季冻区预应力混凝土简支梁的预应力损失和加固土木工程研究

本文是一篇土木工程论文，本文通过四根预应力混凝土简支梁（包括两根先张法试验梁和两根后张法试验梁）的变幅疲劳加载试验，研究了在东北地区冬季自然冻融、夏季自然高温及变幅疲劳三种客观因素作用下，预应力混凝土简支梁的疲劳挠度、混凝土疲劳应变、钢筋疲劳应变、钢绞线疲劳应变及裂缝开展等与未经客观因素影响的预应力混凝土简支梁的疲劳挠度、混凝土疲劳应变、钢筋疲劳应变、钢绞线疲劳应变及裂缝开展等进行对比和详细分析。

第 1 章 绪论

1.1 选题的来源、背景及意义
1.1.1 选题的来源
本论文题目来源于吉林省科技厅发展计划项目“季冻区预应力砼桥梁安全性鉴定与加固技术”。
1.1.2 选题的背景
当前，预应力混凝土大跨度桥梁在国内得到了广泛的应用，然而由于施工工艺、技术水平以及一些其他环境因素的影响，均会造成预应力混凝土桥梁中预应力的大量损失，而预应力损失会引起桥梁结构的抗裂性降低，还能够降低结构的刚度，进而会影响结构的极限承载力；此外，由于预应力混凝土桥梁中预应力的大量损失超出设计预期的范围，有可能导致预应力混凝土桥梁突然坍塌，引发灾难性的事故。所以，针对预应力混凝土桥梁的疲劳预应力损失的研究是非常有必要的。
其次，在预应力混凝土桥梁大量使用的当下，其中很大一部分已有桥梁已经进入了严重受损的的阶段，相对于拆除、重建而言，对其进行加固是一个不错的选择，达到资源继续利用的同时,还可以降低国家在桥梁方面的费用开支。目前对于预应力混凝土桥梁的使用前加固研究以相对成熟，但关于受损的预应力混凝土桥梁的加固研究资料相对较少。所以，针对受损的预应力混凝土桥梁的加固研究也是非常有必要的。
1.1.3 选题的意义
由于客观因素的作用下，预应力混凝土桥梁中的预应力大量损失，导致已建成的预应力混凝土桥梁出现提早开裂的现象。本论文考虑自然冻融、自然高温及变幅疲劳三大客观因素，研究在其影响下预应力混凝土桥梁的疲劳预应力损失的变化规律。希冀通过本论文的研究成果，可以为季冻区预应力混凝土桥梁的设计及施工提供参考，可以使桥梁结构的预应力损失减小。同时可以避免因自然冻融、自然高温和疲劳效应引起的结构损伤。此外，希冀通过本文的研究成果，即三大客观因素影响下疲劳预应力损失变化规律的量化研究，可以使人们更加具体的认识到自然冻融、自然高温及疲劳三大因素对预应力桥梁中预应力损失的影响。
其次，针对目前很大一部分已有桥梁已经进入了严重受损阶段，为避免拆除重建而造成资源和经济的浪费，加固可达到避免这些现象的出现，通过对受损的预应力混凝土梁的加固研究，可以节约资源的同时也可以为预应力混凝土桥梁加固施工提供理论依据。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 预应力混凝土桥梁的预应力损失研究
2013 年，胡若邻、梁国栋等专家通过分批张拉混凝土管桩的预应力钢束，研究其分批张拉过程中的预应力钢束的预应力损失规律。试验张拉端的每根预应力钢束端部安装一个预应力传感器，通过它来获得分批张拉时的预应力损失。通过试验所得有效预应力曲线图如图 1-1、1-2 所示：

通过曲线对比得出了第二批张拉预应力会对首批的张拉预应力产生影响，造成的预应力损失最大，之后的分批张拉产生的预应力损失变化量基本相同。研究结果说明，预应力钢束的分批张拉会对预应力损失产生影响。
2014 年，秦延召、杨肖肖、张士彩等专家通过 ANSYS 有限元软件模拟和试验研究预应力混凝土简支梁的预应力损失，研究了锚具变形导致的预应力钢筋不同位置处的预应力损失、钢筋回缩导致的预应力钢筋不同位置处的预应力损失和接缝压缩导致的预应力筋不同位置处的预应力损失。
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第 2 章 预应力混凝土简支梁的试验研究

2.1 引言
本试验针对东北地区冬季自然冻融、夏季自然高温及变幅疲劳三个客观因素对于预应力混凝土桥梁的疲劳预应力损失的影响进行研究。分别得出三大因素影响下的疲劳预应力损失拟合公式及拟合曲线，使其具体数量化，为实际工程的设计施工提供依据。本试验制作了 2 根后张法预应力混凝土试验梁，在吉林省长春市的冬季气候温度下将其中 1 根后张法预应力混凝土简支梁试件进行自然冻融循处理。然后对其进行变幅疲劳加载试验。在试验过程中，测量变幅疲劳加载每十万次的预应力筋的预应力损失值，然后与未经自然冻融且在同种加载制度下的试验梁的预应力损失值做对比，并得到预应力损失差值。然后绘制预应力损失差值和变幅疲劳循环次数的关系曲线图并拟合曲线；此外，本试验还制作了 2 根先张法预应力混凝土试验梁，在吉林省长春市的夏季高温条件下将其中 1 根先张法预应力混凝土简支梁试件进行自然高温处理，而将另 1 根先张法试验梁置于室内不作处理。然后对 2 根试验梁进行变幅疲劳加载试验，在试验过程中，测量变幅疲劳加载每十万次的预应力筋的其预应力损失值，然后与未经自然高温且在同种加载制度下的试验梁的预应力损失值做对比，并得到预应力损失差值。然后绘制预应力损失差值和变幅疲劳循环次数的关系曲线图并拟合曲线。
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2.2 试验试件的基本情况
本试验主要是针对预应力混凝土简支梁进行变幅疲劳加载研究，由于受到疲劳加载设备的限制，故采用较小试件进行试验。
2.2.1 试件的基本参数
本试验设计并制作了 4 个预应力混凝凝土试验梁模型(包括后张法试验梁 2 个、先张法试验梁2个)。试验梁模型截面形式均为矩形：宽度为 150mm，高度为 250mm；试验梁模型的长度为 1700mm，支座间长度为 1500mm。混凝土设计强度为 C40，在试验场地人工拌制、浇筑和养护。试验梁模型的受拉区纵向钢筋直径为 12mm，单根试验梁的受拉区纵向钢筋数量为 2 根（配筋率为 0.6%）；试验梁模型的受压区纵向钢筋直径为 10mm，单根试验梁的受压区纵向钢筋数量为 2 根（配筋率为0.314%）；试验梁模型的箍筋直径为 6mm，单根试验梁的双肢箍数量为 10 根,支座和跨中处,相邻双肢箍间距为 150mm；其他部位相邻双肢箍间距为 200mm;预应力筋采用一根 7Ψ5 钢绞线,直径为 15.24mm。试验梁的基本参数及试验梁的基本尺寸及配筋如下:

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第 3 章 预应力混凝土简支梁的有限元分析.................. 35
3.1 引言............ 35
3.2 ABAQUS 有限元软件简介......................... 35
3.2.1 ABAQUS 有限元软件简介.................35
3.2.2 ABAQUS 有限元软件分析步骤................ 36
第 4 章 自然冻融、自然高温和疲劳对预应力混凝土简支梁的疲劳预应力损失的影响研究...................... 52
4.1 引言..................... 52
4.2 变幅疲劳对预应力混凝土梁的疲劳预应力损失的影响................................ 52
第 5 章 碳纤维布（CFPR）加固受损的预应力混凝土简支梁的试验研究............. 59
5.1 引言...................... 59
5.2 试验梁加固材料性能.................... 59

第 6 章 CEPR 加固受损试验梁的有限元分析

6.1 碳纤维布单元
碳纤维布是一种抗拉强度非常高、厚度很薄的弹性材料，在 ABAQUS 软件模拟中采用壳单元。本试验中将两层的碳纤维布加固于试验梁的底部，由于其主要承受的是拉应力，故在有限元模拟时不考虑其他因素对其的影响。
实际试验中，碳纤维布与混凝土表面的连接是通过结构胶来粘贴到一起的。本文有限元模拟中，由于将结构胶定义为一种新材料，在分别与混凝土和碳纤维布连接时，容易错误且不宜收敛，所以本文有限元模拟时直接将碳纤维布与混凝土表面的连接采用绑定连接的方式。
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第 7 章 结论与展望

7.1 结论
7.1.1 季冻区预应力混凝土简支梁的疲劳预应力损失研究
本文通过四根预应力混凝土简支梁（包括两根先张法试验梁和两根后张法试验梁）的变幅疲劳加载试验，研究了在东北地区冬季自然冻融、夏季自然高温及变幅疲劳三种客观因素作用下，预应力混凝土简支梁的疲劳挠度、混凝土疲劳应变、钢筋疲劳应变、钢绞线疲劳应变及裂缝开展等与未经客观因素影响的预应力混凝土简支梁的疲劳挠度、混凝土疲劳应变、钢筋疲劳应变、钢绞线疲劳应变及裂缝开展等进行对比和详细分析；更主要研究了在东北地区冬季自然冻融、夏季自然高温及变幅疲劳三种客观因素作用下，预应力混凝土简支梁的疲劳预应力损失。
根据试验和有限元模拟结果的分析与研究，主要得出了以下几方面的结论：
（1）经自然冻融和自然高温处理的试验梁，在变幅疲劳加载过程中试验梁的开裂荷载均有所降低（P2试验梁实测开裂荷载为36kN,而理论开裂荷载为40 kN）；此外，与未经自然冻融和未经自然高温处理的试验梁相比，其试验梁裂缝的开展、挠度的增长、混凝土疲劳应变的增长、钢筋疲劳应变的增长等的速率明显比较快。
（2）在变幅疲劳因素作用下，预应力混凝土简支梁会发生疲劳预应力损失。疲劳预应力损失与变幅疲劳加载的循环次数的变化规律是在疲劳循环加载初期预应力损失值增长比较明显；加载到一定疲劳循环次数，预应力损失趋于平缓。
参考文献（略）