混凝土梁橋快速升級的一種簡易方法

1、8/8基本情況項目名稱混凝土梁橋快速升級的一種簡易方法所屬學科學科一級門： 土木工程學科二級類： 橋梁與隧道工程申請金額10000元起止年月2019年3月至2020年3月負責人姓名性別學號聯系電話指導教師聯系電話負責人曾經參與科研的情況指導教師承擔科研課題情況指導教師對本項目的支持情況項目組主要成員姓 名學號專業(yè)班級所在學院項目中的分工搜集、編輯資料進行計算工作 立項依據（可加頁）項目簡介 針對當前交通流量和車輛載重不斷加大、超載運輸非常普遍的現狀，特別是臨時面臨大件運輸和災害突發(fā)時緊急搶修的交通需求，本項目以量大面廣的混凝土梁橋為對象，研究一種快速升級其承載能力的加固方法，即將纖維帶通過自主

2、研發(fā)的超薄型自鎖式緊湊錨具在短時間內固定在混凝土梁底面，從而盡快實現纖維帶與梁的共同工作，盡量保障交通暢通。本項目通過試驗驗證這種方法的可行性，以及纖維帶長度對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，既有公路中設計標準較低的橋梁嚴重制約了公路運輸事業(yè)的發(fā)展。我國公路橋梁的設計標準隨著國民經濟的發(fā)展而不斷提高：設計荷載由汽- 6、汽- 8、汽- 10、汽-13發(fā)展到汽-15、汽- 20及汽-超20級；驗算荷載也由拖- 30、拖- 60、拖- 80發(fā)展到掛- 100和掛- 120。據調查，全國在20世紀80年代前建成的國道、省道和縣級公路

3、中永久性大、中型橋梁的設計荷載達到汽- 20級、掛- 100標準的僅占6. 53 %，汽- l0、履- 50及以下荷載標準的橋梁占9.17 %，其余84.3 %的橋梁基本上是汽- 13級和汽-15級標準。由此可見，既有橋梁已不能適應當前的設計標準要求。同時，隨著國民經濟的發(fā)展，交通量和車輛載重不斷加大，公路交通的負荷日趨增大，使部分早期設計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、設計標準低的橋梁，病害嚴重，已不能維持正常使用，而只能限速限載通行，甚至不得不關閉交通，嚴重影響和制約了交通運輸和地方經濟的發(fā)展。另外，對于一些特殊情況，比如戰(zhàn)爭、搶險救災，經常有一些輜

4、重車輛要臨時通過一些設計標準比較低的橋梁。 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，通過技術手段對舊橋進行技術改造，恢復和提高其承載能力。研究內容目前我國結構加固中一般采用混凝土結構加固技術規(guī)范（GB 50367-2006）中的方法（加大截面法、外包型鋼加固法、施加預應力加固法、粘鋼加固法、噴射混凝土加固法等），對于這些傳統(tǒng)的加固方法，國內外已進行了系統(tǒng)的分析研究，建立了較為完善的設計理論和方法，并得到廣泛的工程應用。但是，這些傳統(tǒng)的加固方法在實際的加固施工過程中，卻存在許多的不足，如混凝土結構加大截面、粘貼鋼板、施加體外預應力、以及增設托架或支撐體系等都需

5、要使用大型機械、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費用。更有甚者，在某些情況下，這些加固方法可能都不能起到預期的效果，甚至可能對構件完全起不到加固作用。隨著經濟的發(fā)展和科學技術的進步，近年來一種新的加固方法即纖維加固法，應運而生。纖維增強材料/聚合物是由同方向排列的許多纖維絲與聚合物通過膠結材料牢固結合而構成，有碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等多個品種。纖維加固技術就是利用樹脂類膠結材料將纖維片材粘貼于構件表面以改善結構受力性能，從而對結構構件進行補強加固。由于纖維片材具有質輕、柔軟的物理力學性能、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，便于運輸，施工時無需重型機械等特點，纖維片材加固技術迅速成為當今國際土木工程界的研究開發(fā)熱點，并得到越來越廣泛的研究和應用。目前包括我國在內的許多國家都投入了大量人力、物力、和財力進行廣泛研究和開發(fā)。纖維片材加固結構的常規(guī)做法是用膠合劑將纖維片材粘貼在待加固構件表面，可簡稱為外貼加固法。各國有關的技術標準大多也是基于此法制定的。對量大面廣的鋼筋混凝土梁、板等受彎構件進行外貼加固時，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來傳力，良好的粘結是保證共同工作的前提條件。但是，相比片材很高的抗拉強度，這種“界面”的粘結能力常常太弱，以致于在這種高價高強纖維復材

7、應力很低時，就過早失去粘結發(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力過高而引起剝離，使用時間長了還會由于膠層剪切徐變致使界面?zhèn)髁π阅芡嘶h(huán)境溫度高了更有可能導致膠層粘結強度下降甚至軟化脫開，這將進一步增大出現剝離破壞的風險，對加固效果的安全性和耐久性造成不利影響。正因為如此，工程技術人員常常感到“愛恨交加”：因其技術優(yōu)勢很想用，因其易于剝離而擔心、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。因為纖維片材切斷會在其端部引起界面應力集中，受彎裂縫或彎剪裂縫也會在片材中部裂縫附近引起界面應力集中，并可能在相應部位導致剝離，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、混凝土表層或保護層。在實際工程中，由于纖維片材與混凝土的界面粘結強度一般高于混凝土本身的抗拉強度，當界面應力集中在附近混凝土中產生的主拉應力超過混凝土的抗拉強度時，就會導致混凝土表層或保護層出現剝離破壞，所以，除非粘膠材料和粘貼施工的質量不符合要求，“界面”剝離絕大多數發(fā)生在毗鄰界面的混凝土內。而混凝土在抗拉性能上的缺陷，包括長期強度的退化，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的發(fā)展。如何有效防治剝離，也就成為工程界和學術界面臨的核心問題。另一方面，在一般的纖維加固技術中，纖維材料都是通過環(huán)氧樹脂與構件表面粘結在一起，環(huán)氧樹脂需要按照養(yǎng)護時間

9、固化后才能承載，這個時間對于戰(zhàn)爭與搶險救災等緊急情況過于漫長，所以本項目擬開發(fā)一種特殊的自鎖錨固方式，將纖維帶端部僅通過錨具自鎖固定，錨具與構件通過螺栓連接，螺栓與孔洞的間隙灌入快干膠，只要快干膠凝結，構件即臨時加固完畢，實現了對混凝土梁橋的快速升級，并且等臨時輜重車輛通過后，錨具還能拆卸進行二次回收利用。國、內外研究現狀和發(fā)展動態(tài)纖維增強材料的研究最早是在歐洲開始的，當時纖維材料主要用于軍工和航空航天領域。近幾十年來，纖維材料因其具有較好的結構性能、耐久性能等逐漸應用在民用領域，特別是應用在土木工程領域。早在20世紀70年代，德國斯圖加特大學就開始對纖維增強材料展開研究，并在預應力混凝土方面

10、取得了突出成績。1978年承包商Strabag、化工品商Bayer合作開發(fā)了纖維增強預應力筋和錨固系統(tǒng)，并成功應用于德國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，并同時進行了碳纖維板加固混凝土結構的可行性研究，指出用碳纖維片材代替鋼板進行加固，可以簡化施工方法，降低總成本，并且碳纖維的比強度和比模量較高，實際工程加固效果較佳。北美的科學家在政府的支持下進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，促進了纖維片材的應用研究。Saadamanesh & Ehsani，以及Ritchie對碳纖維板加固梁的抗彎性能進行了

11、深入研究，認為粘結劑的選擇對被加固構件的力學性能非常重要。Shahawy等人對碳纖維抗彎加固梁的靜力特性和疲勞特性進行了試驗研究。靜載試驗表明：混凝土強度、碳纖維層數、全部或部分包裹方式對加固T形梁的強度和延性均有較大影響。Spadea等人對碳纖維加固梁的抗彎以及延性能力進行了試驗研究。試驗指出，碳纖維錨固長度以及錨固位置對加固梁的強度和延性具有非常重要的影響。特別對于無錨固加固梁，加固后的變形能力以及延性系數在試驗過程中均降低很快，難以發(fā)揮碳纖維加固性能。Bencardino等人對外貼碳纖維抗彎加固梁的強度和延性性能進行了試驗研究。通過對整個試驗過程與結果的研究表明：碳纖維布端部錨固是保證加

12、固性能的重要措施。文中通過對各個試驗模型的位移延性、曲率延性以及能量延性的比較發(fā)現，盡管粘貼碳纖維布能有效提高結構的抗彎能力，但卻是以結構延性喪失為代價。試驗結果再次驗證了采用端部錨固措施是減少加固延性損失的有效手段。在工程實踐方面，北美地區(qū)也進行了大量成功的嘗試，碳纖維加固在橋梁與結構建筑中得到了廣泛的應用。1989年Loma Prieta大地震后，許多高速公路橋的橋礅由于延性不足，受到嚴重破壞，大量采用纖維片材進行加固。1999年美國用1.65mm厚的碳纖維板對某污水處理槽進行了整體性的恢復加固，取得了很好的效果。美國海軍部用單向碳纖維對鋼筋混凝土進行了加固，顯著的提高了混凝土梁的強度。美

13、國和加拿大還大量采用碳纖維絲代替高強度鋼絲用于大跨度預應力結構和懸索橋結構。日本是最早將纖維材料應用于土木工程建設的國家，并且投入巨大。早在1988年，日本建設省就發(fā)起了題為建設事業(yè)中的新素材、新材料利用技術的開發(fā)的為期5年的大型綜合研究項目，其中纖維增強加固結構技術是最為成功的一個。1989年，日本土木學會（JSCE）設立了連續(xù)纖維增強混凝土委員會，召開了“混凝土結構部件中的連續(xù)纖維加固材料的應用”學術研討會，并于1992年頒布了混凝土結構部件的纖維增強材料應用的設計、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于纖維增強復合材料加固的設計指南。我國目前對纖維增強材料的應用

14、研究主要集中在碳纖維片材加固混凝土構件上，如：在構件的受拉面粘貼碳纖維片材，研究加固構件的抗彎性能；在構件的剪切區(qū)粘貼碳纖維片材，研究加固構件的抗剪性能；對受壓的柱狀構件進行加固，研究加固構件的抗壓性能；在反復荷載作用下，研究加固構件的抗疲勞性能；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鋼筋混凝土構件進行加固主要是依靠與混凝土之間的良好的粘結來實現的。任何引起粘結破壞的因素都可能導致構件發(fā)生脆性破壞而不能達到加固效果，剝離破壞就是其中一種非常常見的破壞?，F有的研究表明，粘結界面的剝離破壞可以歸結為以下幾類：a)由于碳纖維端部的應力集中所引起的端部向梁中擴展的剝離

15、破壞；b)由剪切裂縫引起的上下錯動導致端部剝離破壞；c)在最大彎矩處，由彎曲裂縫引起的向兩側延伸的剝離破壞。陸新征、楊勇新、歐陽煜等人對剝離破壞進行了大量的分析和研究，但目前對碳纖維加固鋼筋混凝土的剝離破壞研究還處在探索階段，各種計算模型和理論還有待學者去進一步研究。在應用纖維加固混凝土梁的實際工程中，無論是抗彎還是抗剪，解決纖維布剝離問題最為有效的方法還是采取適當的錨固措施。但大部分現有的錨固措施，往往存在著加固效果和施工簡便的矛盾，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，當遭遇高溫或火災時，錨固件是否能發(fā)揮作用還是個疑問。鑒于此，開發(fā)出一種新型的、能有效解決上述問題的

16、端部錨具相當重要。創(chuàng)新點與項目特色針對纖維增強片材普通粘貼加固法容易剝離的顯著缺陷，國內外不少學者開展了防治技術及其應用基礎研究。指導老師在前期研究中提出了可簡捷實現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，成果被國家規(guī)范采納。實踐經驗表明，抗彎加固往往需求量更大。新型端錨加固方式在對混凝土梁進行抗彎加固時，具有施工周期短、方便迅捷、加固效果好等技術優(yōu)勢，特別是在抗險救災等緊急工程應用時易被業(yè)界接受。由此可見，本項目的特色在于，這是一個基于指導教師已有發(fā)明專利、有前期研究基礎的低風險自由探索項目，新技術在源頭上具有新穎性，在效能上具有優(yōu)越性。本項目

17、創(chuàng)新之處主要如下：（1）基于柔帶自鎖技術根據試驗目的設計制作符合強度要求的新型錨具，通過專門拉伸試驗進行質量檢驗；（2）通過混凝土梁或板的抗彎試驗驗證加固升級效果，研究條帶長度對該效果的影響。技術路線、擬解決的問題及預期成果技術路線示意圖擬解決的問題：（1）新型錨具對于纖維帶錨固效果的有效性這是該加固技術源頭上的科學問題，不明確新型錨具自鎖錨固效果的有效性，直接進行抗彎試驗研究可能不夠嚴謹、存在風險，本項目通過拉伸試驗證實纖維帶端部通過繞結開縫板進行錨固的有效性，具有重要的學術意義和應用價值。（2）纖維帶長度對端錨加固受彎構件性能的影響端錨技術要在實際工程中得到推廣應用，必須明確纖維帶長度對構

18、件抗彎性能提升效果的影響，以達到對梁橋最經濟最快捷的升級目的，因而有必要基于試驗，把握變化規(guī)律，確定合理取值。預期成果：通過開展本項目研究，證實新型錨具對于纖維帶錨固效果的有效性，了解纖維帶長度對端錨加固受彎構件性能的影響，爭取在國內外有影響的學術會議或學術刊物上發(fā)表論文1篇。項目研究進度安排2019年3月-2019年6月，文獻閱讀及試驗準備階段：通過查閱相關文獻，了解纖維片材的特性、試驗相關儀器的使用、程序等。進行纖維條帶自鎖錨固有效性的驗證和端錨纖維條帶加固受彎構件的構件設計以及相關材料、儀器等準備工作。2019年7月-2019年11月，試驗及分析階段：按照計劃進行試驗，在試驗期間，要做好相應的記錄、整理，觀察試驗現象，對端部錨固纖維條帶加固受彎構件的承載力提升效果進行分析，并研究條帶長度對加固性能的影響。2019年12月-2020年3月，對前期成果進行整理，并完成結題。已有基礎與本項目有關的研究積累和已取得的成績指導老師在前期研究中提出了可簡捷實現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踐運用，取得了顯著的效果，并被國家規(guī)范采納。參與項目組成員是土木工程學院16級的本科生，通過已有的學習和研究，掌