喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究

'学校代号：10532学密号：S11011201级：公开湖南大学硕士学位论文喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究 ExperimentalinVestigationonstone—archbridgestrengthenedwithinjectinghighperformancecementcompositeconcretebyDIGuoweiB．E．(HenanUniVersity)2011AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringlnCiV订Engineeringint11eGraduateSchoolofHunanUniVersitySuperVisorProfessorSHANGShoupingMay，2014 湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：悯却日期：’‘矽f争年易月／≯日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密商。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：导师签名：‰易学弓日期：瓦渺年莎月／乒日日期：矽，缈年6月／乒日 喷射高性能水泥复合混凝二L加固石拱桥承载力试验研究摘要石拱桥在我国历史悠久，有着造型优美、造价低廉、取材方便、技术娴熟等优点。建国初期石拱桥曾得到广泛应用，在我国交通建设和发展历史上发挥着极其重要的作用。然而由于年久失修、交通量加重、自然灾害等原因，大部分石拱桥目前存在一定的开裂、破损等安全隐患。考虑到旧危桥数量多，覆盖面广，拆除重建不仅耗资巨大，新建期间社会付出的“综合代价”更为高昂，因此对旧危桥进行加固重利用是最佳选择。高性能水泥复合混凝土加固技术是一种新型的加固方法，能有效提高构件的抗压、抗弯承载力及整体性能，有效控制结构裂缝开展，正被广泛应用于砌体和混凝土加固领域。高性能水泥复合混凝土加固技术较其他桥梁加固技术相比，具有施工方便快捷，经济效益好，无机材料加固耐久性好等优点。用高性能水泥复合混凝土加固石拱桥，能免去上部填土开挖，大大减少工程量，具有重要的社会和工程意义。为了研究喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥的加固效果，在湖南大学结构实验室中砌筑两相同模型拱桥，一座不加固，一座考虑到石拱桥通常具有较大的恒载不能卸除，在加载到破坏荷载的70％时持载做带载加固试验。通过试验结果的对比分析，研究喷射高性能水泥复合混凝土加固后对石拱桥开裂模式、破坏形态及极限承载力的影响。实验结果表明：未加固拱桥模型极限承载力为800kN，在达到破坏荷载70％时持载喷射60mm厚高性能水泥复合混凝土加固的拱桥模型极限承载力为1000kN，承载力提升幅度为25％，喷射高性能水泥复合混凝土能有效提高拱桥的承载力。未加固拱桥模型在加载至破坏荷载95％时，在破坏位置拱侧面迅速出现一条沿拱轴线方向的贯通裂缝，在裂缝出现后很短时间内破坏，基本没有反应时间，破坏呈明显脆性。加固后拱桥模型在加载至极限承载力90％时，在破坏位置拱侧面已有明显沿拱轴线方向的裂缝，有一定的破坏征兆，说明喷射高性能水泥复合混凝土能有效改善拱桥模型的脆性破坏特性。加载过程中加固层与拱桥模型粘结良好，无剥离及滑移现象。破坏后拱桥模型仍保持相当的整体性，说明加固层能有效的加强拱桥模型的整体性。最后，本文结合试验和理论分析，提出了对加固后拱桥模型承载力计算方法。计算结果与试验结果吻合良好，可供加固设计时参考使用。关键词：高性能水泥复合混凝土；加固；石拱桥；承载力II 硕士学位论文AbstractInourcountry，Stonearchbridgehasa10nghistory，andhasadVantagessuchasgracef．ulshape，costcheap，drawingmaterialsconVient，skillfultechniquesetc．Thestonearchbridgehasbeenwidelyusedinearlychinaandplaysanimportantr01einthetramcconstructionandhistoryofchina．HoweVer，duetothereasonof10ngyearsoutofrepaired，increasingtrafficandnaturaldisastersetc，mostofthestonearchbridgeshaVediseasesofcracking，damageetc，andexistsomesecurityrisksStrengthingtheremakingbridgesindangeristhebestchoicebecausedem01itionandreconstructionnotonlyspenda10tofmoneybutalsocausesomesocietyquestionsconsideringthattheremakingbridgesindangerhaVealargeamoutofquantityandbeenwildlyused．High-performancecementcompositeconcretereinforcementtechnologyisanewmethodandbeingwidelyusedinthefieldofmasonryandconcretestructurereinforcementbecauseitcanef托ctiVelyimproVethecompressiVestrength，flexuralcapacity，wholeperformance，andcontr01structuralcracks．High—performancecompositeconcretereinfbrcementtechnologyhastheadVantagesofconvenientconstruction，goodeconomicbenefit，gooddurabilitywithinorganicmaterialscomparedwithotherb“dgereinforcementtechn0109ys．High-performancecementcompositereinfbrcedconcretestonearchbridgehasinlportantsocialandengineeringsignincancebecauseitcangreatlyreduceengineeringwithoutexcaVateingtheupperfill．InordertoinVestigatethereinfbrcementefIfectofstonearchbridgestrengthenedwithinjectinghighperformancecementcompositeconcrete，anunreinforcedstonearchbridgemodelandanreinforcedstonearchbridgemodelweremadeinthestructure1aboratoryofHunanUniVerty．Thereinf6rcedmodelstrengthenedbyinjecting60mmhi曲一performancecementcompositeconcretewhenloadingto70％ofultimateloadbecausestonearchusuallyhasalargedead10adwhichisn’tremovable．Theef佗ctofcrackingmodel，failuremodeandultimatebearingcapacityofstonearchbridgestrengthenedwithinjectinghighperformancecementcompositeconcretewereinVestigatedbyconlparingtheresultsoftheexperimental．Theexperimentalresultsshowthattheultimatebearingcapacityoftheunreinforcementstonearchbridgemodelis800kN．Theultimatebearingcapacityofthereinforcementstonearchbridgemodelis1000kN．Thereis25percentincreaseofIII 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究theultimatebearingcapacity．Strengtheningstonearchbridgebyinjectinghigh—performancecementcompositeconcretecanef诧ctivelyimprovethefailureload．Theunreinfbrcedstonearchbridgeappearedquicklyacrackinthefailurepositionwhenloadingto95％ofultimate10ad，andfailurewassigni行cantlybrittlebecauseitwassorapidlythattherewasnoreactiontime．ThereinforcedstonearchbridgehadobViouscracksinthefailurepositionwhen10adingto90％offailureload，whichwasthesighofdestructionbeforefailure．Thestonearchbridge’spropertyofbrittlefailurecanbeenef佗ctiVelyimproVedwithStrengthenedbyinjectinghigh—performancecementcompositeconcrete．Reinforcementlayerbondedwellwitharchbridgemodel，nopeelingandslip．Archbridgemodelremainedthewh01eafterthedestructionwhichshowedthattheintegrityofarchbridgemodelwasimprovedbyreinforcement1ayer．Thebearingcapacitycalculationmethodofarchbridgemodelwasfittedonthebasisofthetheoreticalanalysisandtestresults．Theresultsofthecalculationcoincidewiththetestresults．Thecalculationmethodcanbereferenceforthestrengtheningengineeringdesign．KeyWords：Highperformancecementcompositeconcrete；Strengthening；Stonearchbridge；BearingcapacityIV 硕士学位论文目录学位论文原创性声明及学位论文版权使用授权书⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一I摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．IIAbstract⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．III第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1石拱桥的发展与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2石拱桥加固技术概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．3高性能水泥复合混凝土加固技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。。51．4选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51．5本文研究主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7第2章石拱桥节段模型加固试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82．1试件的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82．2试件的制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92．3试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．4试验的加载制度与测试内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11第3章石拱桥节段模型加固试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．123．1材料力学性能试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯123．1．1砌筑料石⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯123．1．2砂浆材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．123．1．3喷射高性能水泥复合混凝土⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．133．1．4钢筋材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．133．2砌体试件的破坏过程及破坏形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯143．2．1未加固标准砌体试件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯143．2．260mm厚喷射加固层加固试件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯153．2．3100mm厚喷射加固层加固试件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．163．3试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．173．3．1砌体的抗压强度及弹性模量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．173．3．2试件的开裂荷载与破坏荷载⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．173．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18第4章喷射高性能水泥复合砼加固石拱桥试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯194．1石拱桥特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯194．2试验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。．19V 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究4．3拱桥模型的几何尺寸设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．194．4拱桥模型试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20第5章喷射高性能水泥复合砼加固石拱桥试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯305．1材料的基本力学性能试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．305．1．1砌筑料石⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．305．1．2砂浆材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．305．I．3喷射高性能水泥复合混凝土⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．315．1．4钢筋材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．315．2试件的破坏过程及破坏形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一315．2．1未加固拱桥模型破坏过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．315．2．2带载加固拱桥模型破坏过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一345．2．3喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥模型效果分析⋯⋯⋯⋯⋯375．3未加固拱桥模型承载力计算及试验结果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．385．3．1未加固拱桥模型计算原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．385．3．2有限元模型对比计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一425．3．3未加固拱桥模型试验结果与理论对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯445．4带载加固拱桥模型承载力计算及试验结果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．455．4．1带载加固拱桥模型承载力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．455．4．2带载加固拱桥模型试验结果与理论对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯605．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．68附录A(攻读学位期间所发表的学术论文)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．69VI 硕士学位论文第1章绪论1．1石拱桥的发展与现状石料是一种天然材料，取材方便，抗压强度高，耐久性好，应用广泛。石拱桥作为一种传统的桥梁，造型优美，在我国工艺娴熟，有着悠久的历史。石拱桥起源于春秋时期的墓拱结构，墓拱结构经平板形式、折边形式最终演化为半圆形的结构形式，而半圆拱的出现，则预示着石拱桥这一结构形式的问世。秦汉时期，人们开始用石料进行桥梁建设，石拱桥应运而生。石拱桥耐久性好，在使用期内基本不需要维修，寿命长，因此一经出现便迅速发展。此时修建的渭桥等，跨度大，宽度广，勾栏荫柳，与周围环境谐和，实用而美观。石拱桥的出现使桥梁结构在经济、美观、技术方面都有着质的改变。隋唐宋时期是我国石拱桥发展的全盛时期，隋朝著名工匠李春修建的赵州桥(图1．1)，净跨37．02米，至今仍完好可用，是石拱桥的典范。图1．1赵州桥元明清时期，主要是对石拱桥的修缮和进一步发展。新中国解放后，石拱桥在我国得到了广泛的发展，为我国的交通运输做出了巨大的贡献。之后由于混凝土等新材料的出现及钢产量的增加，石拱桥的发展受到一定的限制，但在我国广大地区，由于石材来源自然，结合现代施工技术的发展，现代石拱桥也有快速发展，在桥梁跨径方面取得了很大的突破。1972年建成的丰都九溪沟石拱桥(图1．2)具有当时最大跨径116米。1990年建成的乌巢河桥具有当时最大跨径120米。2000年7月建成的丹河大桥具有当时世界上最大跨径146m(图1．3)【11。现代石拱桥一次次的跨径突破，标志着石拱桥在我展的发展达到一个新的高度，石拱桥在现代桥梁中仍具有一席之地。现代石拱桥在我国已经不仅仅是跨跃山川河流的通道，也是我们传统建筑艺术的精华，是宝贵的文化遗产。 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究■≥。。爹图1．2丰都九溪沟石拱桥图1．3丹河大桥石拱桥的悠久历史、广泛应用使石拱桥在我国现有桥梁中占有相当重要的地位。据统计，石拱桥在我国所有桥梁中比重较大，在西部山区高达8成，但随着交通运输量不断加大，年久失修、自然灾害等原因，大部分石拱桥都有一定程度的开裂、破损现象，存在一些安全隐患，使用状况令人担忧。考虑到旧危桥数量多，覆盖面广，拆除重建不仅花费高昂，而且会产生建筑垃圾，中断交通，社会付出的“综合代价’’更为巨大，所以如何将现有旧危石拱桥进行加固重利用是当务之急l21。1．2石拱桥加固技术概况目前，国内外的拱桥加固技术主要有以下几种：1．减轻拱上建筑重量加固法【3。4】石拱桥主拱圈所承担的荷载中，拱上建筑及拱上填料产生的恒载占较大比重，尤其是实腹式石拱桥，由于有上部填土，恒载比例甚至可以达到80％以上。因此可以通过减小石拱桥上部结构产生恒重的方法间接提高石拱桥可承担的活载，一般来说常用的减轻上部结构产生恒载的方法主要有减小填土厚度、将填土换成其他轻质填料，改变上部拱上建筑形式等，但此法主要改变上部结构恒载，对原结构的承载力没有影响，且要中断交通，耗时耗力，有较大的局限性。2．钢筋混凝土复合主拱圈加固法【5‘9J在石拱桥加固中，钢筋混凝土复合主拱圈加固法指的是通过支模，在拱圈拱背或拱腹浇筑混凝土加固层，与原拱圈形成复合主拱圈，与原拱圈共同受力，从而提高原石拱桥承载能力的加固方法。根据浇筑混凝土加固层位置的不同，分为在原拱圈拱腹下表面增设钢筋混凝土拱圈加固法和在原拱圈拱背上增设钢筋混凝土拱圈加固法两种。(1)原拱圈拱腹下表面增设钢筋混凝土拱圈加固法该方法不用开挖拱上填料，具有不中断交通的优点，为了使新加钢筋混凝土拱圈与原拱圈良好结合，共同作用，需在拱腹面打锚筋等措施。此法施工时需在拱圈下部支设模板，然后浇注混凝土，由于石拱桥主拱圈为曲线型且在拱圈下表面支模、振捣混凝土比较困难，质量难以保证，施工较麻烦，且新加混凝土拱圈 硕士学位论文和原拱圈界面粘结性能不好，新加混凝土拱圈早期强度较低，施工时间一般较长。(2)原拱圈拱背上表面增设钢筋混凝土拱圈加固法此法需破除原桥路面，挖掉原拱圈上面的填土层，然后对拱背进行冲洗，界面处理后浇注混凝土新拱圈。拱背加固效果较拱腹面加固要好，但是需破除路面，挖掉上部填土，清理拱背，工程量较大，且中断交通。3．锚喷混凝土加固【lU’11J早在1980年左右，义治中等人最先将锚喷技术从静载作用下基坑施工引用到动载作用下的圬工拱桥加固，并通过观察实际加固效果认为喷锚技术应用于拱桥加固是可行的【12】。随后王世槐教授等对锚喷技术加固补强旧危拱桥进行了模型试验及有限元分析。研究表明，在原拱圈截面下锚喷加固后，原拱圈承载能力和刚度有明显提高，对无筋圬工拱桥，加固后破坏前会有明显征兆，呈现出较好的韧性【13】。此法在原拱圈拱腹面打入锚杆，然后挂钢筋网，喷射混凝土形成锚喷加固层，锚喷加固层与原拱圈一起受力，从而提高石拱桥的承载力。在喷射的过程中，会填补原拱圈表面产生的裂缝，在加固的同时还对原拱圈进行修复。由于采用喷射的施工方法，不需要在拱圈下表面搭设模板，施工方便，工期短，并且还有喷射层与原拱圈粘结性能好的优点，但其耐久性不好，和现浇混凝土相比密实度要低，强度也不高，再加上喷射过程中有回弹损失，也是一种需要完善的石拱桥加固方法。4．粘贴加固法粘贴加固法主要有粘贴钢板和粘贴碳纤维两种。(1)粘钢加固法杨转运等曾撰文介绍了粘贴钢板法在桥梁应用的适用范围及作用机理，并对粘钢加固设计要点和施工工艺做了详细阐述，结合空腹式石拱桥拱腹进行粘钢加固的工程实例表明粘钢加固法是一种行之有效的桥梁加固补强方法【14】。崔圣爱等通过工程实例介绍了粘钢加固老旧石拱桥的计算方法、施工工艺、质量控制等，通过实践结果表明：粘贴钢板加固后会提高老石拱桥的承载力，这种方法施工和养护时间短，对通车工期要求严格的老石桥行之有效【"】。此法主要原理为在石拱桥主拱圈薄弱处通过有机粘结剂粘贴钢板，钢板与原拱圈共同受力，从面提高拱圈载面的承载能力，达到加固的目的。此法工艺简单，施工方便，没有现场湿作业，工期短，消耗材料少，且所占空间小，加固效果明显。但是此法进行加固前，需对拱腹表面进行清理，且依赖于有机胶的粘结，耐久性不好，加固后有效期内钢板与粘结材料的剥离及钢板容易锈蚀是此法需解决的两个主要问题。(2)粘碳纤维片加固法碳纤维加固法主要用于梁板及钢构桥，廖卫东等人的研究表明，复合碳纤维加固大跨径连续刚构桥后能有效提高结构承载力，改善结构的动刚度【16】。李松辉 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究等通过钢筋混凝土梁的抗弯加固实验证明了粘碳纤维布对钢筋混凝土欲裂梁的刚度，开裂有较大影响【l71。碳纤维片抗拉强度为同截面钢材的7～10倍，重量却还不到其1／5，是一种轻质高强的建筑材料。粘碳纤维片加固法，就是用环氧树脂等有机胶将碳纤维片粘贴在主拱圈表面受拉位置，从而防止拱圈截面受拉开裂，增大结构的刚度和承载力。该技术施工方便，没有现场湿作业，工期短，所占空间小，且碳纤维材料还具有较好的耐腐蚀性及耐久性。但同粘钢加固方法一样，该法所用粘结材料为有机材料，耐久性不好，加固后有效期内碳纤维与粘结材料的剥离是其需解决的主要问题【18d91。5．改变结构体系加固法【2o】此法按照结构体系不同，其受力性能也不相同的原理，通过改变原拱圈结构的结构体系来改善拱圈薄弱截面的受力状态，从而达到提高桥梁承载能力的目的。例如对于拱脚移位，可在两墩台之间增设拉杆来减小拱脚处的水平推力，阻止拱脚位移，改善拱圈的受力性能，从而达到提高拱的承载能力；将拱桥下部设置腹杆等，将拱桥转化为桁架拱桥，改变原拱桥的受力体系来达到加固的目的。不过对于石拱桥来说，改变结构体系加固法，在体系转化中，要对受力有全面、准确的分析，否则对结构的整体受力有较大影响。该法施工复杂，并需中断交通，使用范围有限。6．顶推加固顶推加固法也是一种石拱桥加固方法，1980年曾有科研组通过顶推调整拱桥拱脚位置水平位移，通过两座桥的顶推试验表明顶推对于消除拱脚水平位移，改善拱结构的受力状态是有效的【211。2001年张道省等人也通过顶推加固成功解决了双曲拱桥由于拱桥桥台变位而引起拱项下沉的病害，使原桥恢复了其合理设计拱轴线及荷载等级【221。此法主要针对那些由于拱脚产生水平位移或沉降导致拱轴线下沉、拱圈开裂的需加固拱桥。此法施工时先在石拱桥的一端去除拱脚和支座的联结，使其自由，然后用千斤顶沿拱圈竖直向上方向及水平向跨中方向顶推，使拱圈拱轴线复位，从而达到加固的目的。此法不需要在河中搭设脚手架，不影响通航，但所需设备一次投资较大，技术要求较高，使用局限性较大。7．体外预应力加固法【2弘24J此法需在拱圈外设置锚固块和转向装置，通过张拉预应力钢筋对拱圈施加预应力，从而达到改变石拱圈的内力分布，提高石拱圈的极限承载力。此法不需要中断交通，不需要拱设满堂支架，主要缺点是对于石拱圈来说锚固块和转向块不容易设置，施工较复杂，还要解决预应力损失及预应筋的防腐、防锈等问题。8．钢筋混凝土套箍加固法【25。27J此法主要由重庆交通大学的周建庭教授提出，周建庭教授曾通过实际工程，介绍了钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固拱桥的新技术，通过加固前后桥梁受力的4 硕士学位论文验算，表明加固后可满足承载要求，通过技术、经济、社会效益分析，表明此技术具有显著的技术、经济和社会效益。此法主要原理为在原石拱圈外围浇筑钢筋混凝土层，将原拱圈截面“箍住"，这样由于增加了钢筋混凝土层，有增大截面的效果，由于套箍效应，可以增加原拱圈材料的抗压性能，从而达到提高石拱桥承载力的目的。该法对空腹式石拱桥比较有效，不中断交通，加固效果显著，并且侧向混凝土层可一定程度的传递上部荷载，加固层与原拱圈共同工作性能较好。但施工时需搭设满堂支架，施工复杂，多用于空腹式石拱桥。1．3高性能水泥复合混凝土加固技术高性能水泥复合混凝土加固技术起源于钢筋网水泥加固方法。钢筋网水泥做为修补结构的一种方法，起初并没有用于结构加固，只是用于结构裂缝控制，自从Romualdi【281及Irons【291提出钢筋网水泥可用于结构修复之后，国内外关于钢筋网水泥加固结构的研究很多【30‘36】，从最初的钢丝网的层数，钢丝网的连接方法到水泥替换为掺纤维的砂浆，在界面植入剪切销钉，再到后来考虑恶劣条件，蠕变，加载历史的影响，钢筋网水泥技术在不断的完善和改进。但是其强度低、与界面的粘结性能不好、干缩等问题成为制约其发展的重要因素。直到高性能水泥复合材料的出现，才使这一古老的结构修复技术焕发了新生。高性能水泥复合混凝土加固法是湖南大学尚守平课题组的研究成果。其高强度、强粘结、小收缩、经济耐久等优点，使其近年来在砌体和混凝土结构加固工程中被广泛应用。课题组对此曾做了一系列的研究【37。411，证明其对提高砌体结构的抗压承载力及控制砌体结构开裂有良好效果。是一种施工方便，造价低廉，经济耐久的砌体结构加固方法。1．4选题背景及意义随着改革开放经济的飞速发展，交通运输量的迅猛增加，车载重量越来越大，再加上以前的桥梁设计荷载较低、年久失修、自然灾害、桥梁养护管理不周等原因，不少桥梁都有着开裂，承载力不足等安全隐患。桥梁是交通的咽喉，一般起着跨跃江湖，穿过深谷的作用，所以一旦发生事故，不仅会长时间中断交通运输，而且可能会对人们的生命财产造成巨大威胁，后果不堪设想。2004年8月，杭州伍杭镇运河上的一座桥被某满载石块的货车压跨，交通中断；2009年8月，广东青莲公路桥被一大型运煤车压跨，交通中断；2010年6月，吉林锦江大桥圬塌，6人受伤；2012年8月哈尔滨阳明滩大桥垮塌，3死5伤。这沉痛的教训使人们意识到，桥梁安全并非儿戏，我们应对其加以足够的重视。 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究a)广东青莲公路桥垮塌b)杭州伍杭桥垮塌c)哈尔滨阳明滩大桥d)吉林锦江桥垮塌图1．4近年桥梁交通量改变造成桥梁承载力不足而造成的事故据2002年2月6日公布的《第二次全国公路普查主要数据公布》数据显示【42】：我国己建成的278809座桥梁中有9597座被定性为危桥，有1／3以上的桥梁存在结构性缺陷或者不同程度的功能性失效隐患。广东省2000年普查结果显示：18000多座桥梁中有4000多座承载能力不足。而据统计，石拱桥在我国所有桥梁中比重较大，在西部山区高达8成，随着交通运输量不断加大，年久失修，自然灾害等原因，大部分石拱桥都存在一定程度的开裂、破损等安全隐患，使用状况令人担忧。考虑到旧危桥数量多，覆盖面广，拆除重建不仅花费高昂，而且会产生建筑垃圾，中断交通，社会付出的综合代价更为巨大，所以如何将现有旧危石拱桥进行加固重利用是当务之急。高性能水泥复合混凝土加固技术是一种新型的砌体及混凝土加固技术，具有施工方便快捷，经济效益好，无机加固耐久性好等优点，并且由于掺加少量的添加剂，还具有强度高，与界面粘结性能好，收缩小等优点，根据大量的实验研究，证明高性能水泥复合混凝土加固技术在砖砌体，多孔砖砌体，空斗墙砌体等砌体结构加固中，能有效提高砌体结构的极限承载力及变形，改善砌体结构的脆性破坏特性，是一种经济，方便，快捷，有效的加固方法。在大量石拱桥亟待加固维修的社会大背景下，考虑喷射混凝土无需支模，不中断交通，施工快速及高性能复合混凝土加固技术在加固砌体结构的高强耐久等优点，对高性能水泥复合混凝土进行喷射加固，形成一种高效，快捷，方便，经济，耐久的加固石拱桥技术，从而免去上部填土开挖，大大减少工程量，将会有着重大的社会及工程意义。6 硕士学位论文1．5本文研究主要内容为了研究喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥的加固效果，本文主要进行了以下研究：1。喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥节段模型的研究。对1组未加固试件和2组加固试件进行轴压破坏试验。对比分析未加固试件和加固后试件的开裂荷载、极限荷载、破坏过程及破坏形态，研究不同喷射加固层厚度对加固效果的影响，验证高性能水泥复合混凝土加固石拱桥的可行性。2．喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥的研究。在湖南大学结构实验室中建了两座石拱桥模型，一座不加固，一座带载喷射加固，对两个拱桥模型进行破坏试验，对比分析加固对石拱桥承载力，破坏过程及破坏形态的影响，研究高性能水泥复合混凝土加固石拱桥的实际效果，计算不加固拱桥和加固后拱桥承载力，推导加固后拱桥承载力计算公式。 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究第2章石拱桥节段模型加固试验方案2．1试件的设计石砌体具有良好的受压性能，但抗拉强度很低，而拱结构能大幅度的减小截面弯矩，使材料处于全压状态，能充分发挥石砌体的抗压性能。主拱圈作为拱桥的主要承重结构，在实际工作中为小偏压受力构件。为了初步了解喷射高性能复合混凝土加固石拱桥模型的加固效果，截取石拱桥的一段进行喷射加固试验。节段模型的选取示意图见图2．1。图2．1拱圈节段模型示意图截取的节段模型尺寸符合文献【431规定。砌体节段模型试件的截面尺寸为200mm×300mm，高度为630mm。实验所用石砌块尺寸为200mm×97mm×70mm，石砌块实测强度为82．6MPa。砌体模型的砌筑方法采用一顺一丁的砌筑方式，灰缝厚度10mm。为研究不同加固层厚度对试件加固效果的影响，共制作9个试件，分为3组，其中1组未加固试件，2组加固试件，试件设计如表1所示。表1试件基本情况加固试件采用喷射高性能水泥复合混凝土单面加固。高性能水泥复合混凝土为普通的水泥混凝土掺入少量的LX．3添加剂。LX．3添加剂为由聚丙烯纤维、膨胀剂、粉煤灰及硅灰等超细掺合料组成的粉剂。为了加强界面的粘结，对砌体加固面进行凿毛。为了加强界面的粘结，增强界面的抗剪性能，采用长沙磊鑫公司生产的无机植筋胶在石砌体表面植咖4螺纹钢筋制作的剪切销钉，销钉间距横向180mm，纵 硕士学位论文向160mm，植筋深度取90mm。在剪切销钉上绑扎砂4冷轧钢筋形成钢筋网格。试件加固层钢筋布置见图2．2。2．2试件的制作图2．2试件加固方式示意图为了方便将试件吊装到实验机上进行试验，将试件砌筑在混凝土底梁上。底梁上表面设有吊环方便吊装。试件顶部采用1：3水泥砂浆找平，并采用水平尺检查其平整度。试件砌筑完成养护7天后开始进行喷射加固。喷射加固完成后，所有试件放在自然条件下养护28天，进行轴心受压试验。加固试件的制作流程如下：1．砌块凿毛。将石砌块加固面进行凿毛。2．试件砌筑。采用一顺一丁砌筑方式砌筑，应保证竖直和水平灰缝的饱满度。3．绑扎安装钢筋网。按照设计要求放线定位后，在原构件表面进行钢筋网的绑扎，钢筋网固定于剪切销钉之上。4．喷射高性能水泥复合混凝土。由专业施工队伍对试件进行喷射加固，喷射的主要步骤是：(1)施工队伍进场，连接喷射仪器；(2)按骨料配合比，将水泥、砂子、石子、添加剂等无水拌合；(3)开动空压机，打开水管，调整风量和水量至合适时开始在喷射机内装入骨料，以垂直加固面的方式进行喷射加固；(4)喷射完成，对喷射表面进行抹平处理。5．养护。进行完所有工序后，试件在自然条件下养护28天后方可进行抗压试验。在试 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究验进行前，在试件表面涂刷石灰浆，这样石灰浆干燥之后便于观察石砌体表面的裂缝开展情况，了解试件的破坏过程。试件部分制作流程如图2．3所示。a)对试件加固面进行凿毛c)绑扎安装钢筋网b)试件砌筑d)喷射水泥混凝土e)喷射后试件表面抹平f)喷射后养护图2．3试件制作流程图2．3试验装置本实验在湖南大学5000kN压力机上进行，未加固对比试件及加固后试件均在试验机上分级加载至破坏，加载装置示意图见图2．4。10 硕士学位论文图2．4加载装置示意图2．4试验的加载制度与测试内容首先在试件上定位画线，然后用吊车将试件放置于压力机上下顶板间，试件中线与压力机中线对照，几何对中。其后开动压力机进行预加载，预加载阶段在试件上施加的荷载大小控制在预估极限承载力的5％，观察仪表读数，检查仪表的灵敏性和安装的牢固性。当确定仪表读数正常后开始进行正式加载，加载时每级荷载为50kN，在1～1．5min内匀速加完，每级加载完成后，恒压1～1．5min，然后施加下一级荷载。当荷载加至预估极限承载力的80％后，撤除百分表，按照原定加荷速度连续加荷，直至试件破坏，试件破坏的标准是压力机读数不再上升，开始回落为准，此时开回油阀进行卸载，记录压力机读数最大值作为破坏荷载【431。试验过程中，观察员及时观察裂缝的出现、发展情况，画出裂缝示意图，在试件上标出荷载走向和加载等级，记录员记录仪表读数及相应荷载值。本试验的测试内容为：1．砌体标准试件的开裂荷载和极限破坏荷载；2．石砌体的裂缝发展、破坏过程及破坏形态。3．砌体宽侧面的平均应变，以得到砌体结构的应力应变曲线及弹性模量数据。 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究第3章石拱桥节段模型加固试验结果3．1材料力学性能试验3．1．1砌筑料石本试验砌块尺寸为200mm×100mm×70mm，根据文献【44】附录A所示方法制做石砌块标准立方体试件，实测70mm×70mm×70mm的标准立方体试块的强度见表3．1，由表3．1可以得出，砌块的强度等级为MU80。立方体试块的抗压强度试验见图3．1。表3．1石砌块抗压强度试验结果．图3．1石砌块抗压强度试验3．1．2砂浆材料根据文献【451规定制作砌筑砂浆试块，试块采用70．7mm×70．7mm×70．7mm的钢制立方试模成型。石砌体标准试件砌筑时从搅拌好的砌筑砂浆中取出部分装入钢模制做标准试块，每批砂浆留三个试块。钢模装入砂浆前，应在其四壁涂薄薄的一层油，以方便拆模，保证试块表面完整。试块制作完成后，静置一天，对试块编号、拆模，将砂浆试块放在与砌体试件相同的环境中进行同条件养护28天。在砌体加载试验的同时，进行砂浆试块的抗压强度试验，见图3．2。 硕士学位论文a)制作中的试块b)试验中的试块■c)破坏后的试块图3．2砂浆试块的抗压强度试验砂浆试块进行加载时，试块承压面应选择与浇筑方向平行的完整平面。试验加载速率应保持在0．25kN／s～1．5kN／s之间，试验时连续均匀加载，直至压力机读数开始回落，则认为试件破坏，记录压力机读数最大值作为破坏荷载。砂浆试块的试验结果见表3．2。由表3．2可知砂浆强度等级为Mbl5。表3．2实测砌筑砂浆强度3．1．3喷射高性能水泥复合混凝土实测喷射高性能水泥复合混凝土标准立方体抗压强度见表3．3，标准立方体试件的边长为70．7mm。表3．3实测喷射水泥复合混凝土强度3．1．4钢筋材料试验中剪切销钉及绑扎钢筋网钢筋均为西4的冷轧带肋钢筋，钢筋的实测力学性能见表3．3。表3．3冷轧带肋钢筋力学性能注：表中钢筋的屈服强度为条件屈服强度o。2。 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究3．2砌体试件的破坏过程及破坏形态3．2．1未加固标准砌体试件A组试件为未加固标准砌体试件。当加载至极限荷载的18％～23％时，首先在宽侧面顶部第一皮砌块及其下灰缝位置出现竖向裂缝，之后随着荷载的增加，原有裂缝缓慢发展，同时不断产生新的裂缝，裂缝逐渐在几皮砌块内贯通，在试件两宽面形成两条主要沿竖向灰缝的裂缝。当荷载达到极限荷载的90％～95％后，试件轴向变形迅速增大，此时不增大荷载，变形也会增加。当达到极限荷载时，力传感器读数往回走，试件破坏并完全丧失承载力。加载过程中，试件窄面仅出现微少竖向裂缝。A组试件破坏形态见图3．3。a)宽侧面1c)窄侧面1b)宽侧面2图3．3A组试件破坏形态14d)窄侧面2 硕士学位论文3．2．260mm厚喷射加固层加固试件B组试件为加固层厚度为60mm的喷射加固砌体试件。当荷载加至破坏荷载的30％时，在距加固层侧面顶部大约两皮砌块位置出现竖向裂缝，之后随着荷载增加，加固层侧面上产生较多裂缝，集中出现在加固层上部四皮砌块范围内。当荷载加至破坏荷载的45％时，在石砌体未加固宽面上数第二皮砌块位置出现竖向裂缝，长度为两皮砌块长，随后裂缝稳定发展，随着荷载增加向下延伸，最后会在未加固宽面形成两条主要沿竖向灰缝的裂缝。当达到极限荷载时，裂缝急剧发展，直到试件破坏。在整个的加载过程中，砌体加固层表面出现局部竖向裂缝。B组试件破坏形式见图3．4。a)未加固宽面—峨。麓■b)加固面c)窄侧面1d)窄侧面2图3．4B组试件破坏形态 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究3．2．3100mm厚喷射加固层加固试件C组试件为加固层厚度为100mm的喷射加固砌体试件。当荷载加至破坏荷载的31％时，在距加固层侧面顶部大约两皮砌块位置出现竖向裂缝，之后随着荷载增加，裂缝逐渐向下延伸。当加载至破坏荷载的55％时，在石砌体未加固宽面上数第二皮砌块位置出现竖向裂缝，长度为两皮砌块长，随着荷载的增加裂缝向下延伸发展，最终形成两条主要沿竖向灰缝的贯通裂缝。当达到极限荷载时，裂缝急剧发展，直到试件破坏。在整个的加载过程中，加固层表面基本不出现裂缝。C组试件破坏形式见图3．5。a1未加固宽面c1窄侧面1b)加固面图3．5C组试件破坏形态16d1窄侧面2 硕士学位论文3．3试验结果及分析3．3．1砌体的抗压强度及弹性模量根据文献[431，砌体的抗压强度值可按式3．1计算。毛=筹(3．1)式中，Ⅳ为试件的抗压破坏荷载值，彳为试件的截面面积，将本实验中三个未加固砌体试件的实验结果代入式3．1取平均值可得砌体的抗压强度值为27．5MPa。砌体的弹性模量可按式3．2计算。E：鳖(3．2)‰．4式中，％．。为应力为0．4Z．。时对应的轴向应变值，本实验中，未加固试件的应力应变数据见图3．6，由图3．6数据，结合式3．2可得砌体的弹性模量值为1．32×104MPa。”『。川．1s0}：糍。．，f-A·2·2．-7．’。125『，⋯，^晶‘。导一“’，．f¨。2．ir：^：j5￡20}，’r·f’蒌}——一．≮P’^‘‘》‘弋15L·‘·’：争-T，-0．00100．0015O．00200．00250．0030应变图3．6未加固试件的应力应变数据3．3．2试件的开裂荷载与破坏荷载试验中各组石砌体试件的开裂荷载及破坏荷载数据见表3．4：表3．4试件的开裂荷载与破坏荷载表中A组为未加固砌体试件，B组为喷射60mm加固层砌体试件，C组为喷射100mm加固层砌体试件。表中数据显示：喷射加固层为60mm时石砌体极限抗压承载力提高21．2％，喷射加固层为1oomm时石砌体极限抗压承载力提高36．4％。说明喷射高性能水泥复合混凝土加固石砌体能有效提高其极限抗压承载 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究力，且提高幅度随加固层厚度的增加而增加。根据表中数据还可看出：喷射加固层为60mm时石砌体的开裂荷载提高幅度达103．1％，喷射加固层为100mm时石砌体的开裂荷载提高幅度为119．8％。说明喷射高性能水泥复合混凝土加固石砌体能有效提高其开裂荷载。加固后砌体表面裂缝细而小，表明加固层能有效约束石砌体裂缝的产生和发展，提高石砌体的变形能力。3．4本章小结1．喷射加固层为60mm时石砌体极限抗压承载力提高21．2％，喷射加固层为100mm时石砌体极限抗压承载力提高36．4％。说明喷射高性能水泥复合混凝土加固石砌体能有效提高其极限抗压承载力，且提高幅度随加固层厚度的增加而增加。2．喷射加固层为60mm时石砌体的开裂荷载提高幅度达103．1％，喷射加固层为100mm时石砌体的开裂荷载提高幅度为119．8％。说明喷射高性能水泥复合混凝土加固石砌体能有效提高其开裂荷载。加固后砌体表面裂缝细而小，表明加固层能有效约束石砌体裂缝的产生和发展，提高石砌体的变形能力。3．喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥具有可行性，可进行下一步加固石拱桥模型的研究。 硕士学位论文第4章喷射高性能水泥复合砼加固石拱桥试验方案4．1石拱桥特点拱桥是我国公路上使用较广泛的一种桥梁。拱桥与梁桥最大的区别在于二者受力性能的区别，拱式结构在竖向荷载作用下，两端产生水平推力，在拱内产生轴向压力，从而大大减小拱桥的截面弯矩，使之成为小偏心受压构件，截面上的应力分布较受弯梁相比，较为均匀，对主拱截面的材料强度利用更高，跨跃能力更大。石砌体抗压强度高，用于拱桥可充分发挥其作用。但石砌体抗拉强度低，所以一般石拱桥设计中，应防止石拱桥表面受拉开裂【4刚。石拱桥的恒载占全部荷载比重较大，且基本难以卸除，如其承载力不满足要求而进行加固的话，加固时第一阶段受力水平较大，加固层会受到二次受力的影响。所谓二次受力是指在加固过程中原结构(核心构件)仍然承受一定的外荷载(包括建筑物的恒载，部分活载及施工荷载)，进行加固后，加固层连同原结构一起承受新增荷载作用直至设计极限状态。对于石拱桥，在二次受力问题中，第一阶段受力水平较大，加固层同原构件相比，存在较明显的应力一应变滞后现象。石拱桥在保持第一阶段受力水平情况下进行加固，更符合实际情况，因此本实验采用带载加固的试验方法来研究加固效果【471。4．2试验目的通过一座末加固和一座带载加固石拱桥模型的破坏实验，对比分析二座拱桥模型裂缝开展、破坏过程、破坏形态及承载能力的差异，研究喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥的加固效果。同时结合试验数据对理论计算结果进行验证，得出用喷射高性能水泥复合混凝土加固前后石拱桥承载力计算方法，供加固设计时参考使用。4．3拱桥模型的几何尺寸设计本试验拱桥模型的几何尺寸根据河南省鹤壁市小庄桥缩小2．5倍而得，小庄桥建于上世纪50年代左右，由四跨组成，第一跨净跨径11．6m，第二跨净跨径11．34m，第三跨净跨径11．39m，第四跨净跨径11．30m，选取第一跨进行模型实验。现场检测的拱圈厚度平均值为50cm，拱圈矢高为3．35m，路面宽度约9米，基础为石墩，模型拱桥的具体参数设计见表4．1。 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究试验中不考虑荷载横向分布，拱桥模型的宽度取为0．3m。原拱桥拱轴线方程为y=4丘2／，2，故根据产134m，Z=4。5m，可得拱桥模型拱轴线各控制点坐标高度，具体数值见表4．2。表4．2拱桥模型控制点高度控制点位置／m00．51．01．52．02．252．53．O3．54．O4．5控制点高度／m0O．53O．931．201．321．341．321．20O．93O．530拱桥模型的立面图见图4．1。4．4拱桥模型试验0O．51．O1．52．O2．53．O3．54．04．5拱轴线控制点坐标图4．1拱圈模型立面示意图1．墩台的浇注本试验在湖南大学结构实验室中进行，试验场地选在带锚孔的地下室顶板地面上，室验室中锚孔距离为45cm，墩台通过锚孔锚固在地下室顶板上。墩台设计见图4。2。290310a)墩台立面图1200b)墩台俯视图图4．2拱桥模型墩台设计根据实验室孔洞的位置，计算墩台的位置，之后放线确定模板及预留孔洞的_引斗剐1 硕士学位论文位置，支礅台模板。为了保证墩台浇筑过程中不移位、变形，墩台模板一定要固定，卡紧。根据预留孔洞的位置，在模板中放置塑料管道，预留孔洞，放置管道时要注意水平管道要与放线位置比齐，保证两个墩台相应管道对直，竖向管道要与地下室顶板锚孔对齐。同时将塑料管道与钢筋网相固定，避免浇注时孔道移位。浇筑混凝土时，可适当振捣，要注意预留孔洞位置。浇筑完成后要对起拱斜面的角度和平整度进行观察，用平板反复压抹确保起拱面是平面，并且保证起拱面的角度与设计角度相一致，墩台浇筑过程见图4．3。a)墩台定位及固定模板b)礅台预留孔道c)墩台斜面压抹d)墩台浇筑完成图4．3墩台浇筑拱式结构在竖向荷载作用下，两端产生很大的水平推力。水平推力在拱内产生轴向压力，从而大大减小拱圈的截面弯矩。为了确保拱圈能正常的工作，要确保拱圈的墩台不能移位，所以要在拱桥模型加载前固定墩台的位置。为了控制墩台没有大的水平位移，在墩台竖向预留孔道穿两根锚杆，锚固在地下室顶板上，这样能控制墩台的最大水平位移，实验中选用实验室最粗锚杆，以减小锚杆与孔道壁的间隙。为了进一步控制墩台的水平位移，在礅台横向预留孔道穿三根锚杆，用螺栓锚紧，试验中还在墩台位置放置百分表，测量墩台位移。试验中墩台的固定措施见图4．4。 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究a)竖向锚杆锚固b)横向锚杆拉结图4．4墩台的固定2．砌筑拱桥模型(1)砌筑未加固拱桥模型墩台浇筑完成后在自然环境下养护14天后，支拱桥模型模板，砌筑拱桥模型。支模前，先放线确定拱桥模型控制点水平位置，根据拱桥模型拱轴线控制点高度支竖向顶板和上顶板，拱桥模型拱轴线控制见图4．5。0O．51．01．52．O2．53．O3．54．04．5拱轴线控制点坐标a)拱桥模型控制点高度b)拱桥模型模板图4．5拱桥模型支模本次试验只砌筑拱桥主拱圈模型，砌块尺寸为200mm×100mm×70mm，砌筑时采用一顺一丁的砌法，以避免通缝降低砌体的整体性。弧圈曲率由灰缝来调整。由于砂浆强度比拱石低的多，缝太宽将影响砌体强度和整体性，本次实验的砌缝控制为1Omm以内。砌筑方法见图4．6。一1～2一—I，j三≮瓤—了I【：一一_I，．__L暑==!』』}==；曹’i堂1』』{岔，；j㈡j』；j：_㈡■■_!!』f』!』』-』i图4．6拱桥模型砌筑方式示意图 硕士学位论文—厂————8剁．。．。．．．!L——一310■——一———T8N1．．．．．．。．．．．一——．．．．．．．．．．』_310·●●P—————————————————————--剖面1．1剖面2．2续图4．6拱桥模型砌筑方式示意图支模时在确保各控制点的坐标符合设计拱轴线坐标的同时，对于拱脚，1／4点跨位置，及跨中位置也确保与设计拱轴线坐标一致，然后在模板上砌筑拱桥模型，见图4．7。a)1／4位置处加支杆保证合理轴线b)跨中位置加垫块保证合理轴线c)砌筑完成后拱桥模型侧立面d)砌筑完成后拱桥模型正立面图4．7砌筑拱桥模型(2)砌筑加固拱桥模型由于实验室场地限制，两座拱桥模型不能同时砌筑，故试验中先砌筑未加固拱圈模型，之后砌筑加固拱圈模型，为了减少施工误差，两座拱圈模型采用相同的砌筑方法跟同一个施工队伍。为了加强喷射高性能水泥复合混凝土与石砌体的粘结，加固拱圈模型砌筑前需对砌块拱腹面进行凿毛【4引，见图4．8。 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究l。嘲豳}嘲l盛闺a)钻孔砌块b)钻孔钻裂砌块图4．9砌块钻孔加固拱桥模型砌筑时要注意将凿毛和钻孔的砌块位置和方向摆放正确。其他流程同未加固拱圈模型的砌筑。3．加载浇注平台由于本试验拱桥模型拱轴线是抛物线，对应合理拱轴线的荷载应为沿跨度方向的均布荷载，由于实际荷载复杂，不可能出现完全轴压的情况，拱圈截面上可能会出现弯矩作用，由于圬工拱桥抗拉强度很低，一旦截面出现拉应力，则拱圈截面就会开裂，这在拱桥设计中是不允许的。故本试验的加载方面施加原则是使拱圈边缘截面不出现拉应力。由于实验室中反力架只能安装在锚孔位置，荷载只能采用千斤顶来施加集中力，经过试算，以拱圈全截面不产生拉应力为准，采用两个150T千斤顶，两根分配梁进行四点加载，使拱圈截面处于小偏心受压状态，具体应力分布见第5章。加载装置示意图见图4．10。24 硕士学位论文反力架顶板上接反力架150T千斤项三三二三：三工字钢分配梁1。●。‘。。一——●‘’1‘混凝土墩台图4．10拱桥模型加载装置示惹图根据拱桥模型加载装备示意图，需在拱桥模型上指定位置砌筑四个加载平台，在其上面放置分配梁。根据文献【44】可知砌体与混凝土的摩擦系数为0．7，而本实验中近拱脚的加载点中心处斜面倾角的正切值为0．69左右，tan仅=0．69<∥，可知加载平台在竖向力作用下不会向下滑动，但是临近极限状态，所以为了确保加载平台不向下滑移，在加载平台与拱桥模型接合面处的砌体要凿毛，此处的灰缝要适当的剔除留出凹槽，这样的话，可增大界面摩擦力，保证加载平台不移位。平台的浇筑见图4．11。a)加载平台模板及接触面处理b)加载平台浇筑图4．11加载平台浇筑加载平台浇完成后，要确保其顶面的平整度，上图中边缘的纸条是为了防止灌注混凝土时混凝土从模板边缘缝隙中流出。4．拱桥模型加载装置安装当加载平台浇筑完成并养护14天之后，就可以安装反力架，吊装分配梁及千斤顶等实验加载装备。本实验采用湖南大学实验室两个150T液压千斤顶进行控制加载，由一个油泵控制两个千斤顶，确保两边同步对称均匀加载。在实验中为了保证分配梁水平放置，同时保证分配梁向下传力更均匀，在加 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究载平台上铺一层石英砂，其上垫一块平整度好的钢垫板，然后用水平尺放于加载平台沿跨径方向及垂直方向中线上测量钢板表面平整度满足要求后吊装分配梁。分配梁吊装要注意分配梁的轴线应与拱轴线位于同一竖向平面内，这样保证拱桥模型在横桥面方向对称加载，不会偏心而受扭。千斤顶下部与分配梁相接，与分配梁轴线对中，上部接压力传感器，压力传感器与反力架横梁顶板间应放置一块刚度较大的顶板以防止反力架横梁损坏。实验前，为了防止拱桥模型坍塌后仪器掉落从而损坏仪器，将千斤顶，传感器等仪器用铁丝连接在上部反力架横梁上，见图4．12。a)实验中所用液压泵b)加载装备的连接c)加载平台与分配梁相接处d)仪器与上部横梁相连接图4．12加载设备5．拱桥模型的加载拱桥模型正式加载前，进行预加载，在千斤顶上施加预估极限荷载的5％，观察仪表读数，检查仪表的灵敏性和安装的牢固性。当确定仪表读数正常后开始进行正式加载。加载时每级荷载控制在30l(N，在1～1．5min内均匀加完，每级加载完后，恒压l～1．5min，恒压过程中，由同一个试验观察人员进行数据记录及裂缝观察，然后施加下一级荷载。试验中，由于加载的力较大，试验所用反力架刚度有限，每级荷载加载完成后，恒压过程中会有一定程度的卸载，这在前期荷载较小时不明显，到加载后期则很明显，试验中以 硕士学位论文持载完成后的荷载传感器读数为准。加荷至预估破坏荷载的80％后，撤除百分表，按照原定加荷速度连续加荷，直至拱桥模型垮塌破坏。破坏荷载按压力传感器记录的最大荷载为准。试验过程中，及时观察裂缝的出现、发展情况，并记录相应荷载值。本试验的测试内容为：用喷射高性能水泥复合混凝土加固前后，拱桥模型的开裂模式，破坏过程，破坏形态及极限承载力。6．拱桥模型的持载在拱桥模型带载加固试验中，需要对拱桥模型进行持载。拱桥模型砌好之后养护15天，开始进行第一次加载，加载至未加固拱桥模型破坏荷载的70％时进行持载，即保证加固时，拱桥模型的第一阶段受力水平为0．7。当加载至未加固拱桥模型破坏荷载的70％之后，在持载过程中会有一定程度的卸载，要及时观察，如发现卸载，要增加荷载到持载水平。根据实验情况，卸载在刚加载之后的四个小时内较明显，四个小时后基本保持不变，故第一次加载之后四个小时内每隔三十分钟进行观察持载，四个小时后每隔一个小时进行观察持载直到加固前。加固完成后，在加固层养护过程中，持续观测荷载持载水平，且时时记录。7．加固拱桥模型植筋、支模、挂钢筋网加固拱桥模型需在拱腹面喷射高性能水泥复合混凝土，在喷射之前需在拱桥模型拱腹上植筋，支喷射模板，挂钢筋网。在拱桥模型拱腹面植入剪切销钉是为了提高拱桥模型砌体与喷射混凝土加固层界面的抗剪能力和粘结力。剪切销钉直径为6mm，加工成“L”形，植筋深度为60mm。植筋前先清孔，清除孔内的杂物，然后在孔内注入长沙磊鑫公司生产的水泥基无机植筋胶，植入剪切销钉，待无机植筋胶终凝后进行浇水养护，剪切销钉a)剪切销钉b)在拱桥模型拱腹处植剪切销钉图4．13植入剪切销钉等剪切销钉植入完成后，支喷射混凝土模板，支喷射混凝土模板主要为了喷射加固层沿拱圈宽度方向厚度相同，同时保证喷射时的喷射厚度，由于喷 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究射时有一定的冲力，所以模板要连接牢固，见图4．14。a)喷射混凝土模板正面b)喷射混凝土模板侧面图4．14喷射混凝土模板其后可以在剪切销钉上绑扎钢筋网，钢筋间距为70_mm，钢筋采用表面变形钢筋，直径为6mm，见图4．15。95rIull<多6剪切销钉<95。姗60mm三{三三薹≥至三imm／—————／60mma)剪切销钉示意图固。卜厂———矽嘣携帮卜—]＼====2：=一====2：=：一====2：2：一＼●一一——●——一●／————]，_———√80衄80mmb1绑扎钢筋网示意图c)绑扎钢筋网实物图d)绑扎钢筋网完成图图4．15绑扎钢筋网8．拱桥模型喷射高性能水泥复合混凝土加固本次实验采用干喷的喷射工艺，由专业的施工队伍在实验室进行喷射加 硕士学位论文喷射加固的主要步骤是：(1)施工队伍进场，连接仪器；(2)将水泥、砂子、石子、添加剂等按配合比进行无水拌合；(3)开动空压机，打开水管，调整风量和水量至合适时开始在喷射机内装入骨料，喷射时就确保喷层表面无干斑，无流淌；(4)喷射完成，对喷层表面进行抹平处理；(5)洒水养护。a)喷射设备b)喷射施工c)喷射完成图4．16喷射高性能水泥复合混凝土加固 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究第5章喷射高性能水泥复合砼加固石拱桥试验结果5．1材料的基本力学性能试验5．1．1砌筑料石试验采用的石砌块尺寸规格为200mm×100mm×70mm。石砌块的抗压强度等级按70．7mm×70．7mm×70．7mm的立方体试块确定。由表5．1的数据结果，可推定该石材抗压强度为MU80。表5．1石砌块的抗压强度等级试验结果5．1．2砂浆材料根据文献【45】制作砌筑砂浆试块，试块采用70．7mm×70．7mm×70．7mm的钢制立方试模成型。石砌体标准试件砌筑时从搅拌好的砌筑砂浆中取出部分装入钢模制做标准试块，每批砂浆留三个试块。钢模装入砂浆前，应在其四壁涂薄薄的一层油，以方便拆模，保证试块表面完整。试块制作完成后，静置一天，对试块编号、拆模，将砂浆试块放在与砌体试件相同的环境中进行同条件养护28天。在砌体加载试验的同时，进行砂浆试块的抗压强度试验，见图5．1。a)制作中的试块b)试验中的试块图5．1砂浆试块的抗压强度试验砂浆试块进行加载时，试块承压面应选择与浇筑方向平行的完整平面。试验加载速率应保持在O．25kN／s～1．5kN／s之间，试验时连续均匀加载，直至压力机读数开始回落，则认为试件破坏，记录压力机读数最大值作为破坏荷载。砂浆试块 硕士学位论文的试验结果见表5．2。由表5．2可知砂浆强度等级为Mbl5。表5．2实测砌筑砂浆强度5．1．3喷射高性能水泥复合混凝土混凝土抗压强度等级标准试件应该为边长为150mm的立方体试块，试验中采用边长为150mm×150mm×150mm的钢制立方体试模，在喷射过程中喷射试块。由于喷射冲力较大，最后对表面进行抹面处理，之后放在同加固拱桥模型相同的自然环境中进行养护，等开始对加固拱桥模型进行加载时进行试验。抗压强度实验时，加载方向须与试块喷射成型方向垂直根据实验结果，喷射高性能水泥复合混凝土强度等级可达C50。图5．2刚刚喷射完成的高性能水泥复合混凝土试块5．1．4钢筋材料试验中剪切销钉及绑扎钢筋网钢筋均为西6的冷轧带肋钢筋，钢筋的实测力学性能见表5．3。表5．3冷轧带肋钢筋力学性能注：表中钢筋的屈服强度为条件屈服强度％．：。5．2试件的破坏过程及破坏形态5．2．1未加固拱桥模型破坏过程加载前期，荷载较小，拱桥模型上基本不产生裂缝，当加载到极限荷载的75％左右时，在跨中位置沿垂直拱轴线纵向灰缝开始出现裂缝。 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究之后当加载到极限荷载85％左右时，拱桥模型主要在三个位置出现裂缝：1．跨中位置裂缝主要集中在跨中两个加载点之间，裂缝主要沿着垂直拱轴线纵向和横向灰缝，砌块上基本无裂缝；2．左右拱脚及附近加载点中间位置，裂缝主要在砌块上，方向沿拱轴线方向，不贯通，随着荷载增加，缓慢发展；3．千斤顶下方对应拱圈处，主要在拱桥模型侧面出现沿着拱轴线方向的裂缝，贯通砌块及砂浆，随着荷载的增加缓慢发展。4．之后当加载到极限荷载的95％左右时，在左拱脚及附近加载点之间拱桥模型侧面迅速出现一条贯通的沿着拱轴线方向的裂缝，并伴随着沙沙声，之后拱桥模型在此处压碎，此处的砌块有几块飞出，余下拱桥模型向下垮塌，破坏呈明显脆性，破坏后砌体基本散体散落。裂缝示意图见图5．3，实际裂缝图见图5．4。图5．3拱桥模型裂缝示意图a1跨中位置侧向裂缝c)跨中位置底面裂缝b)跨中位置侧向裂缝d1跨中位置底面裂缝图5．4拱桥模型破坏过程裂缝图32 硕士学位论文e)左侧拱脚与加载点之间砌块裂缝f)右侧拱脚与加载点之间砌块裂缝g)左侧两加载点之间位置处裂缝h)左侧靠近拱脚加载点处拱圈底面裂缝i)破坏前拱脚位置处侧向裂缝j)破坏前拱脚位置处侧向裂缝开展k)拱桥破坏瞬间1)拱桥破坏后续图5．4拱桥模型破坏过程裂缝图 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究5．2．2带载加固拱桥模型破坏过程1．加载第一阶段拱桥模型裂缝开展试验中先将拱桥模型加载至未加固拱桥模型极限承载力的70％，即保证拱桥模型的第一阶段受力水平为0．7，试验中先将拱桥模型加载至560l(N，然后持载。在此加载过程中拱桥模型基本不出现裂缝，只在砌筑砂浆灰缝处有少量沿拱轴线方向的裂缝，裂缝示意图见图5．5，实际裂缝图见图5．6。T字钢分配粱爹彳一_混；疑土墩台图5．5带载加固拱桥模型第一阶段裂缝示意图a)第15皮砖位置处拱圈侧面细微裂缝b)第30皮砖位置处拱圈侧面细微裂缝c)第39皮砖位置处拱圈侧面细微裂缝图5．6带载加固拱桥模型第一阶段实际裂缝图 硕士学位论文2．加载第二阶段拱桥模型破坏过程加载第二阶段是指在喷射加固完成后养护28天后，在原有持荷水平上进行加载，直到拱桥模型垮塌破坏的加载阶段。裂缝发展主要经历两个阶段。(1)当加载到加固后极限承载力的66％时，在右侧拱脚与加载点之间拱桥模型侧面砌块上出现少量沿拱轴线方向的裂缝，不过之后此处裂缝基本不发展。(2)当加载到加固后极限承载力的90％时，在跨中加固层出现垂直拱轴线的纵向及横向裂缝，同时在左拱脚与加载点之间拱桥模型侧面砌块上出现沿拱轴线方向的贯通裂缝，之后此裂缝缓慢延伸，并且变宽，最终拱桥模型在此外破坏。加固后拱桥模型的最终破坏形态与未加固拱桥模型基本相同，破坏时，有几块砌体飞出，然后余下拱桥模型整体向下垮塌，从破坏后的拱桥模型来看，加固层与拱桥模型粘结良好，无剥离现象。工字钮分配粱：嚣，辱一搿白2爹心图5．7拱桥模型裂缝示意图a)一侧加载点中间位置处侧面裂缝b1裂缝放大图c)裂缝放大图d)裂缝开展情况图5．8加载到极限荷载66％时，拱桥模型裂缝开展图蓼豁，一。懿 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究a)跨中两加载点之间加固层侧面裂缝b)跨中两加载点之间加固层底面裂缝冀≯“妻’，：爹一’c)裂缝放大图1t¨『．1_—．￡、：～。二jd)裂缝放大图图5．9加载到90％时，拱桥模型跨中位置处裂缝开展图a)贯通裂缝b)裂缝放大图图5．10加固到90％时，左侧拱脚与加载点之间拱桥模型侧面砌块上出现贯通裂缝36 硕士学位论文a)拱桥模型破坏前裂缝开展c)几块砌体压碎后拱桥模型破坏b)破坏前拱桥模型略微拱起d)拱桥模型破坏后连为一体e)拱桥模型破坏处f)破坏后余下拱桥模型仍连为一体图5．11拱桥模型破坏图片5．2．3喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥模型效果分析未加固拱桥模型的极限承载力为800kN，带载加固拱桥模型的极限承载力为1000kN，加固后拱桥极限承载力提升幅度为25％，说明喷射高性能水泥复合混凝土能有效提高拱桥模型的承载力。未加固拱桥模型在加载到破坏荷载的95％的时候才在破坏面位置处出现一条沿着拱轴线方向的贯通裂缝，之后在很短时间内垮塌破坏，基本没有反应时间， 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究破坏呈明显脆性。用高性能水泥复合混凝土加固后拱桥模型受力有良好改善，当加载到加固后极限荷载的90％时，拱桥模型截面上的裂缝发展已经明显，有一定的破坏征兆，这说明喷射高性能水泥复合混凝土能有效改善拱桥模型的破坏特征，增加结构的延性。从加固后拱桥模型的破坏情况来看，除了破坏面处上部砌体结构被压碎之外，其他截面处，加固层与拱桥模型粘结良好，无剥离及滑移现象，且破坏后仍保持相当的整体性，说明加固层能有效的加强石拱桥结构的整体性能。5．3未加固拱桥模型承载力计算及试验结果对比5．3．1未加固拱桥模型计算原理1．求解拱桥模型的弹性中心位置【4州．盖．X《}——————__——————————1二==；==’lX3呀3＼y图5．12拱桥模型基本结构对于未加固拱桥模型，基本结构如图5．12所示，在拱顶将原结构切开，然后得到两个悬壁曲梁，假设在切开的两个面连接两个刚度无穷大(日_∞)的连杆至弹性中心D点，根据弹性中心的性质，当在弹性中心加一对同量反向的单位弯矩五作用下，D点的水平位移应为o，有岛：=岛，=O，即6，：．f盟d，：．f上d。(5．1)Xl、X1一，、|‘一D’ya)作用单位力Xl=1图5．13拱桥模型基本结构作用单位力 硕士学位论文b)作用单位力局=1当单位力作用于基本结构上时，见图5．13，基本结构的内力为：基本结构只作用单位力墨=l时，基本结构上的内力：基本结构只作用单位力量=1时，基本结构上的内力：鸩=y，Ⅳ2=cosQ，K=sinQ(5．2b)基本结构只作用单位力玛=1时，基本结构上的内力：鸠=x，Ⅳ3=一sin＆，％=cosQ(5．2c)采用统一的坐标系，以基本结构示意图中的坐标系为统一坐标系，则由式5．1嘈冶限3， 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究则拱轴线方程为：对式(5．5)求导，得由式(5．6)可得：f—jL毛一，／2y咄2=等x2锄Q=享=等x=竽∈dxl。lJ《=熹=吾噍去=丢COS0fZ。COSQZ由式(5．5)，(5．7)，可得带入数据可得从=等=嚣一3m2．求解单位集中力作用下结构内力(5．4)(5．5)(5．6)(5．7)(5．8)(5．9)设在左半拱作用一集中力，集中力距原点的水平距离为‰，如图5．14所示。尸=1图5．14拱桥模型基本结构作用集中力40 硕士学位论文则在此集中力作用下结构内力为：蛑=一P(x一‰)(x>‰)Ⅳp=尸sin＆@>‰)圪=pcosQ(x>‰)则对于基本结构，根据力法方程有：磊l■+△1p=O疋2互+△2p=o岛3墨+△3p=o式(5．11a)、式(5．11b)、式(5．11c)中各参数的计算式为：6强=l告；～：，学：早肾I警s+l警；令I警tf／2卜b—xo)cd|一知EI由数值带入上面公式计算，可得内力计算结果见表5．4。(5．10a)(5．10b)(5．10c)(5．11a)(5．11b)(5．11c)(5．12)(5．13)(5．14)(5．15)(5．16)(5．17)表5．4拱桥模型在拟定加载模式下的内力计算图表—————_-———————●————————————--————————●—●●————————-———————一xo㈣Ei6l、E16硷E1633EI△IpEI△zpEI△3pXLX!X、—————————————————————————————————————————————————————————————————一一_【】·45，。，、，、．，、．．⋯．，-2．168-O．650-3．676O．4010．6990。3585．409O．93110．276。。。‘⋯～l·326-1．730-0．326-1．2O．1130．3510．11741辱髀争筝脖牌甄如 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究做出单位力作用下‰=O．45m位置处拱桥模型结构内力图，见图5．15。a)弯矩图b)轴力图图5．15单位力作用在殇=0．45m位置处拱桥模型结构内力图做出单位力作用下‰=1．326m位置处拱圈模型结构内力图，见图5．16。0376035l0376a)弯矩图b)轴力图图5．16单位力作用在％=1．326m位置处拱桥模型结构内力图根据加载装置的杠杆比例，可以得到，当一个千斤顶做用一个单位力1时，作用在‰=O．45m处的集中力大小为：O．425／(O．45+O．425)=0．4857，作用在确=1．326m处的集中力大小为：0．45／(O．425+O．45)=0．5143，根据上面所做的内力图叠加可以得到两边千斤顶作用一个单位力1时，拱桥模型内的内力图，见图5。l7。nn71nn7"1n"a)弯矩图b)轴力图图5．17四点加载单位力时拱桥模型结构内力图5．3．2有限元模型对比计算理论计算中，对加载位置采用集中力进行模拟，但实际中是通过一个加载平台来进行传力，由于加载平台有相当尺寸，简化为集中力会引起一定的误差，同时由于理论计算各截面内力过于麻烦，故而建立有限元模型来分析拱桥模型各截面内力。同时与理论计算结果进行比较。拱桥模型跨度4．5m，矢高1．34m，采用有限元软件进行分析，采用beaml88梁单元，划分68个单元，两端固支。为了方便建模，同时参考实际情况，建模过程中做以下简化：分配梁通过墩台传向拱桥模型接触面的力视为均布竖向荷载，不考虑接触面上的应力分布，均布荷载为线荷载，为集中力与接触面沿拱桥模型跨度方向长度的比值。荷载大小为单位力【501。有限元分析建立模型见图5．18。 硕士学位论文a)几何模型有限元分析结果见图5．19。图5．18有限元模型建模a)拱桥模型弯矩图鬈◆b)加载模式b)拱桥模型轴力图豢薹：舭．镰．=。‘。5：i∥飞＼∥bc)拱桥模型上表面由弯矩产生的应力d)拱桥模型下表面由弯矩产生的应力曩爱?警蠹拶㈧鬻鬻—_蠢万—曩烹一j3．￡l：一21二9i一：：二-1一：5．二∈j一÷．14je)拱桥模型上表面叠合弯矩轴力总应力f)拱桥模型下表面叠合弯矩轴力总应力图5．19有限元模型分析结果43 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究比较理论计算结果与有限元分析结果，结果见表5．5。表5．5理论计算与有限元计算结果比对从表5．5中可以看到两者算出的拱桥模型轴力基本一致，轴力分布与突变点位置也基本相同，但弯矩不同，理论计算结果整体上弯矩较大，且基本不变号，用有限元计算的弯矩结果要较小一点，并且有变号现象，这可能是由于将集中力换为均布力后，使荷载形式更加接加于合理拱轴线所致，总体上两者弯矩和轴力曲线趋势保持一致。5．3．3未加固拱桥模型试验结果与理论对比由拱桥模型上下表面叠合弯矩轴力后的总应力图，我们可以知道，拱桥模型上下表面均无拉应力，全为压应力，在实验过程中，两边同步对称加载，应力分布不变，且按比例增加，可知，拱桥模型最后的破坏应该是在拱桥模型截面上最大压应力位置，即拱脚与附近加载点之间的9单元或者60单元位置，距拱脚距离约为0．43m处，在此外砌体下边缘被压碎，然后拱桥破坏。由第三章的数据可以得到石砌体标准试件的平均轴心抗压强度值为27．5MPa，在单位力作用下拱桥模型下边缘最大应力为39．149Pa，这样根据比例关系，可以得出当边缘应力达到石砌体的轴心抗压强度值27．5MPa时，需在千斤顶上施加的力大小为：27．5×106／39．149N=702．4kN。拱桥模型实际破坏点位置在左拱脚及附近加载点之间，破坏时在左拱脚及附近加载点之间侧面迅速产生一条沿拱轴线方向的贯通裂缝，之后最大应力点位置砌体被压碎，上部残留砌体有几块飞出，之后拱桥模型整体向下跨塌。破坏荷载为800kN，计算结果为702kN，理论计算结果与实际实验结果基本吻合，见图5．20。移一、图5．20破坏点位置与拱桥截面下边缘最大应力图分布位置比对图 硕士学位论文5．4带载加固拱桥模型承载力计算及试验结果对比5．4．1带载加固拱桥模型承载力计算1．加固层对拱桥模型应力分布的影响带载加固拱桥模型的拱轴线同未加固拱桥模型的拱轴线是一样的，所以在喷射加固之前，拱桥模型的各截面应力分布同未加固拱桥模型是一致的，符合5．3．2节中的有限元分析结果中所示的应力分布。当在持截下进行喷射加固后，拱桥模型下面新增加了一层喷射混凝土加固层，此时截面刚度会由于喷射加固层的增加而变化，根据5．3．1节拱桥模型的基本结构图，要求解拱桥模型内力，需求解出三个未知量五，尥，局，由公式(5．11a)，(5．11b)，(5．11c)可知，拱桥模型刚度变化对于求解蜀及％没有影响，两边会同时消去日，只有求解彪时，由于同时有抗弯刚度彤，抗压刚度尉参与计算，加固层厚度会对计算结果有影响。这说明加固层厚度变化会改变拱桥模型内部的应力分布。为了得到不同加固层厚度对拱桥模型应力分布的影响，用有限元分析分别建立模型进行计算，计算时根据应力不变和应变相等的原则将加固层换算成与石砌体等价的换算截面，为保证截面上各处应变相等，固定加固层的高度，换算加固层的宽度6’=6巨／巨，由于混凝土的弹性模量比砌体的弹性模量要大，所以换算后加固层与砌体结构的组合截面为T形截面，见图5．21。61石拱圈E，中性轴自2加司层加【琶层，7：f：￡2a)加固层截面b)换算加固层截面图5．21加固层截面转换为了得出不同加固层截面对结构应力分布的影响，特分别建模进行分析计算，不同加固层厚度拱桥模型轴力图及弯矩图分布变化见表5．6，不同加固层厚度拱桥模型截面边缘应力分布见表5．7。45 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究表5．6不同加固层厚度截面轴力及弯矩分布图h2／mm拱桥模型截面轴力分布图拱桥模型截面弯矩分布图0mm20mm40mm60mm80mmFXIM：N=∑LE"=9HAX=一E：EM=3一j．％々，一．．j0#一．．-bj一．．一jb—1．L§3MIHELE劓MAX￡LEH1．{日一1．qt二一．．JOZ．．二b一．．．b?一．ij，M二N=一：ELEM=；瞰=一iELEM=38：．3；，臀糊唑谶霄幽鼍篡}—_京攀絮。一i．qq—1．jqg一二．Z30一1．jO‘一·．：’0一二．j9{一1．3C2—1．2i—i．1ie—i．O二?F_)cIExJHIN=一1．{37￡LEM=9MAx=一i￡LEM=36，学掣簟_考黼避攀萝—II皆。!甓÷FX：MlNEL￡MM酞ELEM1．3§11懋攀蹩鬻鬻幽鼍霉}-毒囊∥嘎!一1．338—1二9￡一二．二C4一i．112—1．ni9MZIMIN=一．ELEM=60MAX=．OEL三M=30M=J一．023812一．0114：9．95jE—03．0i3338．02572ELEM=60僦=．O￡LEM=30拟钉◇．声氯。锄＼√k曩易学鼍鬻瞥斧鼍锶肇产焉蘸学幽焉。。一．0260S7一．C121S1．00169S．O：5S71．02944i一◇艇④蠖》／”、气蕊ok．0。j{二j．j：二cjo．iii‘二：{!。titl：i。0MZIMIN=一．eELEM=60MAx；．03ELEM=39鼍器爱“簟黼鬻“缨瓮挚墨前蠢学焉az一．?：6{；3一．012998．002498．017994．033{e；黧斑碍黔心、◇k黑黑鬻“鬻鬻黼“簧鬻蠢严蕊雨券“勰；t一．029475一．0：33：7．002e21．Oi8959．0351二 (续表)硕士学位论文47 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究表5．7不同加固层厚度截面上边缘及下边缘应力分布图h：／mm拱桥模型截面上边缘应力分布图拱桥模型截面下边缘应力分布图40mmMIN=一20．ELEM=41MAX=一S．9￡LEM=c曩"尹譬鸶鬻严攀誉‰F_=曩雩_二鼍曩；一二#．U，々一一，．』一z一』z·io!一?·一·?一c·一u々一：6．59B—i：．i45—10．￡j3—7．j4—4．7e8—2。·21≥5．6；；3·11；o．6亏j。·11is．￡三}3·1三jo．6；8·11；．6MIN=一22．623ELEM=9，墨=霭羞鬻曩≯孪j．蟠_嚣鬻奄筹雾耍≯芬；．。．^t二‘一：：§：一。300—ir：。3．。bj一15．1i?一1二·j11一?·qg”一’·05‘一j·。- 硕士学位论文(续表)h：／mm拱桥模型截面上边缘应力分布图拱桥模型截面下边缘应力分布图100mm120mm140mm160mm180mm200mm!只要“訾蠢严“驾攀蕾—_雨学“。呵曩。鼍曩霉嘲警鬻攀。攀鬻挚—jT考。。鼍贯j一：3．i2一i0．511—8．242—5．8n‘一3．365—17．{18一二0．892—8．3ej一5，838—3．31：暴"笋。譬卷赞幽鼍攀静—_=疆言2世曩曼鼍曩警⋯簧鬻黉“鬯燮}—弋曩学“迦，墨1：．8j{9．i28j．311S．1352，8e9一12．0：S一9．776—1．{j7一二178—2．81；鼍—掣㈧警紫攀粼攀警———百——鼍鼍。鼍曩碧黼燮赞汐粼攀鬻——了百≯。鼍曩。．，．■』，．：I．．一‘‘一．0·{0．’，．、q一』z．0qb一，．，￡《一一．u』一3．e，一一j．3j《：#‘、《：、一．一r!_．￡i‘．p．、．i：’1O+ae7￡．R￡9-∈?5：4．633二511一二0．S38—9．?02—7．006—0．131—3．i95—9．97—8．C34一￡．098—4．16：一2．2：7ZE二·GEY卜i^ZEDGEYM奠MIN=一二0：3：ELEM=4二一二0．二3二一8．32：一6．}i3一《．?03—2．894一o．2二6一7．4】7一j．6nH一3．，09—1．q口ZEOGEYMAZEPGEYMAMIN=一9．432￡LEM=；i：≯—＼∥≮一l：．O?l一；．10二一7．13二一5．1Cl一3．i§1一二0．086一e．：16一E．14E一{．17E一二．20tZE：}G!YMIZEOG￡YMlMIN；一iO2{9三LEM=0要≥≥：‘歹、，．∥、、一：0．二4；一O．{03—6．557一i，?1i一2，06j一9．3：6一7．48一二．634—3．7e8—1．94ZEOGEYM二Z￡DSEYMIMrK=一9．5{5￡LEM=∈249 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究为了考虑不同混凝土强度的加固层对结构应力分布的影响，对不同混凝土强度的加固层进行计算，计算结果见表5．8，表5．9，表5．1O。表5．8C50混凝土加固层0．000．020．04O．060。080．100。120．14O．160．189．1．44960．0．039—39．1499．1．44360-O．0339．1．4460-0．0359．28．2059．22．6239．1．43760．O．03661—19．0719．1．43460．0。03861—16．5659．1．43260-0．03961-14．6828．1。42961．O。0408-13。2248．1．42661．0．0428-12．0468．1．42361．O．0448一11．071．1．4261．0．0458-10．249O．208．1．4178-0．04862—9．545表5．9C40混凝土加固层．36．6760．020704．25．469O．022862．20．830．024174．18．0740．025219．15。988O．026185．14．3390．02713．12。9970．028272．11．8810．029481．10．938O．03078．10．131．9．232O．032160．03367O．OO0．020．040。06O．080。10O．12O．140．16O．189．1．44960．O．039．39．1491-36．6760．020709．1．44360．0．03299-28．6999．1．4460-0．03479-23．2121．25．8580．0227941．21．1670．024149．1．43760．0．036261．19．66941-18．440．025229．1．43460．0．037661-17．14541—16．3620．026249．1．43161．O．0398-15．23941-14．7120．027258．1．42961．0．04068-13．75641—13．3640．028448．1．42661．0。04238-12．55241·12．2390．029718．1．42361．O．04418-11．55241—11．287O．031048．1．4261．O．04618—10。70741·10。4690。032470．208．1．4168．0．048162-9．98241-9．760．0339950●钉舢钉“钉 表5．10C30混凝土加固层图5．22加固层厚度对最大截面偏心距的影响由上述分析可知，加固后截面的应力分布会随着加固层的变化而变化，但总体应力分布图形变化不大，上下边缘最大截面位置基本不变，截面偏心矩随加固层厚度的加大而变大，但基本与加固层厚度呈线性关系，见图5．22。2．基本计算假定(1)假定新增加固层与原结构粘结良好，无相对滑移和剥落。(2)假定截面应变呈直线(平截面假定)。(3)上部石砌体的应力应变关系【51’521如图5．23(由石砌体标准试件试验数据所得)。 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究·A·2·2．，_，。：。：矧．jJ曝移，A．3-2，J”／；’。-_o彳‘～i=．‘，4‘川4‰’’-I∥．·‘o形7銎5地!一⋯直变——scu=0．0025a)实验中测得的数据点分布b)石砌体应力应变拟合曲线图5．23石砌体应力应变曲线(4)喷射加固层混凝土应力应变曲线见图5．24。／＼当&≤‰时，图5．24混凝土的应力应变关系吼=允[1．(1．立)“】民当‰<乞≤气时，吒=丘刀=2一亩(‰。50)岛=0．002+0．5(厶J(一50)×10。5气=O．0033一(厶Jc一50)×10q(5)不考虑砌体及混凝土抗拉强度及加固层内刚筋对截面受压的作用。(6)砌体结构的弹性模量由标准砌体试件试验得出为E1=1．32×104MPa，喷射高性能水泥复合混凝土弹性模量取历=3．45×104MPa【531。(7)加固后截面破坏时的截面偏心距符合eo=O．0669办2+O．0207(5．18)3．加固后拱桥模型正截面强度计算及结果分析计算在弹性阶段进行，符合荷载的叠加原理，在实验过程中，两边同步对称52一。|薹蝼 硕士学位论文加载，同一截面拱桥模型应力分布不变，且随着荷载的增加按比例增加，由未加固拱桥模型的破坏过程及理论分析可知，拱桥破坏的控制截面选在下边缘应力最大的截面，即9号单元所在的截面，破坏时取砌体结构极限压应力为28．5MPa，则未加固拱桥模型破坏时截面内力为：Ⅳu=1054870N，‰=21840N．m。加固结构属于二次受力结构，拱桥模型加固前为受力第一阶段，由拱桥模型单独承受荷载，假设受力大小为ⅣS和聪；加固后，新增加的荷载Ⅳt和M由拱桥模型及加固层形成的组合截面共同承受。未加固拱桥模型控制截面的最大荷载为Ⅳu和地。计算中未加固拱桥模型的最大破坏荷载为已知，第一阶段受力水平D是实验控制参数，可得到第一受力阶段拱桥模型上的内力Ⅳs及坛大小：ⅣS=D×Ⅳu(5．19)坛=D×地(5．20)由平截面假定，截面应变始终保平面，图5．25中两斜线虚线为加固前拱桥截面控制截面应变分布，实线为加固后拱桥模型截面及加固层组成的组合截面应变分布。qs4。1￡4●矾工·-向l厶1f。．f威风。P．。。马图5．25截面上的应变分布图中各参数的意义如下：-s2＆u^向2白．f。5图5．26积分求解截面内力示意图毛一第一受力阶段ⅣS作用下原拱桥模型截面上边缘压应变；占，一第一受力阶段Ⅳs作用下原拱桥模型截面下边缘压应变；毛一第一受力阶段Ⅳs作用下加固层下边缘虚应变，由平截面假定求得；幺一极限荷载作用下原拱桥模型截面上边缘压应变：气一极限荷载作用下原拱桥模型截面下边缘缘压应变；幺一极限荷载作用下加固层下边缘压应变；厅l一原石拱桥截面高度；办2一加固层厚度。第一受力阶段ⅣS作用下原拱桥模型截面边缘应变值为：￡l=(ⅣS／6红一6丝／6砰)／11400(5．21)￡2=(Ⅳs／忱+6M／6砰)／11400(5．22) 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究假定原拱桥模型截面上边缘的应变为巳，则由图5．26可得距截面上边缘处f处截面在第二阶段荷载作用下的应变大小为：也=(；(≮。一￡4)／J；jl+毛)一(f(￡2一白)／啊+￡1)(5．23)则根据截面的应力应变关系可得到截面各点处的应力值对于砌体结构有丸=11400吐(5．24)对于下部混凝土加固层有：当也≤氏时，噍=允【1一(1一粤)”】(5．25)60当氏<吐≤气，吃=允(5．26)得到各点应力之后，可积分求出截面的轴力和对上边缘顶面的弯矩：第二阶段荷载作用下截面上的轴力大小为：^螺Ⅳt=f睨破(5．27)v0第二阶段荷载作用下对截面上边缘的弯矩大小为：^嵝M=／B皖破(5．28)笛根据等效截面法，组合截面的中性轴到截面上边缘的距离为：1，f-墨垒：±三墨垒丝±墨丝：(5．29)。2(巨啊+易坞)由图5．27可知M=Ⅳt‰(5．30)膨=M(少’+‰)(5．31)由M与Ⅳt的关系，我们可以假设一个s。，这样上述所有式子都可以转化为以未知量毛表达函数式，只要结果满足M=Ⅳt(y’+％)，那么q即为所求的值，所有参数都得解，用二分法编程进行迭代计算，对不同混凝土强度，不同加固层厚度，不同第一阶段受力水平分别进行计算，结果见表5．11-5．19。 M一了二|v1^2硕士学位论文石拱圈。E加固层E，中性轴图5．27截面弯矩转换示意图表5．11C50混凝土第一阶段受力水平D=0．6加固计算结果0．7100．O00．7122．8200．7141．240O．7157．160O．7171．680O．7185．01000．7197．7120O．7209．9140O．750．75O．750．75O．750．80O．86O．930．991．061．131．20738．4509．6316．4218．4728．0O．O738．4509．6442．0306．3815．912．1738．4509．6567．0393．8903．324．1738．4509．6697．4485．3994．936．7738．4509．6834．6582．01091．649．9738．4509．6979．1683．71193．363．9738．4509．61130．9791．41301．078．7738．4509．61290．O904．61414．294．355 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究表5．13C50混凝土第一阶段受力水平D=0．8加固计算结果Dy·／mm办2／mmsmin／10’3气找／10‘3Ⅳs／N只／NⅣt／NR／NR。／N尸／％O．8100．OO0．8122．820O．8141．240O．8157．160O．8171．6800．8185．01000．8197．7120O．500．50O．500．50O．500．50O．540．57O．61O．69O．730．78843．9582．4210．9145．5728．OO．O843．9582．4306．4212．3794．79．2843．9582．4399．2277．2859．618．1843．9582．4495．2344．6927．O27．3843．9582．4596．3415．8998．237．1843．9582．4703．2491．11073．547．5843．9582．4816．O571．O1153．458．40．8209．9140O．50O．82843．9582．4934．6655．41237．870．0表5．14C40混凝土第一阶段受力水平D=O．6加固计算结果Dy·／mm办2／mm‰／10。3气联／10。Ⅳs／NR／NⅣt／NR／NRu／NP／％1．00632．9436．8421．9291．2728．O0．01．081．171．271．371．471．59632．9436．8525．6364．2801．010．0632．9436．8641．8445．7882．521．2632．9436．8767．0533．8970．533．3632．9436．8899．9627．51064．346．2632．9436．81039．3725．81162．659．7632．9436．81184．2828．71265．573．80．6207．61401。001．7l632．9436．81333．2934．91371．788．4_————_———-————l———l————●———l———————-———--———l———__———一表5．15C40混凝土第一阶段受力水平D=O．7加固计算结果一_———-————-———l————l———l————l——_————-———l———_-———l———--_——一Dy·／mm矗2触mgmin／10。3气戤／10‘3Ⅳs，NFS烈M／NFt烈Ru腻P／％0．7100．0OO．750．7121．7200．750．7139．640O．750．7155．260O．75O．7169．580O．75O．7182．81000．750．7195．41200．75O．75738．4509．6316．4218．4728．OO．O0．81O．870．941．011．081．16738．4509．6409．2283．6793．29．O738．4509．6508．9353．4863．O18．5738．4509．6615．7428．5938．128．9738．4509．6729．5508．71018．339．9738．4509．6850．O593．61103．251．5738．4509．6976．8683．61193．163．90．7207．6140O．751．24738．4509．61110．O778．41288．076．956O0O0O0O0O0Oo加∞mⅢO762584O19592502356896O0O0O0 硕士学位论文表5．16C40混凝土第一阶段受力水平D=O．8加固计算结果Dy’／mm^2／mm气。／10。3‰缸／10。3ⅣS／N只／NⅣt／NR／NR。／NP／％O．8100．00O。8121．7200．8139．640O．8155。2600．8169．580O。8182。8100O．8195．4120O．8207．6140O．500．50O．50O．540．580。62O．66O．71O．750．80843．9582．4210．9145．5728．O0．0843．9582．4282．7195．9778．36。9843．9582．4357．4248．2830．614．1843。9582。4436。7303．9886。321。7843．9582．4521．1363．4945．829．9843。9582．461O．9426．6l009．O38．6843．9582．4706．O494．11076．547．9843．9582．4806．O565．21147．657．6表5．17C30混凝土第一阶段受力水平D=O．6加固计算结果Dy’／mm厅2／mm‰／10‘3气。／10’3Ⅳs／NFs／NM／NFt／NR。／NP／％0．6100．001．OOO．6120．1200．6137．5400．6152．760O．6166．7800．6180．O100O．6192．41200．6204．41401．OO1．001．OO1．001．091．191．291．401．521．641．76632．9436．8421．9291．2728．O0．O632．9436．8476．8330．4767．25．4632．9436．8553．7384．5821．312．8632．9436．8642．6447．2884．021．4632．9436．8739．5515．7952．530．8632．9436．8842．6588．41025．240．8632．9436．8950．2664．91101．751．3632．9436．81061．O744．01180．862．2表5．18C30混凝土第一阶段受力水平D=O．7加固计算结果Dy’／mm办2／mm‰／10‘3气戤／10。3Ⅳs／N凡小Ⅳt／NR／NR。／NP／％0．7100。OOO．75O。75738。4509。6316．4218．4728．0O．O0．7120．1200。7137．5400．7152．7600。7166。780O．7180．0100O。7192．41200．7204．4140O．750．75O．750．75O．81O。880．961．031．121．20738．4509．6369．1255．8765．45．1738．4509．6437．O303．5813．111．7738．4509．6514．1357．8867．419．1738．4509．6598．4417．3926．927．3738．4509．6689．1481．2990．836．1738．4509．6785．1549．41059．O45．51．28738．4509．6886．0621．31130．955．357 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究上表中各符号的意义如下：D一拱桥模型第一阶段受力水平；y，_加固后拱桥模型与加固层组合截面中性轴距拱桥模型上边缘距离；向2一加固层厚度；气i。一加固层破坏时最小应变值；气戤一加固层破坏时最大应变值；Ⅳs一加载第一阶段拱桥模型控制截面上的轴力；只一加载第一阶段上部单个千斤顶上的压力；Ⅳt一加载第二阶段拱桥模型控制截面上的轴力；R一加载第二阶段上部单个千斤顶上的压力；民u一加固后千斤顶上的最大压力；尸一承载力提高幅度，为加固后拱桥模型能承担千斤顶最大压力与未加固拱桥模型能承担千斤顶压力比值。根据表中数据，可得到加固层厚度、混凝土强度、第一阶段受力水平对加固效果的影响。从图5．28．5．30可以看出：当加固层小于40mm时，第一阶段受力水平对加固效果的影响不是很大，同时加固效果也较差，这说明加固层厚度不宜太小，最小取60mm为宜。同一加固层厚度，第一阶段受力水平对加固效果的影响呈反相关的关系，随着第一阶段受力水平的减小，加固效果增加。当加固层大于60mm时，则第一阶段受力水平对加固效果的影响较大，当第一阶段受力水平较高时，加固效果随加固层厚度的增加变化不明显，实际中第一阶段受力水平最大应该为O．7，一般来说应保持在O．6以内为宜，此时配合合理的加固层厚度，加固效果较好。 述翅善去裂R辎嬖魁善去裂畏褥咚硕士学位论文020406080100120140160加固层厚度斤姗100r604020O70一图5．28C50高性能复合混凝土加固效果图020406080100120140160加固层厚度詹m图5．29c40高性能复合混凝土加固效果图020406080100120140160加固层厚度／Im图5．30C30高性能复合混凝土加固效果图59加∞加0∞如加m0述趟善丧取R搭妥 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究硼O2040图5．31D=O．6时加固效果图从图5．31中可以看出在相同应力水平下，当加固层厚度小于40mm时，混凝土强度等级的提高对加固后截面承载力提升幅度的提高影响不大，当加固层大于60mm时，随着混凝土强度等级的提升有较大影响。020406080100120140160加固层厚度(衄)图5．32加固层厚度及第一阶段受力水平对加固层最大应变的影响从图5．32中可以看出破坏时加固层最大应变与加固层厚度呈正相关的关系，且第一阶段受力水平对破坏时加固层最大应变影响很大，当第一阶段受力水平为O．8时，破坏时加固层最大应变值才为O．99×10一，在一般常用的加固层厚度时，破坏时加固层最大应变值在0．6×100左右，远没有达到混凝土的极限抗压强度3．3×10一。只有当第一阶段受力水平在0．6以下时，在一般常用加固层厚度时，加固层破坏进的最大应变会在1．3×10。3以上，加固层具有较高的材料利用率。5．4．2带载加固拱桥模型试验结果与理论对比根据理论分析，加固后截面的应力分布图形变化不大，上下边缘最大压应力截面位置基本不变，带载加固拱桥模型破坏位置与理论分析最大压应力位置基本相同。带载加固石拱桥模型理论计算承载力为994．9kN，而实际的承载力大小为●0■●—■●ll啪0—■■●●■■瑚』《舳跏]jjjI层F—I∞橱一办∞∞∞加∞∞如∞加加0毋＼式蔌去犁弋搭乓 硕士学位论文1000kN，计算结果与实际实验结果吻合良好。5．5本章小结本章通过对未加固拱桥模型和带载加固拱桥模型的破坏实验，得出了高性能水泥复合混凝土加固石拱桥后对石拱桥模型开裂模式、破坏模式、承载力提高幅度的影响。同时结合试验结果，通过理论验算加固层厚度、第一阶段受力水平、混凝土强度对加固效果的影响，得出以下结论：1．未加固拱桥模型的极限承载力为800kN，带载加固拱桥模型的极限承载力为1000kN，加固后提升幅度为25％，说明喷射高性能水泥复合混凝土能有效提高拱桥的承载力。2．未加固拱桥模型大概在95％的时候才在破坏面出现一条沿着拱轴线方向的贯通裂缝，并且裂缝出现伴随着沙沙声，在很短时间内破坏，基本没有反应时间，破坏呈明显脆性。加固后拱桥模型受力有所改善，在加载到90％左右时，拱桥模型截面上的裂缝发展已经明显，有一定的破坏征兆，这说明喷射高性能水泥复合混凝土能有效改善拱桥模型的破坏特征，增加结构的延性。3．从加固拱桥模型的破坏后情况来看，加固层与拱桥模型粘结良好，无剥离及滑移现象，且破坏后仍保持相当的整体性，说明加固层能有效的加强结构的整体性能。4．未加固拱桥由理论分析可知拱桥模型最后应在拱桥模型拱脚与附近加载点之间的9单元或者60单元位置，距拱脚距离约为O．43m处截面达到砌体抗压强度，垮塌破坏，拱桥模型实际破坏点位置正在左拱脚及附近加载点之间。破坏时在左拱脚及附近加载点之间侧面迅速产生一条沿拱轴线方向的贯通裂缝，之后最大应力点位置砌体被压碎，上部残留砌体有几块飞出，之后拱桥模型整体向下跨塌。计算结果为702kN，破坏荷载为800kN，理论计算结果与实际实验结果基本吻合。5．根据理论计算结果：用高性能水泥复合混凝土加固石拱桥模型后，石拱桥模型的承载力为994．9kN，加固后拱桥模型的破坏荷载为1000kN，计算结果与实际实验结果吻合良好。6．根据理论计算结果：当加固层厚度小于40mm时，第一阶段受力水平对加固效果的影响不是很大，同时加固效果也较差，这说明加固层厚度不宜太小，最小取60mm为宜。7．根据理论计算结果：当加固层厚度小于40mm时，混凝土强度等级的提高对加固后截面承载力提升幅度的提高影响不大，当加固层大于60mm时，随着混凝土强度等级的提升有较大影响。8．根据理论计算结果：破坏时加固层最大应变与加固层厚度呈正相关的关 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究系，且第一阶段受力水平对破坏时加固层最大应变影响很大，当第一阶段受力水平为0．8时，加固层应变较小。只有当第一阶段受力水平在O．6以下时，在一般常用加固层厚度时，加固层具有较高的材料利用率。62 硕士学位论文结论与展望喷射高性能水泥复合混凝土加固法是一种新型的加固方法。高性能水泥复合混凝土有着强度高，粘结性好，收缩小，凝结快等优点。本文通过对未加固拱桥模型和带载加固拱桥模型的破坏实验，得出了高性能水泥复合混凝土加固石拱桥后对拱桥模型的开裂模式、破坏模式、承载力提高幅度的影响。同时结合实验结果，通过理论验算加固层厚度、第一阶段受力水平、混凝土强度对加固效果的影响，得出以下结论：1．未加固拱桥模型的极限承载力为800kN，带载加固拱桥模型的极限承载力为1000kN，加固后提升幅度为25％，说明喷射高性能水泥复合混凝土能有效提高拱桥的承载力。2．未加固拱桥模型拱圈大概在95％的时候才在破坏面出现一条沿着拱轴线方向的贯通裂缝，并且裂缝出现伴随着沙沙声，在很短时间内破坏，基本没有反应时间，破坏呈明显脆性。加固后拱桥模型受力有所改善，在加载到90％左右时，拱桥模型截面上的裂缝发展已经明显，有一定的破坏征兆，这说明喷射高性能水泥复合混凝土能有效改善拱桥模型的破坏特征，增加结构的延性。从加固拱桥模型的破坏后情况来看，加固层与拱桥模型粘结良好，无剥离及滑移现象，且破坏后仍保持相当的整体性，说明加固层能有效的加强结构的整体性能。3．由理论分析可知，拱桥模型最后应在拱桥模型拱圈截面上最大压应力位置破坏，即拱脚与附近加载点之间的9单元或者60单元位置，距拱脚距离约为O．43m处，在此外砌体下边缘被压碎，然后拱桥破坏。而拱桥模型实际破坏点位置在左拱脚及附近加载点之间，破坏时在左拱脚及附近加载点之间侧面迅速产生一条沿拱轴线方向的贯通裂缝，之后最大应力点位置砌体被压碎，理论分析与实际实验结果基本吻合。根据理论计算结果：当加固层厚度小于40mm时，第一阶段受力水平对加固效果的影响不是很大，同时加固效果也较差，这说明加固层厚度不宜太小，最小取60mm为宜。当加固层厚度小于40mm时，混凝土强度等级的提高对加固后截面承载力提升幅度的提高影响不大，当加固层大于60mm时，随着混凝土强度等级的提升有较大影响。破坏时加固层最大应变与加固层厚度呈正相关的关系，且第一阶段受力水平对破坏时加固层最大应变影响很大，当第一阶段受力水平为0．8时，加固层应变较小。只有当第一阶段受力水平在0．6以下时，在一般常用加固层厚度时，加固层具有较高的材料利用率。由于时间有限，本文研究工作难以面面俱到，需进一步研究的内容如下：1．由于实验室条件所限，文中的拱桥模型没有考虑拱桥的横向荷载分布，只 喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究做了300mm宽的拱桥模型试验，荷载横向分布对加固效果的影响需要进一步试验研究。2．文中的计算方法没有考虑到加固层钢筋的抗压作用，对于钢筋对加固效果的影响有待进一步的试验研究。由于作者水平有限，文中一定还存在不足之处，敬请各位师长批评指正。 硕士学位论文参考文献[1]杨庆印．石拱桥静荷载试验评估和加固研究：[合肥工业大学硕士学位论文]．合肥：合肥工业大学，2009，1．2[2】周建庭，刘思孟，李跃军．石拱桥加固改造技术．北京：人民交通出版社，2008，2．4[3]林晓锋，向中富，王旭军．常用石拱桥加固技术综述．山西建筑，2007，33(9)：261．262[4】黎宗勇．钢筋混凝土套箍加固石拱桥承载力计算方法研究：[西南交通大学硕士学位论文]．成都：西南交通大学．2009，7．9[5】蔡斌．服役石拱桥加固技术研究：[中南大学硕士学位论文]。长沙：中南大学，2009，13．17[6]周建庭，黎小刚，屈建强等．复合主拱圈加固石拱桥力学性态分析．重庆交通大学学报(自然科学版)，2010，29(6)：849．851[7]周磊，周建庭，黄灿等．复合主拱圈加固石拱桥关键技术研究．重庆交通大学学报(自然科学版)，2011，30(4)：747．750[8]陈书生．复合主拱圈本构关系等效方法及模型试验研究：[长安大学硕士学位论文]．西安：长安大学，2013，7．9[9】乔文靖，宋一凡，陈书生．复合主拱圈加固石拱桥极限承载力参数研究．科技导报，2013，31(15)：65．68[10]李仁斌，王利刚．锚喷混凝土技术在石拱桥加固中的应用．西部交通科技，2009，(7)：93．97[11]张新旺．锚喷混凝土加固改造圬工拱桥技术．路基工程，2010，(3)：223．225[12]义治中．喷锚技术在石拱桥加固中的应用。铁道建筑，1981，(3)：14．17[13]王世槐，何川，扬国平．锚喷技术加固补强旧危拱桥的模型试验及有限元分析．中国公路学报，1990，3(41：42．46[14]杨转运，刘会，吴汉辉．粘贴钢板法在桥梁加固中的应用．施工技术，2005，34(9)：7．10[15]崔圣爱，张广山，蒙云．粘贴钢板法在老石拱桥加固中的应用．重庆交通学院学报，2004，23(6)：28．31[16】廖卫东．桥梁结构碳纤维加固技术研究：[长安大学硕士学位论文]．西安：长安大学，2002，5．6[17]李松辉．碳纤维布加固桥梁的设计理论研究：[大连理工大学博士学位论文]．大连：大连理工大学，2003，3．10[18]GardenHN，Hollaway。LC．AnExperimentalStudyoftheFailureModes 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喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥承载力试验研究致谢在本论文即将完成之际，首先向我的恩师尚守平教授致以最诚挚的谢意!三年研究生生活，尚老师在学习和日常生活上给予了无微不至的关心和无私的帮助，在遇到困难和挫折时不断给予鼓励与支持，这些都让我铭记于心。尚老师渊博的知识、严谨的作风、实事求是的精神和对科学技术的孜孜追求让人钦佩。同时感谢师母张毛心教授在生活中及学习上给我的鼓励和无微不至的关怀。在此衷心的希望尚老师和张老师身体健康、事事顺利。感谢师兄张宝静、王彦、鲁华伟、邹兴平、朱博闻及师姐李双、陈宛若在学习和生活中给予的无私帮助和支持。感谢搭档刘君给予的帮助和鼓励。感谢室友郑新秀，杨丰、鞠开林、常远、邓清的帮助和关心。感谢同学周浩、蒋林、唐雨喜、胡向军、李晓辉、雷镇海的扶持，在三年来共同的学习和生活中结成的深厚友谊让我难以忘怀。感谢杨龙、吕新飞等师弟及师妹易春荣在试验过程给予的大力帮助和支持。感谢试验室的工作人员尹师傅、谢师傅的辛勤工作，正是因为你们工作的细心认真，我的试验才得以顺利的完成。深深感谢我的父母，他们十几年来无微不至的关怀与支持才使得我能够顺利完成学业。感谢所有关心我的老师、同学和朋友们。狄国伟2014年5月于湖南大学 硕士学位论文附录A(攻读学位期间所发表的学术论文)[1】尚守平，狄国伟，刘君．喷射高性能水泥复合混凝土加固石拱桥试验研究．湖南大学学报(自然科学版)．已录用'