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哈尔滨碳纤维布，哈尔滨碳纤维布批发，技术支持赵工18021008068
近年来，我国公路交通量和单车荷载快速增长，但老的桥梁设计建设标准偏低，导致大量在役桥梁进入“过载”状态，给桥梁的安全使用带来不利影响。碳纤维布加固是提高桥梁安全程度的重要手段。目前对过载桥梁的碳纤维布加固研究还很不充分，而对卸载之后加固的桥梁研究则更少。由于认识不足，卸载加固的过载桥梁大都参照无预载结构进行加固设计，而后根据经验对计算结果进行调整。这样的简化对加固前受荷较小，桥梁仍处于弹性状态的桥梁可用，但对于已经进入过载状态的桥梁来说，将存在较大的安全隐患。
本文围绕碳纤维布加固(卸载后加固)过载桥梁展开了试验和理论研究。主要的创新点和研究工作如下：
I、在过载桥梁中，补充了卸载加固桥梁的研究。在试验基础上分别对混凝土梁的抗弯加固和抗剪加固展开了研究，认识了加固前荷载对加固效果的影响。为确定碳纤维布加固的适用范围和过载桥梁的加固设计理论提供依据。
2、建立了考虑加固前荷载影响及材料非线性的有限元计算模型。利用试验研究确定了有限元计算模型的可靠性。实现了对结构加载至破坏的全过程受力分析．
3、成功地将研究成果和有限元模型应用于实桥。结合静载试验、已知的荷载历史估算了加固前桥梁的荷载。实现了考虑加载历史、空间效应和材料非线性的桥梁结构受力分析，而非局部分析或构件分析。对加固后桥梁计算了多级荷载下的受力，根据受力和变形情况评估了桥梁的安全状况。
第1章绪论
1．1课题研究意义
截止到2006年底，据不完全统计，全国拥有务类桥梁约五十万座。约六成分布在技术标准低、链力差的公路上。近些年来，箍麓经济捩速发袋，耩粱受到的单车荷载和交道总流量都在迅速增加，导致许多桥梁所受到的荷载已缎超出了预期，避入“过载”状态。这批过载桥梁需要进一步提高承载能力，以应对快速增长豹交逶压力。
因为碳纤维布具有商比强度(强度与熏量比)、良好的耐久性、旌工操作便撬移黠跟蠢结搀羧凌小等突出爨蠡，所瑷在辏梁攘霪上黪嶷露程攘广。假是碳纤维布在推广应用时也遭遇了瓶颈：虽然碳纤维_布对桥梁承载力的提高体尾显著鼬，整楚碳纾缭布在爰常使雳酴段应力较低，隧潜结构变形的增加才能屐现，所以利用效率难以提高。
为提离使用阶段碳纤维布的威力承平，提高谈绥维布加西的效率，撬倡在擞圈前对结构实撩卸载⋯¨。
另外，还可以通过对碳纡维布施加颟应力来提高碳纤维布的应力水平。盍日果将施加给碳纤维的预_陂力视为外力，则被加固结构搬穗当予帮载翔辫。困毖，从碳纤维毒寒来应蹋豹发展方自霉，加固兹实施了卸载的桥梁加固的研究显得越来越重要。
综合以上获鼋,本文将赞对凝绎维蠢翔霉遭载揆粱惩震努磅突文章提到的“过载桥梁”都是指加固施工时卸除原桥作用荷载的桥梁。
西前对过载轿梁的酸纤维衣翱匿瞬究还穰不充分。在碳纤维抗剪加嬲混凝土梁设计时，没有考虑加固前的作用荷载对加固效果的影响。造成这种现状的原阂主要麓：一般认为桥梁卸载后，裂缝大部分自动“愈会”，被加固结构基本上缝子弹惶状态，嚣鼗都将茭视为没有预加载的“究好”缩构来加固。但搴实上，许多桥梁所受的实际荷载远大于当初的设计荷载，桥经逮载，它翻在辍强孵再氇零是弹瞧状态。这些蘩载激然在热强怼被郄去，假它们对结构的刚度降低和预裂缝等作用已经不能忽略。为方便，这些加嗣时被卸去的荷载称为“曾加荷载”．
由于没有正确考虑曾加荷载产生的“初始”影响，现阶段在碳纤维布加固使用上还有一定的盲目性。例如在确定碳纤维布加固的适用范围时，工程人员除了从桥梁的使用环境等因素考虑外，很少考虑曾加荷载对碳纤维布的效用影响。其实，碳纤维布加固结构显然应有一个合理的曾加荷载的上限，超过此范围，加固将不起作用或作用很小。但至今为止对此问题都没有明确解释说明。在实际操作中，对于桥梁是否适用碳纤维布加固的问题，基本上都是工程人员凭经验来判断，缺乏相应的理论评价依据。这一来，将导致碳纤维布的盲目应用以及浪费。
从上可见，过载桥梁的碳纤维布加固不能套用“完好”结构的加固设计方法，也不能仅凭经验对碳纤维布加固的实用性和有效性作出判断。必须针对卸载加固的过载桥梁开展基础性的试验研究。
迄今为止，在碳纤维布加固旧桥的受力分析或安全性能评定上，还没有形成一个完整的、可考虑曾加荷载的初始效应、空间效应的材料非线性性能的理论计算方法。现有的文献资料主要针对构件，按初等梁理论来计算加固后的承载力，对碳纤维布加固旧桥的设计计算仍处于经验为主导的阶段．这些简化做法对于构件或曾加荷载较小的桥梁分析比较有效，但用在过载桥梁的结构受力分析上就显得过于粗糙。并且难以考虑曾加荷载的影响。本文的试验和理论研究工作为填补桥梁加固设计、桥梁受力性能分析评价方面的缺陷有重大的理论应用价值。
1．2研究现状
近十年来，在碳纤维布加固混凝土梁上开展了许多基础研究些国家也出版了碳纤维加固混凝土结构的相关规范。这些文献资料在碳纤维布加固混凝土梁的破坏形态和破坏机理、极限承载力和刚度进行了大量研究，并得到了相应的计算公式和设计方法。虽然过载桥梁在需加固桥梁中占的比例很大，但目前还缺乏针对性的研究，它的理论研究远远落后于工程实践。以下将总结前人在CFS加固混凝土结构上的研究成果。
1．2．1承载力计算方法
旧桥加固中比较常见的有主梁的抗弯承载力和抗剪承载力加固。本文研究的加固类型即是这两类。以下分别介绍CFS的抗剪加固和抗弯加固。
1．2．1．1抗弯加固后承载力计算
承载力的求解与破坏形态紧密相关。抗弯加固后，混凝土梁的破坏形态有以下分类。
碳纤维抗弯加固后梁的破坏形态可分两类：非剥离破坏和剥离破坏，以下分类介绍：
1)非剥离破坏的承载力计算研究
发生这种破坏形态时，CFS与混凝土之间粘结良好，一般将CFS的抗弯加固作用类比于钢筋计算。
计算承载力的方法和假定与混凝土梁抗弯承载力基本相同。各文献资料，对于不能完全卸载时的混凝土梁的抗弯承载力计算方．去基本相同，简述如下：
①求解加固时作用在结构上的荷载所造成的混凝土梁受拉边缘混凝土初始应变占。；
②根据平截面假定求解碳纤维应变，并减去毛：(因初始应变导致的碳纤维的应力水平将下降，是CFS应用效率低下的重要原因之一)
③代入正截面承载力计算方程组求解碳纤维布的设计用量。
下面以我国规范叫为例简要说明。规范在计算加固后承载力时采取了平截面假定、CFS直至破坏都保持线弹性、混凝土受拉能力忽略等假定。规范认为剥离破坏由CFS的应变g矿决定，为防止剥离破坏，限定占矿小于允许拉应变；对不能完全卸载的加固，根据加固时的荷载，按平截面假定求加固前受拉边缘混凝土初始应变g。．承载力按破坏形态分类求解：
对于加固前作用在结构上荷载，因加固时被卸载而不考虑它所产生的影响。即认为无论加固前的荷载大或小，只要结构卸载，则都可以按照加固前无荷载作用的完好结构来设计计算，这显然是有问题的。这种作法默认卸载加固的过载桥梁的加固效果与完好桥梁的相同。这种对过载桥梁的简单处理是不正确的。
2)发生剥离破坏时的承载力计算研究
碳纤维布抗弯加固后的剥离破坏主要有两种，一种是CFS端部集中应力引起了CFS的剥离，另一种是裂缝处的应力集中导致的CFS剥离破坏。剥离破坏的脆性很大，破坏时也很突然。剥离破坏的发生与界面(CFS与混凝土之间)的应力状况和粘结强度紧密相关。
端部剥离的相关研究已经有滕锦光等人【1-61做了详细的总结归纳。一般认为CFS片材端部应力集中剥离是由于CFS片材截断导致截断截面受弯刚度不连续，形成应力集中而引起的，CFS刚度越大，越容易发生。这种剥离形式在粘钢加固研究中已经有了深入研究，比较成熟。裂缝引发的剥离破坏研，相比于端部剥离破坏要复杂很多。主要需解决裂缝引发破坏的机理和界面应力求解问题。这其中涉及到粘结．滑移模型、试验测量CFS和混凝土界面的应力、界面的粘结强度等难点问题。到目前为止，在裂缝引发的剥离破坏研究上，还没有被一致认可的研究结果。
虽然剥离破坏的机理和承载力计算研究还不成熟，但是因为剥离破坏导致CFS材料未能充分发挥强度，破坏非常突然，脆性很大。因此，在加固设计应尽量避免出现这种破坏类型。对于剥离破坏，可采取在CFS端部增加压条或锚固设旌和预先在混凝土裂缝处打入环氧树脂来封闭裂缝等办法。实践证明这些方法非常有效。本文试验将采取相应手段来避免剥离破坏的发生，理论计算时对剥离破坏不做考虑，认为CFS与混凝土之间枯结良好．
1．2．1．2抗剪加固后承载力计算
CFS抗剪加固混凝土梁的办法有多种。
可仅在梁两侧面粘贴CFS，也在梁两侧和受拉面u形粘贴CFS，或者沿整个梁截面封闭缠绕CFS。既可以采用CFS条带间隔粘贴也可以采用CFS纤维布连续满贴。由于CFS材料仅沿纤维方向具有强度，可沿最有利于控制剪切裂缝的方向布爱纤维。考虑到施工方便和构件受力的特性，又可以将纤维以45度或135度角进行粘贴。为了加强锚固措施，在CFS的自由端可附加锚固措施。
所分大类的承载力计算研究总结如下：
1)弯曲破坏时的极限承载力当混凝土梁因为抗剪加固后剪切承载力的提高，而转变为发生弯曲破坏。此时的承载力由梁的弯曲承载力决定。现有的文献资料基本都认为梁的抗剪加固碳纤维布对梁的抗弯承载力没有影响。因此，梁的承载力按照混凝土梁的抗弯承载力计算方法H-361来求解。
2)剪切破坏时的极限承载力
导致剪切破坏的具体原因不同，破坏时的表现形式也各不相同。按剥离与否分两类。CFS加固混凝士构件受剪承载力的计算模型，一般是在钢筋混凝士构件计算模型的基础上，增加CFS对抗剪承载力贡献项，并假定CFS对原有的钢筋和混凝土的抗剪贡献没有影响。相对来说，发生CFS拉断的剪切破坏类型时，因不发生粘结破坏，碳纤维布的剪力贡献主要决定于CFS的极限拉应变。
剪切导致的剥离破坏时承载力的求解非常复杂，主要涉及两个问题：一个是斜裂缝处的CFS应力分布；另一个是剥离破坏发生的判据，这与CFS和混凝土界面的粘结强度相关。前者主要和粘贴方式以及斜裂缝开展宽度有关，后者主要和有效锚固长度以及混凝土强度有关。对这两个问题的正确认识是建立合理抗剪剥离承载力计算公式的基础。从CFS的应力分布来看，主要受裂缝宽度和粘贴方式影响。从界面粘结行为来看，主要与混凝土强度和粘结锚固长度有关。由于试验方案和数据量测的困难，在现有的计算公式中，多数基于参数回归阃接给出CFS的抗剪贡献与混凝土强度和有效锚固长度的关系。陆新征在受剪破坏的内在机理上建立了抗剪承载力的计算公式。但仍需要大量试验对破坏发生的机理和数据进行分析整理。从上综述可见，在抗剪加固后的结构设计计算时，对加固前的荷载影响根本不作考虑，完全把过载桥梁视为无预载的完好结构来设计。
1．2．2曾加荷载引起的初始效应模拟
通过1．1节的定义，曾加荷载指的是加固前曾经作用在结构上，但是加固时卸去的荷载。对它所产生的影响，到目前为止，研究的还比较片面。对于加固前有荷载作用结构的CFS加固已经有了一些试验研究。但是，试验研究的预加荷载毕竟变化范围较小，而且文献资料基本上都是针对加固时不卸载的持载结构，对于卸载结构试验研究资料到目前为止还未查到。
但是随曾加荷载值的增加，它所产生的初始效应对结构加固效果的影响越来越大，虽然加固时卸载、并且裂缝也进行了处理，但是它所造成的影响随着它的数值增加越来越不可忽略。因此，对于“过载”桥梁加固后受力性能分析，必须要考虑曾加荷载的初始效应。
曾加荷载在混凝土结构中引起的初始效应有：预裂缝和结构刚度减小。迄今为止，对荷载初始效应的模拟的相关研究较少，也比较浅。对于持载结构来说也仅限于考虑加固前的荷载在结构上引起的初始应变.为此，本文将对曾加荷载引起的初始效应进行研究分析，找到合理、有效的模拟方法。
1．2．3过载桥梁加固后的受力安全性能分析
目前公路行业广泛应用的对于旧桥的安全性能(剩余承载力)的评定方法是我国交通部在1988年颁布的《公路旧桥承载能力鉴定办法》。该方法主要是基于荷载试验评定方法，对旧桥承载能力的检算基本上按现行公路桥梁设计规范进行，并根据桥梁的调查、检算及荷载试验情况，采用旧桥检算系数zt、z2对计算结果进行适当修正。这种方法的问题是它主要针对构件，在检算系数的确定上以经验为主。
以上的评定方法结合了荷载试验、现场调查来评定旧桥的剩余承载力。但到目前为止，对于CFS加固后的过载桥梁的安全评定还没有系统的理论研究。在过载桥梁加固设计和受力分析时仍延用了初等梁理论。初等梁理论的做法对于构件分析比较有效，但用在桥梁结构总体受力分析上就过于粗糙。也难以考虑曾加荷载的影响。
有限元分析可以解决以上分析方法带来的问题。它在结构的空闻分析上和曾加荷载的考虑上具有明显的优点。过载桥梁的有限元分析首先要准确反映曾加荷载的作用效应，需解决两个问题：一是合理估算曾加荷载；二是正确考虑曾加荷载产生的初始效应影响；面对第一个问题，现阶段也比较棘手，对于曾加荷载估计，涉及到荷载分布和荷载数值两方面。而目前，除非是特大型桥梁，一般桥梁都没有相关的荷载历史
资料；面对第二个问题，需要编制程序，实现曾加荷载初始效应在加固后桥梁上的模拟。
目前对桥梁进行结构受力安全评估计算时，还需要考虑到钢筋混凝土材料的非线性性能。材料非线性从有限元算法上已经比较成熟，主要的问题是复杂应力状态下的混凝土的本构关系实验研究得还不够充分。
在有限元建模时，由于单元划分和节点连接问题，目前的大型桥梁有限元分析无法真实模拟钢筋的布置情况。另外，对于有空心的主梁在有限元分析时容易因单元划分困难导致单元数和节点数的巨大，以致计算效率极低，甚至无法完成。为解决这些问题，本文将采取一种特殊的层合单元进行加固后桥梁的有限元空间分析。
1．3本文主要的研究内容
本文将在试验研究的基础上，对加固时卸载的过载桥梁的CFS加固性能展开系统全面的研究。并以一座桥梁的加固工程为背景，建立合理有效的考虑曾加荷载初始效应、空间效应和材料非线性的有限元分析模型，对桥梁的安全受力性能进行评估。主要内容如下：
(1)实施卸载加固的过载桥梁在理论研究方面远远落后于它的实践应用。
本文通过试验对其展开基础研究，认识了曾加荷载对混凝土结构在受力、破坏形态和加固效果等方面的影响。
(2)建立了考虑材料非线性、真实模拟钢筋混凝土梁的有限元模型．并在程序上实现了曾加荷载效应在加固后结构上的施加。实现了加载全过程的受力分析。通过计算数据与试验数据的比对，验证了有限元模型和程序的正确性。
(3)为全面了解曾加荷载、加固方式和加固量对加固效果的影响，利用本文有限元模型计算了更大范围内以上参数变化时的结构受力情况。从而获得了碳纤维布能有效作用的曾加荷载、加固方式和加固量的变化范围。避免了在过载桥梁上加固的盲目性，从而提高碳纤维布加固的效率。
(4)现有的碳纤维布加固桥梁设计方法简化较多，且多针对构件。本文将曾加荷载效应、材料非线性等因素考虑在内，利用本文的有限单元模型对一座旧桥在加固前、后的受力状况进行了有限元分析，并在此础上对桥梁在加固后的受力安全状况做出了评估。
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