混凝土梁桥快速升级的一种简易方法

1、8/8基本情况项目名称混凝土梁桥快速升级的一种简易方法所属学科学科一级门： 土木工程学科二级类： 桥梁与隧道工程申请金额10000元起止年月2019年3月至2020年3月负责人姓名性别学号联系电话指导教师联系电话负责人曾经参与科研的情况指导教师承担科研课题情况指导教师对本项目的支持情况项目组主要成员姓 名学号专业班级所在学院项目中的分工搜集、编辑资料进行计算工作 立项依据（可加页）项目简介 针对当前交通流量和车辆载重不断加大、超载运输非常普遍的现状，特别是临时面临大件运输和灾害突发时紧急抢修的交通需求，本项目以量大面广的混凝土梁桥为对象，研究一种快速升级其承载能力的加固方法，即将纤维带通过自主

2、研发的超薄型自锁式紧凑锚具在短时间内固定在混凝土梁底面，从而尽快实现纤维带与梁的共同工作，尽量保障交通畅通。本项目通过试验验证这种方法的可行性，以及纤维带长度对混凝土梁抗弯性能提升效果的影响。研究目的 桥梁是公路的咽喉，其使用功能的好坏直接影响整条线路的畅通，既有公路中设计标准较低的桥梁严重制约了公路运输事业的发展。我国公路桥梁的设计标准随着国民经济的发展而不断提高：设计荷载由汽- 6、汽- 8、汽- 10、汽-13发展到汽-15、汽- 20及汽-超20级；验算荷载也由拖- 30、拖- 60、拖- 80发展到挂- 100和挂- 120。据调查，全国在20世纪80年代前建成的国道、省道和县级公路

3、中永久性大、中型桥梁的设计荷载达到汽- 20级、挂- 100标准的仅占6. 53 %，汽- l0、履- 50及以下荷载标准的桥梁占9.17 %，其余84.3 %的桥梁基本上是汽- 13级和汽-15级标准。由此可见，既有桥梁已不能适应当前的设计标准要求。同时，随着国民经济的发展，交通量和车辆载重不断加大，公路交通的负荷日趋增大，使部分早期设计修建的桥梁的既有损伤不断加重，加速了桥梁的老化、破损。特别是修建年代早、设计标准低的桥梁，病害严重，已不能维持正常使用，而只能限速限载通行，甚至不得不关闭交通，严重影响和制约了交通运输和地方经济的发展。另外，对于一些特殊情况，比如战争、抢险救灾，经常有一些辎

4、重车辆要临时通过一些设计标准比较低的桥梁。 受资金和材料资源的限制，上述桥梁不可能全部拆除重建，而期望尽量利用既有桥梁，通过技术手段对旧桥进行技术改造，恢复和提高其承载能力。研究内容目前我国结构加固中一般采用混凝土结构加固技术规范（GB 50367-2006）中的方法（加大截面法、外包型钢加固法、施加预应力加固法、粘钢加固法、喷射混凝土加固法等），对于这些传统的加固方法，国内外已进行了系统的分析研究，建立了较为完善的设计理论和方法，并得到广泛的工程应用。但是，这些传统的加固方法在实际的加固施工过程中，却存在许多的不足，如混凝土结构加大截面、粘贴钢板、施加体外预应力、以及增设托架或支撑体系等都需

5、要使用大型机械、较多的人力物力和较大的施工作用空间。这不仅需要大量的一次性投入，也需要十分巨大的后期维护费用。更有甚者，在某些情况下，这些加固方法可能都不能起到预期的效果，甚至可能对构件完全起不到加固作用。随着经济的发展和科学技术的进步，近年来一种新的加固方法即纤维加固法，应运而生。纤维增强材料/聚合物是由同方向排列的许多纤维丝与聚合物通过胶结材料牢固结合而构成，有碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等多个品种。纤维加固技术就是利用树脂类胶结材料将纤维片材粘贴于构件表面以改善结构受力性能，从而对结构构件进行补强加固。由于纤维片材具有质轻、柔软的物理力学性能、良好的粘和性、耐热性和抗腐蚀性，以及加固效率更

6、高，施工速度更快，附加荷载更轻，便于运输，施工时无需重型机械等特点，纤维片材加固技术迅速成为当今国际土木工程界的研究开发热点，并得到越来越广泛的研究和应用。目前包括我国在内的许多国家都投入了大量人力、物力、和财力进行广泛研究和开发。纤维片材加固结构的常规做法是用胶合剂将纤维片材粘贴在待加固构件表面，可简称为外贴加固法。各国有关的技术标准大多也是基于此法制定的。对量大面广的钢筋混凝土梁、板等受弯构件进行外贴加固时，纤维片材要发挥受拉作用只能依赖其与混凝土界面的粘结来传力，良好的粘结是保证共同工作的前提条件。但是，相比片材很高的抗拉强度，这种“界面”的粘结能力常常太弱，以致于在这种高价高强纤维复材

7、应力很低时，就过早失去粘结发生脆性剥离破坏。不仅外加荷载大到一定程度将因界面应力过高而引起剥离，使用时间长了还会由于胶层剪切徐变致使界面传力性能退化，环境温度高了更有可能导致胶层粘结强度下降甚至软化脱开，这将进一步增大出现剥离破坏的风险，对加固效果的安全性和耐久性造成不利影响。正因为如此，工程技术人员常常感到“爱恨交加”：因其技术优势很想用，因其易于剥离而担心、甚至不敢用。因此，剥离被视为纤维片材粘贴加固法的致命缺陷。因为纤维片材切断会在其端部引起界面应力集中，受弯裂缝或弯剪裂缝也会在片材中部裂缝附近引起界面应力集中，并可能在相应部位导致剥离，所以剥离破坏形态可分为端部剥离和中部剥离2大类。这

8、种脆性破坏可能发生在粘贴界面、混凝土表层或保护层。在实际工程中，由于纤维片材与混凝土的界面粘结强度一般高于混凝土本身的抗拉强度，当界面应力集中在附近混凝土中产生的主拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会导致混凝土表层或保护层出现剥离破坏，所以，除非粘胶材料和粘贴施工的质量不符合要求，“界面”剥离绝大多数发生在毗邻界面的混凝土内。而混凝土在抗拉性能上的缺陷，包括长期强度的退化，似乎从根本上限制了剥离荷载的提高、乃至外贴纤维片材加固技术的发展。如何有效防治剥离，也就成为工程界和学术界面临的核心问题。另一方面，在一般的纤维加固技术中，纤维材料都是通过环氧树脂与构件表面粘结在一起，环氧树脂需要按照养护时间

9、固化后才能承载，这个时间对于战争与抢险救灾等紧急情况过于漫长，所以本项目拟开发一种特殊的自锁锚固方式，将纤维带端部仅通过锚具自锁固定，锚具与构件通过螺栓连接，螺栓与孔洞的间隙灌入快干胶，只要快干胶凝结，构件即临时加固完毕，实现了对混凝土梁桥的快速升级，并且等临时辎重车辆通过后，锚具还能拆卸进行二次回收利用。国、内外研究现状和发展动态纤维增强材料的研究最早是在欧洲开始的，当时纤维材料主要用于军工和航空航天领域。近几十年来，纤维材料因其具有较好的结构性能、耐久性能等逐渐应用在民用领域，特别是应用在土木工程领域。早在20世纪70年代，德国斯图加特大学就开始对纤维增强材料展开研究，并在预应力混凝土方面

10、取得了突出成绩。1978年承包商Strabag、化工品商Bayer合作开发了纤维增强预应力筋和锚固系统，并成功应用于德国和奥地利的几座桥中。1981年，瑞典的Meier首次采用粘贴碳纤维片材的方法加固了Ebach桥，并同时进行了碳纤维板加固混凝土结构的可行性研究，指出用碳纤维片材代替钢板进行加固，可以简化施工方法，降低总成本，并且碳纤维的比强度和比模量较高，实际工程加固效果较佳。北美的科学家在政府的支持下进行了深入而又广泛的研究，取得了大量第一手资料，提出了许多新理论、新模型，促进了纤维片材的应用研究。Saadamanesh & Ehsani，以及Ritchie对碳纤维板加固梁的抗弯性能进行了

11、深入研究，认为粘结剂的选择对被加固构件的力学性能非常重要。Shahawy等人对碳纤维抗弯加固梁的静力特性和疲劳特性进行了试验研究。静载试验表明：混凝土强度、碳纤维层数、全部或部分包裹方式对加固T形梁的强度和延性均有较大影响。Spadea等人对碳纤维加固梁的抗弯以及延性能力进行了试验研究。试验指出，碳纤维锚固长度以及锚固位置对加固梁的强度和延性具有非常重要的影响。特别对于无锚固加固梁，加固后的变形能力以及延性系数在试验过程中均降低很快，难以发挥碳纤维加固性能。Bencardino等人对外贴碳纤维抗弯加固梁的强度和延性性能进行了试验研究。通过对整个试验过程与结果的研究表明：碳纤维布端部锚固是保证加

12、固性能的重要措施。文中通过对各个试验模型的位移延性、曲率延性以及能量延性的比较发现，尽管粘贴碳纤维布能有效提高结构的抗弯能力，但却是以结构延性丧失为代价。试验结果再次验证了采用端部锚固措施是减少加固延性损失的有效手段。在工程实践方面，北美地区也进行了大量成功的尝试，碳纤维加固在桥梁与结构建筑中得到了广泛的应用。1989年Loma Prieta大地震后，许多高速公路桥的桥礅由于延性不足，受到严重破坏，大量采用纤维片材进行加固。1999年美国用1.65mm厚的碳纤维板对某污水处理槽进行了整体性的恢复加固，取得了很好的效果。美国海军部用单向碳纤维对钢筋混凝土进行了加固，显著的提高了混凝土梁的强度。美

13、国和加拿大还大量采用碳纤维丝代替高强度钢丝用于大跨度预应力结构和悬索桥结构。日本是最早将纤维材料应用于土木工程建设的国家，并且投入巨大。早在1988年，日本建设省就发起了题为建设事业中的新素材、新材料利用技术的开发的为期5年的大型综合研究项目，其中纤维增强加固结构技术是最为成功的一个。1989年，日本土木学会（JSCE）设立了连续纤维增强混凝土委员会，召开了“混凝土结构部件中的连续纤维加固材料的应用”学术研讨会，并于1992年颁布了混凝土结构部件的纤维增强材料应用的设计、施工指南（草案）。1993年日本建筑研究院颁布了世界上第一部关于纤维增强复合材料加固的设计指南。我国目前对纤维增强材料的应用

14、研究主要集中在碳纤维片材加固混凝土构件上，如：在构件的受拉面粘贴碳纤维片材，研究加固构件的抗弯性能；在构件的剪切区粘贴碳纤维片材，研究加固构件的抗剪性能；对受压的柱状构件进行加固，研究加固构件的抗压性能；在反复荷载作用下，研究加固构件的抗疲劳性能；碳纤维的抗震加固，碳纤维加固的剥离破坏分析等。而目前大部分用碳纤维材料对钢筋混凝土构件进行加固主要是依靠与混凝土之间的良好的粘结来实现的。任何引起粘结破坏的因素都可能导致构件发生脆性破坏而不能达到加固效果，剥离破坏就是其中一种非常常见的破坏。现有的研究表明，粘结界面的剥离破坏可以归结为以下几类：a)由于碳纤维端部的应力集中所引起的端部向梁中扩展的剥离

15、破坏；b)由剪切裂缝引起的上下错动导致端部剥离破坏；c)在最大弯矩处，由弯曲裂缝引起的向两侧延伸的剥离破坏。陆新征、杨勇新、欧阳煜等人对剥离破坏进行了大量的分析和研究，但目前对碳纤维加固钢筋混凝土的剥离破坏研究还处在探索阶段，各种计算模型和理论还有待学者去进一步研究。在应用纤维加固混凝土梁的实际工程中，无论是抗弯还是抗剪，解决纤维布剥离问题最为有效的方法还是采取适当的锚固措施。但大部分现有的锚固措施，往往存在着加固效果和施工简便的矛盾，且不论是否能解决这种矛盾，目前锚固件都不同程度的依赖粘胶锚固，当遭遇高温或火灾时，锚固件是否能发挥作用还是个疑问。鉴于此，开发出一种新型的、能有效解决上述问题的

16、端部锚具相当重要。创新点与项目特色针对纤维增强片材普通粘贴加固法容易剥离的显著缺陷，国内外不少学者开展了防治技术及其应用基础研究。指导老师在前期研究中提出了可简捷实现纤维带端部可靠锚固的自锁绕法，并用之于原本极易发生剥离的混凝土梁抗剪加固，取得显著效果，成果被国家规范采纳。实践经验表明，抗弯加固往往需求量更大。新型端锚加固方式在对混凝土梁进行抗弯加固时，具有施工周期短、方便迅捷、加固效果好等技术优势，特别是在抗险救灾等紧急工程应用时易被业界接受。由此可见，本项目的特色在于，这是一个基于指导教师已有发明专利、有前期研究基础的低风险自由探索项目，新技术在源头上具有新颖性，在效能上具有优越性。本项目

17、创新之处主要如下：（1）基于柔带自锁技术根据试验目的设计制作符合强度要求的新型锚具，通过专门拉伸试验进行质量检验；（2）通过混凝土梁或板的抗弯试验验证加固升级效果，研究条带长度对该效果的影响。技术路线、拟解决的问题及预期成果技术路线示意图拟解决的问题：（1）新型锚具对于纤维带锚固效果的有效性这是该加固技术源头上的科学问题，不明确新型锚具自锁锚固效果的有效性，直接进行抗弯试验研究可能不够严谨、存在风险，本项目通过拉伸试验证实纤维带端部通过绕结开缝板进行锚固的有效性，具有重要的学术意义和应用价值。（2）纤维带长度对端锚加固受弯构件性能的影响端锚技术要在实际工程中得到推广应用，必须明确纤维带长度对构

18、件抗弯性能提升效果的影响，以达到对梁桥最经济最快捷的升级目的，因而有必要基于试验，把握变化规律，确定合理取值。预期成果：通过开展本项目研究，证实新型锚具对于纤维带锚固效果的有效性，了解纤维带长度对端锚加固受弯构件性能的影响，争取在国内外有影响的学术会议或学术刊物上发表论文1篇。项目研究进度安排2019年3月-2019年6月，文献阅读及试验准备阶段：通过查阅相关文献，了解纤维片材的特性、试验相关仪器的使用、程序等。进行纤维条带自锁锚固有效性的验证和端锚纤维条带加固受弯构件的构件设计以及相关材料、仪器等准备工作。2019年7月-2019年11月，试验及分析阶段：按照计划进行试验，在试验期间，要做好相应的记录、整理，观察试验现象，对端部锚固纤维条带加固受弯构件的承载力提升效果进行分析，并研究条带长度对加固性能的影响。2019年12月-2020年3月，对前期成果进行整理，并完成结题。已有基础与本项目有关的研究积累和已取得的成绩指导老师在前期研究中提出了可简捷实现纤维带端部可靠锚固的自锁绕法，成功在原本极易发生剥离的混凝土梁抗剪加固实践运用，取得了显著的效果，并被国家规范采纳。参与项目组成员是土木工程学院16级的本科生，通过已有的学习和研究，掌