一种基于力筋应力测试结果的混凝土桥梁加固设计方法与流程

本发明属于桥梁结构工程技术领域，具体来说，涉及到一种基于力筋应力测试结果的混凝土桥梁加固设计方法。

背景技术：

随着桥梁运营时间的增加、交通量的不断增长、车辆载重的提高、桥梁损伤的累积，以及材料性能的恶化，桥梁的承载能力也会随之降低，为了保证道路桥梁运输的安全，需要对在役桥梁进行加固处理。目前常用的桥梁加固方法有：增大截面法、粘贴钢板法、粘贴纤维复合材料加固法、体外预应力加固法和改变结构体系法等。由于被动加固中新加固材料是在原结构材料已经受力后才开始持力的，因此加固设计中必须考虑结构材料分阶段受力的特点。

然而，由于目前有关在役桥梁损伤后结构的抗弯刚度诊断技术还处于起步阶段，对在役桥梁纵桥向抗弯刚度还无法做到准确识别，对于被加固结构、特别是预应力混凝土结构控制截面受压区混凝土及受拉区力筋和钢绞线的实际受力状态，还很难建立可靠的数学力学模型。现阶段《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T J22-2008)第5.2.6条中，仅对钢筋混凝土结构，建立了明确的有关原结构开裂后受压区混凝土和受拉区力筋应力状态的计算模型，而对于预应力混凝土结构，规范中并没有明确的计算方法。另外，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)第4.2.1条有关挠度验算中，对允许开裂的构件，结构的抗弯刚度可采用0.8ECI，不允许开裂的构件可采用ECI。但对于结构纵桥向不同位置损伤程度不同的构件的实际抗弯刚度如何取值未作明确规定，因此损伤后各单元实际的内力大小也无法求得，结构受压区混凝土和受拉区力筋的应力状态也无法计算，所以加固设计时分阶段受力是无法考虑的。

可见，如何针对我国旧桥维修和加固技术的发展现状，考虑结构分阶段受力的特点，制定合理的加固方法，已成为摆在广大桥梁工程者面前迫切需要解决的重大技术难题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种结果准确可靠的基于力筋应力测试结果的混凝土桥梁加固设计方法。

本发明所述的一种基于力筋应力测试结果的混凝土桥梁加固设计方法，所述加固设计方法具体为：

1)首先对待加固桥梁进行承载能力检算，如果待加固桥梁控制截面的承载能力不满足设计及规范要求，则需要对该桥进行加固处理；

2)选用测试系统，所采用的测试系统包括钢绞线2、表面应变计3、保护层混凝土凿除区4、应力释放点5、数据采集仪6和切割机7；

3)安装测试系统，所述钢绞线2包裹在保护层混凝土凿除区4中；将受拉区待测钢绞线2的保护层混凝土、波纹管及浆体凿除，凿除宽度和深度以露出钢绞线2为准，长度为25-30cm，并将钢绞线2表面混凝土清除干净，形成保护层混凝土凿除区4；在已经凿除波纹管和浆体的钢绞线2的一股钢丝上顺钢丝轴向粘贴表面应变计3，沿该根钢绞线2的轴线方向依次数到第n-1根，n为钢绞线股数，找出同股钢丝，将该点作为应力释放点5进行切割，记录力筋应变释放结果，并对测试过程中的测试误差进行修正处理；所述数据采集仪6通过导线连接在表面应变计3上；所述切割机7在应力释放点5处将待测钢丝切断；

4)根据平截面假定原则，利用力筋应变释放结果推求外粘贴高强度纤维材料的设计抗拉强度；

5)根据外粘贴高强度纤维材料的设计抗拉强度，估算后加固外粘贴高强度纤维材料面积，并结合粘贴处结构构造尺寸，合理设计后加固材料截面尺寸，该设计截面积大于等于估算面积，然后重新计算加固后桥梁控制截面的特征，并对控制截面的承载能力进行复核；

6)在待加固桥梁受拉区粘贴高强度纤维材料，并在主梁和外粘贴加固材料之间抹环氧树脂胶。

本发明所述的一种基于力筋应力测试结果的混凝土桥梁加固设计方法，所述表面应变计3为金属表面应变计或钢筋表面应变计。

本发明所述的一种基于力筋应力测试结果的混凝土桥梁加固设计方法，所述钢绞线股数n为7股。

本发明所述的一种基于力筋应力测试结果的混凝土桥梁加固设计方法，所述高强度纤维材料为钢板、碳纤维布或碳纤维板。

本发明所述的一种基于力筋应力测试结果的混凝土桥梁加固设计方法，所述步骤1)中截面的承载能力的计算方法具体为：

①当混凝土受压区高度x≤h_f'时，其截面的承载力应按下列公式计算：

混凝土受压区高度应按下列公式确定：

f_cd1×b_f′×x＝f_sd1×A_s1-f'_sd1×A'_s1+E_s2×ε_s2×A_s2 (1-2)

σ_s2＝E_s2×ε_s2≤f_sd2 (1-3)

混凝土受压区高度没应符合下列条件：

2×a'_s≤x≤ξ_b×h₀ (1-4)

式中：γ₀——桥梁结构重要性系数，按照现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定采用；M_d——第二阶段弯矩给合设计值；f_cd1——原构件混凝土轴心抗压强度设计值，可根据现场检测强度推算值按照现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的有关规定确定；x——等效矩形应力图形的混凝土受压区高度，简称混凝土受压区高度，x₀₁为加固前混凝土受压区高度；x₀₂为加固后混凝土受压区高度；b、h——分别为原构件截面宽度和高度；f_sd1、f'_sd1——分别为原构件纵向力筋的抗拉强度设计值和抗压强度设计值；f_sd2、f'_sd2——分别为后粘贴加固材料的抗拉强度设计值和抗压强度设计值；E_s2——加固材料的弹性模量；ε_s2——构件达到承载能力极限状态时，加固材料的拉应变；A_s2——加固材料的截面面积；A_s1、A'_s1——分别为原构件受拉区和受压区纵向力筋的截面面积；A_s2、A'_s2——分别为主梁受拉区和受压区纵向后粘贴加固材料的截面面积；a_s、a'_s——受拉区、受压区纵向力筋合力点至受拉区边缘、受压区边缘的距离；a_s1、a'_s1——原构件受拉区、受压区纵向力筋合力点至受拉区边缘、受压区边缘的距离；a_s2、a'_s2——加固后主梁受拉区、受压区纵向力筋合力点至受拉区边缘、受压区边缘的距离；h₀——构件截面受拉区力筋合力作用点至截面上缘距离；h₀₁——加固前构件截面受拉区力筋合力作用点至截面上缘距离，h₀₁＝h-α_s；h₀₂——加固后构件截面受拉区力筋合力作用点至截面上缘距离，ξ_b——正截面相对界限受压区高度，按原构件混凝土和受拉力筋强度级别，按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的有关规定选用。

当x＜2a'_s1时，正截面抗弯承载力按下列公式计算：

γ₀×M_d≤f_sd1×A_s1×(h₀-a'_s)+E_s2×ε_s2×A_s2×(h-a'_s) (1-5)

式中各项符号意义见式(1-1)～(1-4)；

②当混凝土受压区高度x＞h_f'时，其截面的承载力应按下列公式计算：

混凝土受压区高度应按下式计算，并应满足式(1-4)的要求：

f_cd1×b×x+f_cd1×(b_f'-b)×h_f'＝f_sd1×A_s1+E_s2×ε_s2×A_s2 (1-7)

式中：h_f′——T形截面受压翼缘厚度；b_f′——T形截面受压翼缘的有效宽度，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的有关规定采用；其他符号意义见式(1-1)～(1-4)；

其中，后粘贴加固材料的拉应变ε_s2按下列公式计算：

式中：ε_cu——混凝土极限压应变，当混凝土强度等级为C50及C50以下时，取ε_cu＝0.0033；β——截面受压区矩形应力图高度与实际受压区高度的比值，当混凝土强度等级为C50及C50以下时，取β＝0.8；h₀——原构件截面有效高度，为原构件受拉区纵向力筋A_s1合力点至截面受压区边缘距离；ε_s1——在先期荷载作用下，原构件截面下缘受拉钢绞线的应变释放结果；x₀₁——加固前原构件开裂截面换算截面的混凝土受压区高度；其它符号意义见(1-1)～(1-4)。

与现有加固设计方法相比，本发明所述的基于力筋应力测试结果的预应力混凝土桥梁抗弯承载力加固设计方法，能够真正考虑旧桥加固工程中新旧材料分阶段受力的特点，根据主梁原有力筋测试结果推算出来的后加固材料设计抗拉强度能够反映结构真实的受力状态，所推算出来的加固材料计算面积结果准确可靠，适用于已经开裂及损伤的预应力混凝土桥梁抗弯承载能力加固设计。

附图说明

图1：桥梁抗弯承载力加固示意图；图2：测试系统示意图；图3：第一类T型截面受力示意图；图4：第二类T型截面受力示意图；图5：主梁截面加固前后新旧材料受力示意图；图6：实施例1实际T型截面受力示意图；桥梁-1、钢绞线-2、表面应变计-3、保护层混凝土凿除区-4、应力释放点-5、数据采集仪-6、切割机-7。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明所述的于力筋应力测试结果的混凝土桥梁加固设计方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

一种基于力筋应力测试结果的混凝土桥梁加固设计方法，所述加固设计方法具体为：

1)首先对待加固桥梁进行承载能力检算，如果待加固桥梁控制截面的承载能力不满足设计及规范要求，则需要对该桥进行加固处理；

2)选用测试系统，所采用的测试系统包括钢绞线2、表面应变计3、保护层混凝土凿除区4、应力释放点5、数据采集仪6和切割机7；

3)安装测试系统，所述钢绞线2包裹在保护层混凝土凿除区4中；将受拉区待测钢绞线2的保护层混凝土、波纹管及浆体凿除，凿除宽度和深度以露出钢绞线2为准，长度为25-30cm，并将钢绞线2表面混凝土清除干净，形成保护层混凝土凿除区4；在已经凿除波纹管和浆体的钢绞线2的一股钢丝上顺钢丝轴向粘贴表面应变计3，沿该根钢绞线2的轴线方向依次数到第n-1根，n为钢绞线股数，找出同股钢丝，将该点作为应力释放点5进行切割，记录力筋应变释放结果，并对测试过程中的测试误差进行修正处理；所述数据采集仪6通过导线连接在表面应变计3上；所述切割机7在应力释放点5处将待测钢丝切断；所述表面应变计3为金属表面应变计或钢筋表面应变计；所述钢绞线股数n为7股；

4)根据平截面假定原则，利用力筋应变释放结果推求外粘贴高强度纤维材料的设计抗拉强度；

5)根据外粘贴高强度纤维材料的设计抗拉强度，估算后加固外粘贴高强度纤维材料面积，并结合粘贴处结构构造尺寸，合理设计后加固材料截面尺寸，该设计截面积大于等于估算面积，然后重新计算加固后桥梁控制截面的特征，并对控制截面的承载能力进行复核；

6)在待加固桥梁受拉区粘贴高强度纤维材料，并在主梁和外粘贴加固材料之间抹环氧树脂胶。

力筋应变释放结果须考虑力筋保护层混凝土凿除尺寸及测试过程中偏轴效应的影响；外粘贴高强度纤维材料的设计抗拉强度须根据主梁原有钢绞线应变释放结果，并结合平截面假定原则推算而来；外粘贴高强度纤维材料的面积须根据推算出来的设计抗拉强度，并结合结构作用效应推算而来。

本发明所述的一种基于力筋应力测试结果的混凝土桥梁加固设计方法，所述步骤1)截面的承载能力的计算方法具体为：

①当混凝土受压区高度x≤h_f'时，为第一类T型截面，其正截面承载力应按下列公式计算：

混凝土受压区高度应按下列公式确定：

f_cd1×b_f′×x＝f_sd1×A_s1-f'_sd1×A'_s1+E_s2×ε_s2×A_s2 (1-2)

σ_s2＝E_s2×ε_s2≤f_sd2 (1-3)

混凝土受压区高度没应符合下列条件：

2×a'_s≤x≤ξ_b×h₀ (1-4)

式中：γ₀——桥梁结构重要性系数，按照现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定采用；M_d——第二阶段弯矩给合设计值；f_cd1——原构件混凝土轴心抗压强度设计值，可根据现场检测强度推算值按照现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的有关规定确定；x——等效矩形应力图形的混凝土受压区高度，简称混凝土受压区高度，x₀₁为加固前混凝土受压区高度；x₀₂为加固后混凝土受压区高度；b、h——分别为原构件截面宽度和高度；f_sd1、f'_sd1——分别为原构件纵向力筋的抗拉强度设计值和抗压强度设计值；f_sd2、f'_sd2——分别为后粘贴加固材料的抗拉强度设计值和抗压强度设计值；E_s2——加固材料的弹性模量；ε_s2——构件达到承载能力极限状态时，加固材料的拉应变；A_s2——加固材料的截面面积；A_s1、A'_s1——分别为原构件受拉区和受压区纵向力筋的截面面积；A_s2、A'_s2——分别为主梁受拉区和受压区纵向后粘贴加固材料的截面面积；a_s、a'_s——受拉区、受压区纵向力筋合力点至受拉区边缘、受压区边缘的距离；a_s1、a'_s1——原构件受拉区、受压区纵向力筋合力点至受拉区边缘、受压区边缘的距离；a_s2、a'_s2——加固后主梁受拉区、受压区纵向力筋合力点至受拉区边缘、受压区边缘的距离；h₀——构件截面受拉区力筋合力作用点至截面上缘距离；h₀₁——加固前构件截面受拉区力筋合力作用点至截面上缘距离，h₀₁＝h-α_s；h₀₂——加固后构件截面受拉区力筋合力作用点至截面上缘距离，ξ_b——正截面相对界限受压区高度，按原构件混凝土和受拉力筋强度级别，按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的有关规定选用。

当x＜2a'_s1时，正截面抗弯承载力按下列公式计算：

γ₀×M_d≤f_sd1×A_s1×(h₀-a'_s)+E_s2×ε_s2×A_s2×(h-a'_s) (1-5)

式中各项符号意义见式(1-1)～(1-4)。

②当混凝土受压区高度x＞h_f'时，为第二类T型截面，其正截面承载力应按下列公式计算：

混凝土受压区高度应按下式计算，并应满足式(1-4)的要求：

f_cd1×b×x+f_cd1×(b_f'-b)×h_f'＝f_sd1×A_s1+E_s2×ε_s2×A_s2 (1-7)

式中：h_f′——T形截面受压翼缘厚度；b_f′——T形截面受压翼缘的有效宽度，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的有关规定采用；其他符号意义见式(1-1)～(1-4)；

其中，后粘贴加固材料的拉应变ε_s2按下列公式计算：

式中：ε_cu——混凝土极限压应变，当混凝土强度等级为C50及C50以下时，取ε_cu＝0.0033；β——截面受压区矩形应力图高度与实际受压区高度的比值，当混凝土强度等级为C50及C50以下时，取β＝0.8；h₀——原构件截面有效高度，为原构件受拉区纵向力筋A_s1合力点至截面受压区边缘距离；ε_s1——在先期荷载作用下，原构件截面下缘受拉钢绞线的应变释放结果；x₀₁——加固前原构件开裂截面换算截面的混凝土受压区高度；其它符号意义见(1-1)～(1-4)。

以某预应力混凝土T梁提载加固为例，跨径L＝30m，计算跨径L_j＝29.2m，原设计等级为公路II级，一期恒载M_d1＝2958.2kN·m，M_j＝5934.5kN·m，下缘配置3束6Φ^j15.24钢绞线。加固方案拟采用下缘粘贴钢板加固法。截面尺寸及配筋如图6。采用上述加固设计方法进行加固设计，所述方法具体步骤为：

1)验算原梁承载能力：

由上图可知，该梁截面有效高度

H₀＝h-a_s＝1800-100＝1700mm

f_cd1×b_f′×x＝f_s1×A_s1

x＝f_s1×A_s1/(f_cd1×b_f′)

＝1260×2520/(22.4×2200)

＝64.4mm<h_f＝180mm，即第一类T型截面。

M_d＝f_cd1×b_f′×x(h₀-x/2)

＝22.4×2200×64.4×(1700-64.4/2)

＝5293.0KN·m<M_j＝5934.5kN·m。

该梁截承载能力不满足设计要求，拟采取在梁底粘贴钢板加固。

2)首先将受拉区待测钢绞线的保护层混凝土、波纹管及浆体凿除，其实际凿除宽度和深度以露出钢绞线为准，长度约25-30cm，并将钢绞线表面混凝土清除干净；

3)在已经凿除波纹管和浆体的一股钢丝上顺钢丝轴向粘贴应变片，沿该根钢绞线轴线方向依次数到第n-1根(测点处钢丝除外)，将该点作为释放点进行切割，并记录力筋应变释放结果；

经实际桥梁现场测量，下缘钢绞线现存应变测试结果为5662με，钢绞线保护层混凝土凿除尺寸为10×30×12cm，经Ansys细部分析，该部分混凝土凿除对箱梁下缘待测钢绞线应力影响修正后为5765με，对于本例中所使用的7股一根的钢绞线，偏轴修正系数为1.06，经偏轴效应修正后原梁测试力筋实测应变为6111με。

4)粘贴钢板截面积估算

根据拟在梁底粘贴钢板的加固设计方案，由于加固后主梁原有力筋和加固后钢板合力作用点将向下偏移，即加固后截面有效高度h₀₁略大于h₀，假定h₀₁＝1710mm。

则根据截面受力平衡条件，r₀M_j≤f_cd1×b_f′×x(h₀₁-x/2)

假定r₀M_j＝f_cd1×b_f′×x(h₀₁-x/2)，则：

1.0×5934.5×10⁶＝22.4×2200×x×(1710-x/2)

解得x₁＝3348.06mm

x₂＝71.94mm

由于x₁大于梁高，仅在数学上有意义，舍，取x₀₁＝71.94mm。

根据平截面假定，由下图可知后粘贴钢板设计抗拉应变增量，

ε_s2＝ε_cu(βh₀₂-x)/x-ε_s1(h₀₂-x₁)/(h₀₁-x₁)

＝0.0033×(0.8×1710-71.94)/71.94-0.006111×(1710-64.4)(1700-64.4)

＝0.053302

σ_s2＝ε_s2×E_s2＝0.053302×2.0×10⁵＝10660.4Mpa>280Mpa，

取σ_s2为280Mpa。

f_cd1×b_f′×x＝f_s1A _s1+σ_s2×A_s2

A_s2＝(f_cd1×b_f′×x-f_s1A _s1)/σ_s2

＝(22.4×2200×71.94-1260×2520)/280＝1321.44mm²

按梁底全宽范围内粘贴钢板宽为400mm，即按后粘贴钢板宽度b_s2＝400mm计算，钢板厚度t为：

t_S2＝A_s2/b_s2＝1321.44/400＝3.3mm，

为了安全起见，取实际粘贴钢板厚度t_S2＝5mm，实际粘贴钢板宽度b_s2＝400mm，则梁底实际粘贴钢板面积A_s2＝t_S2×b_s2＝5×400＝2000mm²

5)加固梁主梁截面抗弯承载能力复核

根据最后选定的钢板尺寸，重新计算钢板及原梁力筋合力作用点至原梁上缘距离，

h₀₂＝(f_s1A _s1a _s1+f_s2A_s2a_s2)/(f _s1A _s1+f_s2A_s2)

＝(1260×2520×(1800-100)+2000×280×(1800+5/2)/(1260×2520+2000×280)

＝1715.4mm

f_cd1×b_f′×x＝f_s1A _s1+f_s2A_s2

x＝(f_s1A _s1+f_s2A_s2)/(f_cd1×b_f′)

＝(1260×2520+280×2000)/(22.4×2200)

＝75.8mm

M_d＝f_cd1×b_f′×x(h₀₂-x₀₂/2)

＝22.4×2200×75.8×(1715.4-75.8/2)

＝6266.2kN·m>M_j＝5934.5kN·m，

计算结果表明，加固后结构正截面抗弯承载能力满足设计要求。

根据受拉区待加固钢板计算面积，采用先钻孔再挂钢板，最后在主梁和外粘贴加固材料之间抹环氧树脂胶。整个加固过程桥梁禁止车辆通行。

与现有加固设计方法相比，本发明所述的基于力筋应力测试结果的预应力混凝土桥梁抗弯承载力加固设计方法，能够真正考虑旧桥加固工程中新旧材料分阶段受力的特点，根据主梁原有力筋测试结果推算出来的后加固材料设计抗拉强度能够反映结构真实的受力状态，所推算出来的加固材料计算面积结果准确可靠，适用于已经开裂及损伤的预应力混凝土桥梁抗弯承载能力加固设计。