片材的應(yīng)用研究。Saadamanesh & Ehsani，以及Ritchie對(duì)碳纖維板加固梁的抗彎性能進(jìn)行了

11、深入研究，認(rèn)為粘結(jié)劑的選擇對(duì)被加固構(gòu)件的力學(xué)性能非常重要。Shahawy等人對(duì)碳纖維抗彎加固梁的靜力特性和疲勞特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。靜載試驗(yàn)表明：混凝土強(qiáng)度、碳纖維層數(shù)、全部或部分包裹方式對(duì)加固T形梁的強(qiáng)度和延性均有較大影響。Spadea等人對(duì)碳纖維加固梁的抗彎以及延性能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)指出，碳纖維錨固長(zhǎng)度以及錨固位置對(duì)加固梁的強(qiáng)度和延性具有非常重要的影響。特別對(duì)于無(wú)錨固加固梁，加固后的變形能力以及延性系數(shù)在試驗(yàn)過(guò)程中均降低很快，難以發(fā)揮碳纖維加固性能。Bencardino等人對(duì)外貼碳纖維抗彎加固梁的強(qiáng)度和延性性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果的研究表明：碳纖維布端部錨固是保證加

12、固性能的重要措施。文中通過(guò)對(duì)各個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈灰蒲有?、曲率延性以及能量延性的比較發(fā)現(xiàn)，盡管粘貼碳纖維布能有效提高結(jié)構(gòu)的抗彎能力，但卻是以結(jié)構(gòu)延性喪失為代價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證了采用端部錨固措施是減少加固延性損失的有效手段。在工程實(shí)踐方面，北美地區(qū)也進(jìn)行了大量成功的嘗試，碳纖維加固在橋梁與結(jié)構(gòu)建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。1989年Loma Prieta大地震后，許多高速公路橋的橋礅由于延性不足，受到嚴(yán)重破壞，大量采用纖維片材進(jìn)行加固。1999年美國(guó)用1.65mm厚的碳纖維板對(duì)某污水處理槽進(jìn)行了整體性的恢復(fù)加固，取得了很好的效果。美國(guó)海軍部用單向碳纖維對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行了加固，顯著的提高了混凝土梁的強(qiáng)度。美

13、國(guó)和加拿大還大量采用碳纖維絲代替高強(qiáng)度鋼絲用于大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和懸索橋結(jié)構(gòu)。日本是最早將纖維材料應(yīng)用于土木工程建設(shè)的國(guó)家，并且投入巨大。早在1988年，日本建設(shè)省就發(fā)起了題為建設(shè)事業(yè)中的新素材、新材料利用技術(shù)的開發(fā)的為期5年的大型綜合研究項(xiàng)目，其中纖維增強(qiáng)加固結(jié)構(gòu)技術(shù)是最為成功的一個(gè)。1989年，日本土木學(xué)會(huì)（JSCE）設(shè)立了連續(xù)纖維增強(qiáng)混凝土委員會(huì)，召開了“混凝土結(jié)構(gòu)部件中的連續(xù)纖維加固材料的應(yīng)用”學(xué)術(shù)研討會(huì)，并于1992年頒布了混凝土結(jié)構(gòu)部件的纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用的設(shè)計(jì)、施工指南（草案）。1993年日本建筑研究院頒布了世界上第一部關(guān)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固的設(shè)計(jì)指南。我國(guó)目前對(duì)纖維增強(qiáng)材料的應(yīng)用

14、研究主要集中在碳纖維片材加固混凝土構(gòu)件上，如：在構(gòu)件的受拉面粘貼碳纖維片材，研究加固構(gòu)件的抗彎性能；在構(gòu)件的剪切區(qū)粘貼碳纖維片材，研究加固構(gòu)件的抗剪性能；對(duì)受壓的柱狀構(gòu)件進(jìn)行加固，研究加固構(gòu)件的抗壓性能；在反復(fù)荷載作用下，研究加固構(gòu)件的抗疲勞性能；碳纖維的抗震加固，碳纖維加固的剝離破壞分析等。而目前大部分用碳纖維材料對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固主要是依靠與混凝土之間的良好的粘結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。任何引起粘結(jié)破壞的因素都可能導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生脆性破壞而不能達(dá)到加固效果，剝離破壞就是其中一種非常常見的破壞?，F(xiàn)有的研究表明，粘結(jié)界面的剝離破壞可以歸結(jié)為以下幾類：a)由于碳纖維端部的應(yīng)力集中所引起的端部向梁中擴(kuò)展的剝離

15、破壞；b)由剪切裂縫引起的上下錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致端部剝離破壞；c)在最大彎矩處，由彎曲裂縫引起的向兩側(cè)延伸的剝離破壞。陸新征、楊勇新、歐陽(yáng)煜等人對(duì)剝離破壞進(jìn)行了大量的分析和研究，但目前對(duì)碳纖維加固鋼筋混凝土的剝離破壞研究還處在探索階段，各種計(jì)算模型和理論還有待學(xué)者去進(jìn)一步研究。在應(yīng)用纖維加固混凝土梁的實(shí)際工程中，無(wú)論是抗彎還是抗剪，解決纖維布剝離問(wèn)題最為有效的方法還是采取適當(dāng)?shù)腻^固措施。但大部分現(xiàn)有的錨固措施，往往存在著加固效果和施工簡(jiǎn)便的矛盾，且不論是否能解決這種矛盾，目前錨固件都不同程度的依賴粘膠錨固，當(dāng)遭遇高溫或火災(zāi)時(shí)，錨固件是否能發(fā)揮作用還是個(gè)疑問(wèn)。鑒于此，開發(fā)出一種新型的、能有效解決上述問(wèn)題的

16、端部錨具相當(dāng)重要。創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色針對(duì)纖維增強(qiáng)片材普通粘貼加固法容易剝離的顯著缺陷，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者開展了防治技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究。指導(dǎo)老師在前期研究中提出了可簡(jiǎn)捷實(shí)現(xiàn)纖維帶端部可靠錨固的自鎖繞法，并用之于原本極易發(fā)生剝離的混凝土梁抗剪加固，取得顯著效果，成果被國(guó)家規(guī)范采納。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，抗彎加固往往需求量更大。新型端錨加固方式在對(duì)混凝土梁進(jìn)行抗彎加固時(shí)，具有施工周期短、方便迅捷、加固效果好等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是在抗險(xiǎn)救災(zāi)等緊急工程應(yīng)用時(shí)易被業(yè)界接受。由此可見，本項(xiàng)目的特色在于，這是一個(gè)基于指導(dǎo)教師已有發(fā)明專利、有前期研究基礎(chǔ)的低風(fēng)險(xiǎn)自由探索項(xiàng)目，新技術(shù)在源頭上具有新穎性，在效能上具有優(yōu)越性。本項(xiàng)目

17、創(chuàng)新之處主要如下：（1）基于柔帶自鎖技術(shù)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)制作符合強(qiáng)度要求的新型錨具，通過(guò)專門拉伸試驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)；（2）通過(guò)混凝土梁或板的抗彎試驗(yàn)驗(yàn)證加固升級(jí)效果，研究條帶長(zhǎng)度對(duì)該效果的影響。技術(shù)路線、擬解決的問(wèn)題及預(yù)期成果技術(shù)路線示意圖擬解決的問(wèn)題：（1）新型錨具對(duì)于纖維帶錨固效果的有效性這是該加固技術(shù)源頭上的科學(xué)問(wèn)題，不明確新型錨具自鎖錨固效果的有效性，直接進(jìn)行抗彎試驗(yàn)研究可能不夠嚴(yán)謹(jǐn)、存在風(fēng)險(xiǎn)，本項(xiàng)目通過(guò)拉伸試驗(yàn)證實(shí)纖維帶端部通過(guò)繞結(jié)開縫板進(jìn)行錨固的有效性，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。（2）纖維帶長(zhǎng)度對(duì)端錨加固受彎構(gòu)件性能的影響端錨技術(shù)要在實(shí)際工程中得到推廣應(yīng)用，必須明確纖維帶長(zhǎng)度對(duì)構(gòu)

18、件抗彎性能提升效果的影響，以達(dá)到對(duì)梁橋最經(jīng)濟(jì)最快捷的升級(jí)目的，因而有必要基于試驗(yàn)，把握變化規(guī)律，確定合理取值。預(yù)期成果：通過(guò)開展本項(xiàng)目研究，證實(shí)新型錨具對(duì)于纖維帶錨固效果的有效性，了解纖維帶長(zhǎng)度對(duì)端錨加固受彎構(gòu)件性能的影響，爭(zhēng)取在國(guó)內(nèi)外有影響的學(xué)術(shù)會(huì)議或?qū)W術(shù)刊物上發(fā)表論文1篇。項(xiàng)目研究進(jìn)度安排2019年3月-2019年6月，文獻(xiàn)閱讀及試驗(yàn)準(zhǔn)備階段：通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解纖維片材的特性、試驗(yàn)相關(guān)儀器的使用、程序等。進(jìn)行纖維條帶自鎖錨固有效性的驗(yàn)證和端錨纖維條帶加固受彎構(gòu)件的構(gòu)件設(shè)計(jì)以及相關(guān)材料、儀器等準(zhǔn)備工作。2019年7月-2019年11月，試驗(yàn)及分析階段：按照計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)期間，要做好相應(yīng)的記錄、整理，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)端部錨固纖維條帶加固受彎構(gòu)件的承載力提升效果進(jìn)行分析，并研究條帶長(zhǎng)度對(duì)加固性能的影響。2019年12月-2020年3月，對(duì)前期成果進(jìn)行整理，并完成結(jié)題。已有基礎(chǔ)與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)指導(dǎo)老師在前期研究中提出了可簡(jiǎn)捷實(shí)現(xiàn)纖維帶端部可靠錨固的自鎖繞法，成功在原本極易發(fā)生剝離的混凝土梁抗剪加固實(shí)踐運(yùn)用，取得了顯著的效果，并被國(guó)家規(guī)范采納。參與項(xiàng)目組成員是土木工程學(xué)院16級(jí)的本科生，通過(guò)已有的學(xué)習(xí)和研究，掌