钢板—混凝土组合加固方法试验研究及实桥应用
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摘要
我国上个世纪80年代前修建的众多公路桥梁由于设计荷载等级较低或其运营过程中受各种因素的影响出现了不同程度的病害，导致桥梁承载能力下降，已不能满足交通发展的需要，对这些在役桥梁进行旨在提高其承载能力的加固改造已迫在眉睫。因此，桥梁维修、加固及改造技术研究已成为桥梁科技发展的重要方向。随着材料科学的发展，新型实用加固改造技术不断出现。钢板-混凝土组合加固技术通过合理地运用钢板与混凝土两种材料以及结合界面连接件的合理构造布置，形成一种可显著提高桥梁承载力与结构刚度的新型实用加固技术。但国内外对此方面的研究尚不够深入。由此可见，开展钢板－混凝土组合加固混凝土桥梁的研究，具有重要的理论意义和工程实用价值。
论文主要针对钢板－混凝土组合加固混凝土桥梁方法与工程应用中的关键技术问题，通过模型梁试验、理论及数值模拟分析、实桥应用，对钢板—混凝土组合加固梁的受力性能进行了系统研究并提出相应的理论计算公式；完善钢板—混凝土组合加固技术设计计算方法并结合依托工程，提出实用的结构连接方式，采用钢板—混凝土组合加固和粘贴钢板两种方法完成了两座桥梁的加固设计，通过桥梁荷载试验将两种加固方法的加固效果进行比较研究，最后通过加固前后、运营后测试验证组合加固混凝土桥梁的效果。本文的研究工作为钢板—混凝土组合加固技术在桥梁加固工程应用提供了技术支持。研究成果包括：
本文开展了钢板—混凝土组合加固T形钢筋混凝土梁的抗弯性能试验研究、数值分析，观察试验梁从加载到破坏的各阶段现象以及破坏形式，对试验得到的抗弯承载能力、变形和应变结果进行详细的分析。试验结果表明：钢板-混凝土组合加固可使混凝土T梁极限抗弯承载力提高约2倍；植筋间距、原梁弯曲损伤程度对组合加固T梁的极限抗弯承载力影响仅为4%左右；植筋间距越大，新老混凝土界面纵向相对滑移越大。基于使用有限元软件Ansys采用塑性方法对钢筋混凝土T形梁组合加固后的受力性能进行分析，并与试验结果对比，表明试验梁加固后极限抗弯承载力的数值计算结果与试验结果相差最大为9%。最后建立了钢板—混凝土组合加固钢筋混凝土T形梁极限抗弯承载力理论计算公式。
本文进行了钢板—混凝土组合加固钢筋混凝土T形梁的抗剪性能试验研究和数值分析。对损伤后的混凝土T形梁进行了组合加固抗剪承载力试验，得到了试验梁剪切破坏时的受力特性以及极限承载力，揭示了钢板－混凝土组合加固钢筋混凝土T梁的剪压破坏机理。钢板－混凝土组合加固钢筋混凝土T梁的有限元计算结果与试验结果吻合较好，并由此提出了组合加固钢筋混凝土T形梁的抗剪承载力计算公式，极限抗剪承载力计算结果与试验结果吻合较好。
本文将钢板－混凝土组合加固技术应用于火灾受损的混凝土连续箱梁桥和空心板桥的加固抢修；加固设计提出了两种连接构造措施，能够确保原结构和新混凝土、钢板形成整体共同工作，结构安全耐久，性能可靠。
本文将钢板－混凝土组合加固技术与粘贴钢板加固加固技术同时运用于实桥主梁加固，并将采用两种加固技术加固后的主梁受力性能进行了分析对比，在荷载作用下采用组合加固的主梁应变理论计算值及实测值均明显小于采用粘钢加固的主梁，采用组合加固主梁底板应变校验系数均小于1且相对均匀。数据结果表明采用组合加固方法加固能够保证新旧结构整体受力性能较好。组合加固方法对主梁刚度和整体工作性能提高效果优于粘钢加固方法。
本文的研究成果已纳入陕西省地方标准《钢板-混凝土组合加固混凝土桥梁设计与施工技术规程》，也可为其他钢板—混凝土组合加固混凝土桥梁提供借鉴。
At present, due to the design of the lower grade or a variety of diseases affected byvarious kind of factor, tens of thousands of highway bridges built before the1980s in Chinahas got a lower bearing capacity and couldn’t satisfy the needs of the transportation. Toincrease the carrying capacity for the purpose of maintenance and reinforcement of thesebridges’ structures is becoming increasingly imminent. Therefore, the bridge’s maintenance,reinforcement and reconstruction technique research has become an important direction in thebridge engineering. With the development of material, new types of practical reinforcementand reconstruction techniques appear constantly. By using two materials of steel and concrete,and dealing with a reasonable structure interface, the steel and concrete compositereinforcement technique has become a new practical technology which can obviously increasethe bearing capacity and the structural rigidity of bridge. Therefore, it has important theorysignificance and practical value to carry out a study of the steel-concrete compositestrengthening concrete bridge.
This paper mainly aims at the key technical problems of the steel plate-concretecombined strengthening concrete bridge's method and the project's application. Through themodel beam experiments, theory and numerical simulation analysis and the application of areal bridge, it carries out a systematic study of the mechanical properties of steel-concretecomposite strengthening beam as well as puts forward the corresponding theoreticalcalculation formula. By the use of improving the calculation method of compositesteel-concrete strengthening technique and combined with the project, it proposes thepractical way of structure’s connection. And with the steel plate-concrete compositereinforcement and pasting steel plate method, it completes the reinforcement design of twobridges. Based on bridge loading test, it makes a comparison between the two results affectedby the two kinds of reinforcement methods, and finally confirms the effect of compositestrengthening concrete bridge through one year's service. This paper provides a support forthe technology of steel plate-concrete composite reinforcement in the application of bridges'reinforcement project.The research results include the following items:
This paper, carries out the studies and numerical analysis of the composite steel-concretereinforced T shape beams, observes the experimental beams' phenomenon and the destroyforms of the different stages from first loading to the ultimate loading, and it carries out adetailed analysis of bending capacity, deformation and strain results during the experiment.The test results indicate that: the steel and concrete composite reinforcement can enhance theultimate bending capacity of the concrete-T beams approximately2times; The influence ofthe bar spacing and original beam deflection's damage on the ultimate bending capacity of theconcrete-T beams is only about4%; The bigger bar spacing, the greater relative longitudinalslipping of the new and old concrete's interface. Based on the finite element software Ansys,it carries on analysis of mechanical behavior of the combination of reinforced concrete Tshape beams with the plasticity method, and compares with the test results. The caparisonindicates that the error of ultimate bending capacity between the numerical calculation results and the test results of the concrete-T beams' is no more than9%. Finally it derives theoreticalultimate bending capacity formula of the steel and concrete composite strengthening concreteT beams for the first time.
This paper, makes a study and numerical analysis of shear performance of the steel andconcrete composite T RC beams. With the shear capacity test for the typical damage ofconcrete RC T beams with composite strengthening, it obtains the constructional element'sshear damage features and ultimate bending capacity, and reveals the shear and pressuredamage mechanism of RC T beams with the steel-concrete composite strengthening method.At the same time, the paper establishes finite element model of reinforced concrete T beams,the calculation agrees well with experimental results when considering the material nonlinearcharacteristic. And then it proposes the shear capacity calculation formula of T beams withthe composite strengthening method, and the calculation results and test’s results of the shearcapacity matches well.
This paper,applies the steel-concrete composite strengthening technology to thedamaged continuous box beam concrete bridge and the hollow slab bridges' reinforcementexposing to fire; The reinforcement design proposes for the first time two connectingstructural measures, which could ensure the original structure and the new concrete workingtogether, then the structural safety, durability, performance can be reliable.
This paper puts both the steel-concrete strengthening technique and pasting steel platetechnique into usage of superstructure reinforcement of bridge engineering, and carries out ananalysis and contrast between the superstructure mechanical behaviors after the two differentway's reinforcement, both the girder's strain theoretical calculation value and measured datawith composite reinforcement are significantly less than with the steel-reinforced results, theeffect of the composite reinforcement is superior to the steel reinforcement method's, and allthe coefficients of strain under using composite reinforcement girder's are less than1andhave a relatively uniform distribution. The results show that using the compositereinforcement method can ensure that the new and old structures can work well. Theperformance and the beam's rigidity by using composite reinforcement method are superior topasting steel plate reinforcement method.
The results of this paper have been put into the standards of Shaanxi province-"thedesign and construction technical regulations of steel-concrete composite strengtheningconcrete bridge", it can also give reference for other steel-concrete composite strengtheningconcrete bridges.
论文主要针对钢板－混凝土组合加固混凝土桥梁方法与工程应用中的关键技术问题，通过模型梁试验、理论及数值模拟分析、实桥应用，对钢板—混凝土组合加固梁的受力性能进行了系统研究并提出相应的理论计算公式；完善钢板—混凝土组合加固技术设计计算方法并结合依托工程，提出实用的结构连接方式，采用钢板—混凝土组合加固和粘贴钢板两种方法完成了两座桥梁的加固设计，通过桥梁荷载试验将两种加固方法的加固效果进行比较研究，最后通过加固前后、运营后测试验证组合加固混凝土桥梁的效果。本文的研究工作为钢板—混凝土组合加固技术在桥梁加固工程应用提供了技术支持。研究成果包括：
本文开展了钢板—混凝土组合加固T形钢筋混凝土梁的抗弯性能试验研究、数值分析，观察试验梁从加载到破坏的各阶段现象以及破坏形式，对试验得到的抗弯承载能力、变形和应变结果进行详细的分析。试验结果表明：钢板-混凝土组合加固可使混凝土T梁极限抗弯承载力提高约2倍；植筋间距、原梁弯曲损伤程度对组合加固T梁的极限抗弯承载力影响仅为4%左右；植筋间距越大，新老混凝土界面纵向相对滑移越大。基于使用有限元软件Ansys采用塑性方法对钢筋混凝土T形梁组合加固后的受力性能进行分析，并与试验结果对比，表明试验梁加固后极限抗弯承载力的数值计算结果与试验结果相差最大为9%。最后建立了钢板—混凝土组合加固钢筋混凝土T形梁极限抗弯承载力理论计算公式。
本文进行了钢板—混凝土组合加固钢筋混凝土T形梁的抗剪性能试验研究和数值分析。对损伤后的混凝土T形梁进行了组合加固抗剪承载力试验，得到了试验梁剪切破坏时的受力特性以及极限承载力，揭示了钢板－混凝土组合加固钢筋混凝土T梁的剪压破坏机理。钢板－混凝土组合加固钢筋混凝土T梁的有限元计算结果与试验结果吻合较好，并由此提出了组合加固钢筋混凝土T形梁的抗剪承载力计算公式，极限抗剪承载力计算结果与试验结果吻合较好。
本文将钢板－混凝土组合加固技术应用于火灾受损的混凝土连续箱梁桥和空心板桥的加固抢修；加固设计提出了两种连接构造措施，能够确保原结构和新混凝土、钢板形成整体共同工作，结构安全耐久，性能可靠。
本文将钢板－混凝土组合加固技术与粘贴钢板加固加固技术同时运用于实桥主梁加固，并将采用两种加固技术加固后的主梁受力性能进行了分析对比，在荷载作用下采用组合加固的主梁应变理论计算值及实测值均明显小于采用粘钢加固的主梁，采用组合加固主梁底板应变校验系数均小于1且相对均匀。数据结果表明采用组合加固方法加固能够保证新旧结构整体受力性能较好。组合加固方法对主梁刚度和整体工作性能提高效果优于粘钢加固方法。
本文的研究成果已纳入陕西省地方标准《钢板-混凝土组合加固混凝土桥梁设计与施工技术规程》，也可为其他钢板—混凝土组合加固混凝土桥梁提供借鉴。
At present, due to the design of the lower grade or a variety of diseases affected byvarious kind of factor, tens of thousands of highway bridges built before the1980s in Chinahas got a lower bearing capacity and couldn’t satisfy the needs of the transportation. Toincrease the carrying capacity for the purpose of maintenance and reinforcement of thesebridges’ structures is becoming increasingly imminent. Therefore, the bridge’s maintenance,reinforcement and reconstruction technique research has become an important direction in thebridge engineering. With the development of material, new types of practical reinforcementand reconstruction techniques appear constantly. By using two materials of steel and concrete,and dealing with a reasonable structure interface, the steel and concrete compositereinforcement technique has become a new practical technology which can obviously increasethe bearing capacity and the structural rigidity of bridge. Therefore, it has important theorysignificance and practical value to carry out a study of the steel-concrete compositestrengthening concrete bridge.
This paper mainly aims at the key technical problems of the steel plate-concretecombined strengthening concrete bridge's method and the project's application. Through themodel beam experiments, theory and numerical simulation analysis and the application of areal bridge, it carries out a systematic study of the mechanical properties of steel-concretecomposite strengthening beam as well as puts forward the corresponding theoreticalcalculation formula. By the use of improving the calculation method of compositesteel-concrete strengthening technique and combined with the project, it proposes thepractical way of structure’s connection. And with the steel plate-concrete compositereinforcement and pasting steel plate method, it completes the reinforcement design of twobridges. Based on bridge loading test, it makes a comparison between the two results affectedby the two kinds of reinforcement methods, and finally confirms the effect of compositestrengthening concrete bridge through one year's service. This paper provides a support forthe technology of steel plate-concrete composite reinforcement in the application of bridges'reinforcement project.The research results include the following items:
This paper, carries out the studies and numerical analysis of the composite steel-concretereinforced T shape beams, observes the experimental beams' phenomenon and the destroyforms of the different stages from first loading to the ultimate loading, and it carries out adetailed analysis of bending capacity, deformation and strain results during the experiment.The test results indicate that: the steel and concrete composite reinforcement can enhance theultimate bending capacity of the concrete-T beams approximately2times; The influence ofthe bar spacing and original beam deflection's damage on the ultimate bending capacity of theconcrete-T beams is only about4%; The bigger bar spacing, the greater relative longitudinalslipping of the new and old concrete's interface. Based on the finite element software Ansys,it carries on analysis of mechanical behavior of the combination of reinforced concrete Tshape beams with the plasticity method, and compares with the test results. The caparisonindicates that the error of ultimate bending capacity between the numerical calculation results and the test results of the concrete-T beams' is no more than9%. Finally it derives theoreticalultimate bending capacity formula of the steel and concrete composite strengthening concreteT beams for the first time.
This paper, makes a study and numerical analysis of shear performance of the steel andconcrete composite T RC beams. With the shear capacity test for the typical damage ofconcrete RC T beams with composite strengthening, it obtains the constructional element'sshear damage features and ultimate bending capacity, and reveals the shear and pressuredamage mechanism of RC T beams with the steel-concrete composite strengthening method.At the same time, the paper establishes finite element model of reinforced concrete T beams,the calculation agrees well with experimental results when considering the material nonlinearcharacteristic. And then it proposes the shear capacity calculation formula of T beams withthe composite strengthening method, and the calculation results and test’s results of the shearcapacity matches well.
This paper,applies the steel-concrete composite strengthening technology to thedamaged continuous box beam concrete bridge and the hollow slab bridges' reinforcementexposing to fire; The reinforcement design proposes for the first time two connectingstructural measures, which could ensure the original structure and the new concrete workingtogether, then the structural safety, durability, performance can be reliable.
This paper puts both the steel-concrete strengthening technique and pasting steel platetechnique into usage of superstructure reinforcement of bridge engineering, and carries out ananalysis and contrast between the superstructure mechanical behaviors after the two differentway's reinforcement, both the girder's strain theoretical calculation value and measured datawith composite reinforcement are significantly less than with the steel-reinforced results, theeffect of the composite reinforcement is superior to the steel reinforcement method's, and allthe coefficients of strain under using composite reinforcement girder's are less than1andhave a relatively uniform distribution. The results show that using the compositereinforcement method can ensure that the new and old structures can work well. Theperformance and the beam's rigidity by using composite reinforcement method are superior topasting steel plate reinforcement method.
The results of this paper have been put into the standards of Shaanxi province-"thedesign and construction technical regulations of steel-concrete composite strengtheningconcrete bridge", it can also give reference for other steel-concrete composite strengtheningconcrete bridges.
引文
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