初始应力状态对加固后混凝土梁力学性能的影响.pdf
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1、 桥梁建设2 0 1 4年第 4 4卷第 5期( 总第 2 2 8 期 ) Br i d g e C o n s t r u c t i o n,Vo 1 4 4,No 5 ,2 0 1 4( To t a l l y No 2 2 8 ) 81 文 章编 号 : 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 8 1 0 7 初始应 力状态对加 固后混凝土梁力学性能 的影响 邢 兵 。 , 李小 ( 1 西南 交通 大学土 木 工程 学院 , 四J 珍 , 强士 中 I l成都 6 1 0 0 3 1 ; 2 四川华腾公路 试 验检 测 有 限责任公 司, 四川 成
2、都 6 1 1 7 3 0 ) 摘 要 : 加 固后混凝土梁的力学行为与加 固时的既有截面初始应 力状态密切相关, 为 了解在 不 同的初始应力状 态下加 固混凝土梁的力学性能 , 通过模型试验 , 对 3片结构参数相 同的混凝土试 验梁, 分别在不同的初始应力状 态下采用增大截面法加 固, 并进行正常使用极限状态与承载能力极 限状态下的加栽试验 , 对试验梁的承载力、 钢筋与混凝土的应变及裂缝发展过程进行分析 。结果表 明: 在不同的初始应力状态下 , 加固混凝土梁的正常使 用极限状 态的承载 力存在明显差别; 加 固后 混凝土梁的变形不满足平面假定, 其承载力计算必须考虑分阶段受力的影响;
3、 初始应力状态对极限 承 载 力影响 不 大 。 关键词 : 钢筋混凝土梁; 加固; 力学性能; 模型试验; 初始应力状 态; 卸载率 中图分 类 号 :T U3 9 8 文 献标 志码 : A I nf l u e nc e o f I ni t i a l S t r e s s S t a t e o n M e c ha ni c a l Be ha v i o r o f St r e n g t he n e d Co nc r e t e Be a ms XI NG Bi n g 一,LI Xi a o z h e n ,QI ANG S h i z h o n g ( 1 S
4、c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y ,C h e n g d u 6 1 0 0 3 1, C h i n a :2 S i c hu a n H u a t e n g Hi g h wa y Te s t i n g Co ,Lt d ,C he n g d u 6 1 1 7 3 0,Ch i n a ) Ab s t r a c t :The m e c ha ni c a l b e h a v i or o f t he s t
5、 r e n gt he n e d c o nc r e t e be a ms i S c l o s e l y r e l a t e d t o t h e i n i t i a 1 s t r e s s s t a t e o f t h e s e c t i o n s o f t h e b e a ms b e i n g s t r e n g t h e n e d To u n d e r s t a n d t h e me c h a ni c a 1 be ha v i o r o f t he s t r e ngt he ne d c o nc r e
6、t e b e a ms und e r t he d i f f e r e nt i ni t i a l s t r e s s s t a t e,t he m o de l t e s t s f o r t he c on c r e t e b e a m s we r e ma d e 3 t e s t be a m s h a v i ng t he s a m e s t r u c t u r a l pa r a m e t e r s we r e s t r e ngt he n e d by t h e s e c t i o n e nl a r gi ng
7、m e t ho d r e s p e c t i v e l y un de r t he di f f e r e nt i n i t i a l s t r e s s s t a t e,t he be a m s we r e l oa d e d t o t he no r ma l s e r vi c e l i mi t s t a t e a n d t o t he b e a r i ng c a p a c i t y 1 i m i t s t a t e i n t h e t e s t s a nd t he be a r i ng c a pa c i
8、t y,s t r a i n o f t he r e i nf o r c e m e nt a nd c on c r e t e a n d t he c r a c k d e v e l o pme nt p r oc e s s of t h e b e a m s we r e a na l y z e dThe r e s ul t s o f t he t e s t s s ho w t ha t un de r t he d i f f e r e n t i ni t i a l s t r e s s s t a t e, t he b e a r i n g c
9、a pa c i t y o f t he no r ma l s e r vi c e l i mi t s t a t e of t he s t r e ng t he ne d c o nc r e t e be a m s i s s i g ni f i c a nt l y v a r i e d The de f o r m a t i on o f t he c o nc r e t e be a m s d oe s no t m e e t t he pl a n e s e c t i o n a s s u mpt i o n I n t he c a l c u l
10、 a t i on o f t h e be a r i ng c a p a c i t y of t he b e a ms, t h e i n f l u e n c e o f t h e f o r c e s i n t h e b e a ms i n s t a g e s s h o u l d b e t h o r o u g h l y c o n s i d e r e d Th e i n f l u e n c e of t he i ni t i a l s t r e s s s t a t e on t he be a r i ng c a pa c i
11、t y l i m i t s t a t e i s n ot g r e a t Ke y wo r d s:r e i n f o r c e d c o nc r e t e b e a m ;s t r e ng t he n i ng;m e c h a ni c a l be ha v i o r;mo d e l t e s t ;i ni t i a l s t r e s s s t a t e;un l oa di n g r a t i o 收稿 日期:2 0 1 4 0 6 1 2 基金项目:国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 7 8 4 3 1 ) ; 四川省公
12、路 局科技项 目 P r o j e c t o f Na t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a( 5 1 3 7 8 4 3 1 ) ;P r o j e c t o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f Ad mi n i s t r a t i o n o f Hi g h wa y s ,S i c hu a n Pr o v i n c e 作者简介 : 邢兵 , 高级工程师 , E ma i l : 2 9 0 8 2 7
13、 0 4 5 q q c o rn。研究方向 : 桥梁检测 、 桥 梁加 固。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 桥梁建设 B r i d g e C o n s t r u c t i o n 1 引 言 随着交 通事业 的发 展 , 我 国现 有公 路 桥 梁 约 7 0 万 座 , 绝 大部 分 为配筋 混凝 土梁桥 与圬 工桥 梁 , 其 中 混 凝土 梁桥 所 占的 比重 约 为 7 4 。这 些 混 凝 土 梁 桥多修建于 1 o年前 , 其设计标准偏低 、 受当时施工 条件限制 , 难 以满足交通运输业发展的需求 , 不少桥 梁的技术现状较差
14、, 需要进行加固、 改造。现有的混 凝土桥梁加固方法种类繁多 1 , 但增大截 面法仍 然 是较 为普遍 的加 固方法 。我 国 混 凝 土加 固技 术 规 范 ( C E C S 2 5 : 9 0 ) 要求 加 固时应 卸 去梁 已经承 担 的全部荷载 , 但在很多桥梁的加固过程 中, 仅仅卸除 了活载 或部 分恒 载 , 而 对混 凝 土桥 中荷 载 比重 较 大 的恒载没有卸除。桥梁加 固设计必须考虑新 、 旧材 料分阶段 受力特 点, 是 不少 研究 者 已经 取得 的共 识 。 加 固设计时 , 结构的卸载实际上是为 了降低某 控制截面一项或几项 内力值 ( 弯矩 、 轴力 、 剪
15、力) , 从 而 达到 改变 既有 截面初 始应 力状 态 , 使 新 、 旧材料 均 能 最大 限度地 发挥 作用 。已有研 究者 对既 有混凝 土 结 构 的卸载方 法进 行 了研究 , 如采 用影 响线 加载 、 改 变结构体系等方法来降低加 固截面的内力然后进行 加 固 。 已有 研究 表 明 1 , 加 固前混 凝 土梁 的 初始 荷 载可 能会影 响结 构 的破坏 形式 。对 于采用 增 大截面法加固的混凝土梁 , 既有、 新增混凝土截面的 破坏 次序 不 同( 分 3种 情况 : 既 有材 料 先 破 坏 ; 新 增 材料 先破 坏 ; 新 、 旧材料 同 时破坏 ) , 会 导
16、致其 承 载力 存在显著差异 。为此 , 本文设计了 3片结构参数相 同的混凝 土试 验 梁 , 分别 在 不 同的 初始 应 力 状 态 下 进行 增 大截 面加 固 , 并通 过加 载试 验 , 研 究 了加 固时 不 同 的 初 始 应 力 状 态 对 混 凝 土 梁 的 受 力 性 能 的 影 响 。 2模 型试 验 介绍 2 1 模型设计参数 3片试验梁 的结 构尺寸、 材 料、 配筋率 完全一 致 。梁 长为 5 0 m, 截 面 尺 寸 为 0 4 m0 4 m, 所 用材料为 C 4 O混凝 土, 双筋截面梁下缘主筋布置 4 根 2 2 mm 的 HR B 3 3 5钢筋 ,
17、其 配筋 率 均 为 1 1 。 3片试验梁的加固参数完全一致, 均在梁底部新浇 筑 1 层 1 0 c m 厚 的 C 4 O混 凝 土 , 即加 固后 试 验 梁截 面尺 寸为 o 5 m0 4 m, 加 固层 布置 7根 2 2 mm 的 HRB 3 3 5钢 筋 , 加 固层 纵筋 与 混凝 土 表 面 间距 为 5 0 mm, 加 固后 试 验 梁 配 筋 率 为 1 9 。浇 注 加 固 截 面混 凝土 前 , 将 原有 混凝 土底 面拉 毛 , 并 在底 部钻 孔 植筋 。采 用 1 6 mm 的 HR B 3 3 5钢 筋 植 筋 , 植 筋 间距 为 1 0 c m, 插 入
18、 新 、 旧混凝 土 中各 i 0 c m。试 验 梁构造见图 1 。 2 2 模型试 验 方案 为开 展试 验 研 究 , 假定 3片试 验 梁处 于 相 同 的 初 始 内力状 态 ( 即模 拟桥 梁结 构 的 3片 待 加 固梁具 有相同的恒载内力) 下 , 然后对其卸载并加 固。本文 中假定恒载 内力值为 0 7 倍未加 固梁跨中截面的正 常使用阶段承载力( 裂缝宽度 达 0 2 ram) 。为便于 本文阐述 , 将卸载率定义为: 加固时某控制截面内力 调整值与加固前其恒载内力 的比值 。卸载率反映了 被 加 固构件某 控 制截 面 内力 改变 的程 度 大小 。 在 加 固前对试 验
19、梁 的跨 中弯 矩 进行 调 整 。1号 试 验梁 直接 在恒 载 ( 模 拟 ) 状 态 下 加 固 , 跨 中弯矩 未 调整, 2号和 3号试验梁均对跨 中弯矩调整后再加 固。待加固层混凝土强度满足要求后 , 卸除临时外 荷 载 , 使 各梁 恢 复到 一 样 的 恒 载 内力 值 , 此 时 , 尽 管 加固后各梁跨 中内力一致 , 但跨 中截面应力分布已 完 全不 同 。各 试 验梁 的跨 中弯矩 及卸 载率 见表 1 。 采 用分级 加 载 的方 式 进 行 试 验模 型 的加 载 , 试 验模 型 加载 布置示 意见 图 2 。每 片试 验 梁 进 行 2个 工况的静力加载 : 工
20、况 I, 加载至受拉区混凝土的最 大裂缝宽度达到 0 2 mm, 模拟正常使用极限状态 ; 工 况 , 加 载 至试 验 梁破 坏 , 模 拟 承 载 能 力 极 限状 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 I I I l l l I I l l l l I I l l l l l l l l l l l l l I l l I I I I I I I l l l I I I I I I J I L 卜 纵 : 2 X bl 6 纵 : l l I l l I l I l l l l l l l l l l l
21、l l l l J l I l I I I I I l I I I I l l I I l 1 l I I I I l 4 忱 2 纵 : 肆 = = 4 E 目 聿 = = #= = # # = ,目 I -一 = 群 随 丰 目茸 目 4日= I 1 2 雨 箭 7 X 4,2 2 纵 : A l B l C 1 9X 1 0 0 = 4 9 0 0 5 0 0 0 G I H 5 0 单 位 :m m 图 1 试验梁构造 Fi g 1 St r u c t u r e o f Te s t Be a m 一 0 0 一0 0 _【 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c
22、o m 初始应力状态对加 固后混凝土梁力学性能的影响 邢兵 , 李小珍 , 强士 中 8 3 表 1 试 验梁的跨 中弯矩及卸载率 Ta b1 M i d s p a n Be nd i n g M o m e nt a n d Un l o a di ng Ra t i o s of Te s t Be a ms 竺 O 2 7 1 2 5 4 2 ,0 9 1 8 0 0 1 0 0 0 1 8 0 0 2 , o o 一一;口 器 : 分配梁( 钢箱梁) i 图 2试验模型加载示意 Fi g 2 Lo a di ng o f Te s t M o de l 单位: ti m 态 。首先对
23、 3片试验梁进行卸载、 加 固, 然后进行加 载 测试 , 试 验流程 见 图 3 。 加模拟恒载( 跨中弯矩5 9 k N m ) I l 卸 载 ( 按 照 设 计 的 卸 载 率 ) l 由 I 加 固 混 凝土 龄 期 达到 要 求 后卸 载 至0 l =二 = = t l 加 模 拟 恒 载 (跨 中 弯 矩 5 9 k N , m ) l 矗 臣 图 3试 验流 程 Fi g 3 Pr o c e du r e o f Te s t 2 3 试验 模 型测 点布 置 沿试 验 梁长度 方 向每 隔 0 5 m 设置 1个测 试 断 面 , 编号为 AI , 如 图 1所示 。在 A
24、I 测试断面的 混凝土表面均设置应变测点 , 测试原有混凝土及 加 固混凝土的应变 ; 在 CG测试断面的受拉钢筋 表 面 上均 布置 应变 测 点 , 以观 测 加载 过 程 中钢 筋 应 变 的发展 情况 。均 采用 电 阻应 变 片 进行 应 变 测 量 。E 截 面跨 中应 变测 点布 置见 图 4 。 为 观 测 加 载 过 程 中梁 的 挠 度 变 化 ,在 梁 的 跨 中、 L 4 、 3 L 4及支座处 相应截面 的下缘左、 右两侧 E - 9 E - 1 0 6 0 4 0 0 2 8 0 ,1 6 0 ( a )混凝土测点 5 0 I 6X5 0 = 3 0 0 4 0 0
25、 1 5 0 ( b )钢 筋测点 单位:m m 图 4 E截面跨中应变测点布置 Fi g 4 La y ou t o f S t r a i n Te s t Poi nt s o n M i ds p an S e c t i o n E 布置竖向位移测点 , 并取其平均值作为测试结果 。 3试验 结 果及分 析 3 1 承 载力 测试 结果 在 2种 工况 下 3片试 验梁 的跨 中承 载力结 果 见 表 2 , 表 中工况 I的理论值是考虑材料分阶段受力 计算得到; 工况 的理论值是采用通用有限元分析 软件 ANS YS建模 进行 三维非线性分析得到 , 在建 模 中考 虑 了材料 与
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