钢板_混凝土组合在钢筋混凝土梁加固中的应用_聂建国
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定 , 但应尽可能靠近支座 。
4 加固效果计算分析 由于在对混凝土桥梁进行组合加固时采用了使
新老混凝土共同工作的措施 , 在进行加固效果分析 时 , 可以假设加固后梁是一个整体 。若加固时桥梁 能够做到完全卸载 , 则加固后梁截面承载力计算可 以参考文献[ 5] 的方法进行 。 但在对一般桥梁加固 施工时 , 构件所承受的恒载及部分活载仍然存在 , 所 以为部分卸载加固 , 属于二次受力问题 , 此时 , 加固 材料同原构件相比存在应变滞后现象 。 若不考虑二 次受力问题 , 可能会造成设计偏于不安全 。
以下介绍钢板 -混凝土组合加固技术在 3 座桥 梁中的实际工程应用 。
2 工程概况及加固方法的确定 2 .1 工程概况 2 .1 .1 北京某立交桥
该桥纵向为 4 跨预应力钢筋混凝土变截面梁 , 两边跨跨度为 18 m , 边跨跨中设有 1 道横隔梁 , 梁 宽为 250 m m 。桥边跨外侧主梁遭到不同程度的撞 击 。 边跨预应 力钢筋混凝土梁 侧面有明显的 斜裂 缝 , 且桥面悬伸部分与外侧主梁连接处有明显的纵 向通缝 。
在计算二次受力下最大加固量时 , 首先要计算 原梁在初始弯矩 M0 作用下截面的初始应变 , 其中 , 受拉边缘的初始应变 εb0 即为加固部分的滞后应变 , 可参考文献[ 6] 计算 。
加固后受压混凝土极限应变 εcu 和受拉 钢板屈 服应变 εspy 同时达到 , 或受压混凝土极限应变 εcu 和 受拉钢筋屈服应变 εy 同时达到时 , 为加固后梁超筋 破坏和适筋破坏的界限状态 。 在分析时 , 假设加固 后截面变形仍符合平截面假定 , 并假设梁底面及侧 面加固钢板厚度相同 , 加固后的参数见图 3 。
对该桥进行的静载试验表明 , 主跨和边跨跨中 挠度均满足文献[ 1] 的规定 , 但校验系数大部分不满 足文献[ 2] 的规定 , 主梁的刚度由于混凝土大量开裂 较设计时有所降低 。 在对该桥进行加固时 , 应恢复 并提高主梁刚度和承载力 , 同时应控制主梁裂缝的 进一步开展 。 2 .1 .3 西南三环丰益桥
76 文章编号 :1003 -4722(2007)03 -0076 -04
桥梁建 设 2007 年第 3 期
钢板 -混凝土组合在钢筋混凝土梁加固中的应用
聂建国 , 赵 洁 , 唐 亮
(清华大学土木工程系结构工程与振动教育部重点实验室 , 北京 100084)
摘 要 :钢板 -混凝土组合加固是一种基于钢 -混凝土组合梁理论的新方法 。 介绍该方法在 桥梁工程中的实际应用 。 实践证明 , 组合加固具有不降低原桥桥下净空高度 、不要求原结构表面平 整 , 可显著提高桥梁的承载力 、刚度及防撞击能力等显著优点 , 为旧桥加固提供了新方法 。
NIE Jian-guo , ZHAO Jie , TANG Liang
(K ey L abo rato ry for S tructur al Engineering and V ibra tion of M inistry of Educatio n, Depa rtment of Civil Engineering , T singhua U niver sity , Beijing 100084 , China)
(1)尽量避免降低原桥梁的设计净空 ; (2)提高外侧主梁抗撞击的能力 ; (3)一定 程 度 上 提 高桥 梁 整 体 刚 度 与承 载 能力 ; (4)有效控制主梁裂缝的发展 。 钢板 -混凝土组合加固方法可以很好地满足以 上几点要求 , 且具有造价低 、施工速度快 、施工对道 路通行影响较小 、加固时对原混凝土表面质量要求 不高 、不影响结构外观等优点 , 因此 , 以上工程均采 用钢板 -混凝土组合加固的方法 。
该桥为三跨钢筋混凝土连续板斜桥 , 垂直跨径 为 13 .15 m +16 .0 m +13 .15 m , 斜跨径为 15 .92 m +19 .37 m +15 .92 m , 全桥斜长为 51 .21 m 。 由于 受到车辆撞击 , 边跨板梁混凝土脱落 , 部分受拉钢筋 及箍筋外露 , 甚至有些受拉钢筋断裂 。 板梁跨中裂 缝基本贯通 , 桥面悬伸部分裂缝在支座附近处贯通
取 εcu = 0 .003 3 ;εspy 为 钢板 屈服 应 变 , 取 εspy =
f / E s , f 为钢板屈服强度 。 在此状态下 , 原结构中的受拉钢筋应变为 :
εs =hh′0 - -ξ ξ11 hh′′(εspy +εb0)
桥梁建 设 2007 年第 3 期
式中 , 若 εs > f y/ E s , 取 εs = f y/ E s 。 根据平截面假定 , 可求出侧面钢板的平均应变 ,
钢板 -混凝土组合在钢筋混凝土梁加固中的应用 聂建国 , 赵 洁 , 唐 亮
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时布置在梁的侧表面 , 以增强混凝土梁的竖向抗剪 能力 。
钢板 -混凝土组合加固时 , 通过在钢板上焊接 栓钉 、在原混凝土表面植筋 、在原结构及加固钢板间 浇筑混凝土等措施使加固部分与原结构形成整体 , 共同工作 。加固施工时 , 钢板可作为混凝土浇筑模 板 , 从而大大加快施工速度 ;同时由于钢板外不需要 保护层 , 因此不存在混凝土裂缝外露的问题 。 钢板 的防锈问题可以通过表面刷防锈漆来解决 。
图 3 加 固后截面界限状态应变分布
由图 3 可知 , 若 εcu 和 εspy 同时达到 , 忽略钢板厚
度对加固后梁高的影响 , 界限受压区高度 :
ξ1
=hx′=εcu
β εcu +εspy +εb0
式中 , β为混凝土受压区高度与等效矩形受压区高
度的比值 , 按照规范取值 ;εcu 为混凝土极限压应变 ,
1 f b′ +2E
sε1 hsp (αf cb′ξ1 h′
+
f′y A′s
-Es
εs As)
若 εcu 和 εy 同时达到 , 界限受压区高度 :
ξ2
=hx′=
β εcu
εcu +εy
在此状态下 , 加固钢板的应变为 :
εsp
=
h′ h0
--ξξ22 hh′′εy
如下 :
ε1 =
(1
-ξ1 )h′-hsp h′-ξ1 h′
/
2(εspy
+εb0 )
h sp
≤(1 -ξ1 )h′
(1 h-sp /ξ12)h′(εspy +εb0 )
hsp >(1 -ξ1 )h′
在混凝土达到极限压应变时 , 假设受压钢筋屈
服 。根据截面力的平衡条件 , 有 :
ts p1
=
造成桥梁结构损伤的主要原因是超高车辆的撞 击 , 因此 , 在对桥梁进行加固时 , 应在尽量不降低桥 梁限高的前提下提高桥梁的抗撞击能力 , 同时使桥 梁恢复至设计时汽 -超 20 的通行标准 。 2 .1 .2 西南三环万柳立交桥
该桥纵向为 3 跨全现浇普通钢筋混凝 土连续 梁 , 中跨跨度为 29 .5 m , 两边跨跨度为 23 m 。 桥主 梁底面和侧面大量开裂 , 最大裂缝宽度达 0 .4 ～ 0 .5 mm , 裂缝平均间距为 15 ～ 20 mm ;跨中梁底裂缝基 本贯通 ;支座附近梁侧表面有斜裂缝 。
整个悬伸范围 , 且最大裂缝宽度达 0 .3 mm 。 对该桥进行静载试验表明 , 其整体刚度与横向
协同工作性能良好 。因此 , 加固时应在尽量不减小 桥梁限高的同时提高桥梁抗撞击能力 , 并弥补受损 部分对结构承载力和刚度造成的不利影响 。 2 .2 加固方法的确定
根据上述工程概况和对桥梁受损状态的分析 , 桥梁的加固方法应该满足以下几点要求 :
Abstract :T he st ructural st reng thening w it h steel plate and concret e com po site i s a new method based on t he theories o f st eel and concre te co mposit e girde rs .In thi s paper , the practical applicatio n of t he method to t he streng t heni ng o f reinf orced concre te bridges is present ed .P ractice pro ves t hat t he strengt heni ng w it h the com po site has obvious advant ages of not reducing headro om under the o rigi nal bridg es and no t requiring surface evenness o f the st ructures .T he com po site can sig nifi cantly improve t he carrying capacit y , rigidity and collisio n-proo f capacit y of the bridg es and may cont ribut e a new w ay to t he st reng thening of aged bridges .
钢板 -混凝土组合是在经典的钢 -混凝土组合
梁基础上发展起来的一种新的结构形式 , 其典型的 截面形式见图 1 。 钢板位于梁截面底部 , 可以充分 发挥其抗拉强度高的特点 。 钢板 -混凝土组合梁 、 板中的钢板除如图1所示布置在梁底外 , 也可以同
图 1 钢板 -混凝土组合梁截面
收稿日期 :2006 -10 -11 基金项目 :国家自然科学基金资助项目(50578084) 作者简介 :聂建国(1958 -), 男 , 教授 , 1982 年毕业于湖南大学土木工程 系工业与民用建 筑专业 , 工 学学士 , 1984 年 毕业于郑 州工学院 土木 建筑工程系结构工程专业 , 工学硕士 , 1991 年毕业于南斯拉夫铁托格勒大学土木工程学院结构工程专业 , 技术科学博士 。
钢板组合加固梁的截面见图 2 。为了避免增大 梁截面高度 , 梁底与加固钢板间不浇筑混凝土 , 而是 依靠侧面栓钉及底部砂浆与原结构保持共同工作 。 若不受净空高度限制 , 梁底的加固方法可与梁侧相 似 , 这样可大幅度提高梁的抗弯刚度和承载能
图 2 钢板组合加固梁截面
78
力[ 3 , 4] 。 沿梁纵向的加固长度可根据实际加固的需要确
3 加固施工方法 在对原结构梁侧进行加固施工时 , 首先将原混
凝土表面凿毛 , 并用水冲洗干净 ;在原混凝土中呈梅 花状或矩形网格状植筋 , 植筋时应该注意避开原结 构钢筋 。在加固钢板上焊栓钉 , 栓钉位置应与植筋 位置错开 。 加固钢板可在工厂焊接成要求的槽形或 其他形状 , 在施工现场整体安装 。 然后在植筋与栓 钉间布置钢筋网片 , 钢筋网片可以与植筋在部分位 置点焊以固定其位置 。 最后 , 加固钢板安装就位后 , 在加固钢板与原结构间浇筑混凝土 , 使新老结构成 为整体 。
关键词 :钢筋混凝土桥梁 ;钢板 -混凝土组合 ;桥梁加固 中图分类号 :U448 .34 ;U445 .72 文献标识码 :A
Application of Steel Plate and Concrete Composite to Strengthening of Reinforced Concrete Girder
Key words:reinf orced concrete bridge ;steel plate and concret e co mpo site ;bridge st reng then ing
1 前 言 由于爆炸 、火灾 、地震及钢筋锈蚀等自然因素 ,
以及设计荷载等级偏低 、施工不当 、超载及汽车撞击 等人为因素的影响 , 混凝土桥梁整体或局部的损坏 日益严重 。在尽量不影响交通的情况下 , 如何有效 地对混凝土桥梁进行加固和维 修是亟待解决 的问 题 。 而钢板 -混凝土组合加固技术则是解决这一问 题的有效手段之一 。
4 加固效果计算分析 由于在对混凝土桥梁进行组合加固时采用了使
新老混凝土共同工作的措施 , 在进行加固效果分析 时 , 可以假设加固后梁是一个整体 。若加固时桥梁 能够做到完全卸载 , 则加固后梁截面承载力计算可 以参考文献[ 5] 的方法进行 。 但在对一般桥梁加固 施工时 , 构件所承受的恒载及部分活载仍然存在 , 所 以为部分卸载加固 , 属于二次受力问题 , 此时 , 加固 材料同原构件相比存在应变滞后现象 。 若不考虑二 次受力问题 , 可能会造成设计偏于不安全 。
以下介绍钢板 -混凝土组合加固技术在 3 座桥 梁中的实际工程应用 。
2 工程概况及加固方法的确定 2 .1 工程概况 2 .1 .1 北京某立交桥
该桥纵向为 4 跨预应力钢筋混凝土变截面梁 , 两边跨跨度为 18 m , 边跨跨中设有 1 道横隔梁 , 梁 宽为 250 m m 。桥边跨外侧主梁遭到不同程度的撞 击 。 边跨预应 力钢筋混凝土梁 侧面有明显的 斜裂 缝 , 且桥面悬伸部分与外侧主梁连接处有明显的纵 向通缝 。
在计算二次受力下最大加固量时 , 首先要计算 原梁在初始弯矩 M0 作用下截面的初始应变 , 其中 , 受拉边缘的初始应变 εb0 即为加固部分的滞后应变 , 可参考文献[ 6] 计算 。
加固后受压混凝土极限应变 εcu 和受拉 钢板屈 服应变 εspy 同时达到 , 或受压混凝土极限应变 εcu 和 受拉钢筋屈服应变 εy 同时达到时 , 为加固后梁超筋 破坏和适筋破坏的界限状态 。 在分析时 , 假设加固 后截面变形仍符合平截面假定 , 并假设梁底面及侧 面加固钢板厚度相同 , 加固后的参数见图 3 。
对该桥进行的静载试验表明 , 主跨和边跨跨中 挠度均满足文献[ 1] 的规定 , 但校验系数大部分不满 足文献[ 2] 的规定 , 主梁的刚度由于混凝土大量开裂 较设计时有所降低 。 在对该桥进行加固时 , 应恢复 并提高主梁刚度和承载力 , 同时应控制主梁裂缝的 进一步开展 。 2 .1 .3 西南三环丰益桥
76 文章编号 :1003 -4722(2007)03 -0076 -04
桥梁建 设 2007 年第 3 期
钢板 -混凝土组合在钢筋混凝土梁加固中的应用
聂建国 , 赵 洁 , 唐 亮
(清华大学土木工程系结构工程与振动教育部重点实验室 , 北京 100084)
摘 要 :钢板 -混凝土组合加固是一种基于钢 -混凝土组合梁理论的新方法 。 介绍该方法在 桥梁工程中的实际应用 。 实践证明 , 组合加固具有不降低原桥桥下净空高度 、不要求原结构表面平 整 , 可显著提高桥梁的承载力 、刚度及防撞击能力等显著优点 , 为旧桥加固提供了新方法 。
NIE Jian-guo , ZHAO Jie , TANG Liang
(K ey L abo rato ry for S tructur al Engineering and V ibra tion of M inistry of Educatio n, Depa rtment of Civil Engineering , T singhua U niver sity , Beijing 100084 , China)
(1)尽量避免降低原桥梁的设计净空 ; (2)提高外侧主梁抗撞击的能力 ; (3)一定 程 度 上 提 高桥 梁 整 体 刚 度 与承 载 能力 ; (4)有效控制主梁裂缝的发展 。 钢板 -混凝土组合加固方法可以很好地满足以 上几点要求 , 且具有造价低 、施工速度快 、施工对道 路通行影响较小 、加固时对原混凝土表面质量要求 不高 、不影响结构外观等优点 , 因此 , 以上工程均采 用钢板 -混凝土组合加固的方法 。
该桥为三跨钢筋混凝土连续板斜桥 , 垂直跨径 为 13 .15 m +16 .0 m +13 .15 m , 斜跨径为 15 .92 m +19 .37 m +15 .92 m , 全桥斜长为 51 .21 m 。 由于 受到车辆撞击 , 边跨板梁混凝土脱落 , 部分受拉钢筋 及箍筋外露 , 甚至有些受拉钢筋断裂 。 板梁跨中裂 缝基本贯通 , 桥面悬伸部分裂缝在支座附近处贯通
取 εcu = 0 .003 3 ;εspy 为 钢板 屈服 应 变 , 取 εspy =
f / E s , f 为钢板屈服强度 。 在此状态下 , 原结构中的受拉钢筋应变为 :
εs =hh′0 - -ξ ξ11 hh′′(εspy +εb0)
桥梁建 设 2007 年第 3 期
式中 , 若 εs > f y/ E s , 取 εs = f y/ E s 。 根据平截面假定 , 可求出侧面钢板的平均应变 ,
钢板 -混凝土组合在钢筋混凝土梁加固中的应用 聂建国 , 赵 洁 , 唐 亮
77百度文库
时布置在梁的侧表面 , 以增强混凝土梁的竖向抗剪 能力 。
钢板 -混凝土组合加固时 , 通过在钢板上焊接 栓钉 、在原混凝土表面植筋 、在原结构及加固钢板间 浇筑混凝土等措施使加固部分与原结构形成整体 , 共同工作 。加固施工时 , 钢板可作为混凝土浇筑模 板 , 从而大大加快施工速度 ;同时由于钢板外不需要 保护层 , 因此不存在混凝土裂缝外露的问题 。 钢板 的防锈问题可以通过表面刷防锈漆来解决 。
图 3 加 固后截面界限状态应变分布
由图 3 可知 , 若 εcu 和 εspy 同时达到 , 忽略钢板厚
度对加固后梁高的影响 , 界限受压区高度 :
ξ1
=hx′=εcu
β εcu +εspy +εb0
式中 , β为混凝土受压区高度与等效矩形受压区高
度的比值 , 按照规范取值 ;εcu 为混凝土极限压应变 ,
1 f b′ +2E
sε1 hsp (αf cb′ξ1 h′
+
f′y A′s
-Es
εs As)
若 εcu 和 εy 同时达到 , 界限受压区高度 :
ξ2
=hx′=
β εcu
εcu +εy
在此状态下 , 加固钢板的应变为 :
εsp
=
h′ h0
--ξξ22 hh′′εy
如下 :
ε1 =
(1
-ξ1 )h′-hsp h′-ξ1 h′
/
2(εspy
+εb0 )
h sp
≤(1 -ξ1 )h′
(1 h-sp /ξ12)h′(εspy +εb0 )
hsp >(1 -ξ1 )h′
在混凝土达到极限压应变时 , 假设受压钢筋屈
服 。根据截面力的平衡条件 , 有 :
ts p1
=
造成桥梁结构损伤的主要原因是超高车辆的撞 击 , 因此 , 在对桥梁进行加固时 , 应在尽量不降低桥 梁限高的前提下提高桥梁的抗撞击能力 , 同时使桥 梁恢复至设计时汽 -超 20 的通行标准 。 2 .1 .2 西南三环万柳立交桥
该桥纵向为 3 跨全现浇普通钢筋混凝 土连续 梁 , 中跨跨度为 29 .5 m , 两边跨跨度为 23 m 。 桥主 梁底面和侧面大量开裂 , 最大裂缝宽度达 0 .4 ～ 0 .5 mm , 裂缝平均间距为 15 ～ 20 mm ;跨中梁底裂缝基 本贯通 ;支座附近梁侧表面有斜裂缝 。
整个悬伸范围 , 且最大裂缝宽度达 0 .3 mm 。 对该桥进行静载试验表明 , 其整体刚度与横向
协同工作性能良好 。因此 , 加固时应在尽量不减小 桥梁限高的同时提高桥梁抗撞击能力 , 并弥补受损 部分对结构承载力和刚度造成的不利影响 。 2 .2 加固方法的确定
根据上述工程概况和对桥梁受损状态的分析 , 桥梁的加固方法应该满足以下几点要求 :
Abstract :T he st ructural st reng thening w it h steel plate and concret e com po site i s a new method based on t he theories o f st eel and concre te co mposit e girde rs .In thi s paper , the practical applicatio n of t he method to t he streng t heni ng o f reinf orced concre te bridges is present ed .P ractice pro ves t hat t he strengt heni ng w it h the com po site has obvious advant ages of not reducing headro om under the o rigi nal bridg es and no t requiring surface evenness o f the st ructures .T he com po site can sig nifi cantly improve t he carrying capacit y , rigidity and collisio n-proo f capacit y of the bridg es and may cont ribut e a new w ay to t he st reng thening of aged bridges .
钢板 -混凝土组合是在经典的钢 -混凝土组合
梁基础上发展起来的一种新的结构形式 , 其典型的 截面形式见图 1 。 钢板位于梁截面底部 , 可以充分 发挥其抗拉强度高的特点 。 钢板 -混凝土组合梁 、 板中的钢板除如图1所示布置在梁底外 , 也可以同
图 1 钢板 -混凝土组合梁截面
收稿日期 :2006 -10 -11 基金项目 :国家自然科学基金资助项目(50578084) 作者简介 :聂建国(1958 -), 男 , 教授 , 1982 年毕业于湖南大学土木工程 系工业与民用建 筑专业 , 工 学学士 , 1984 年 毕业于郑 州工学院 土木 建筑工程系结构工程专业 , 工学硕士 , 1991 年毕业于南斯拉夫铁托格勒大学土木工程学院结构工程专业 , 技术科学博士 。
钢板组合加固梁的截面见图 2 。为了避免增大 梁截面高度 , 梁底与加固钢板间不浇筑混凝土 , 而是 依靠侧面栓钉及底部砂浆与原结构保持共同工作 。 若不受净空高度限制 , 梁底的加固方法可与梁侧相 似 , 这样可大幅度提高梁的抗弯刚度和承载能
图 2 钢板组合加固梁截面
78
力[ 3 , 4] 。 沿梁纵向的加固长度可根据实际加固的需要确
3 加固施工方法 在对原结构梁侧进行加固施工时 , 首先将原混
凝土表面凿毛 , 并用水冲洗干净 ;在原混凝土中呈梅 花状或矩形网格状植筋 , 植筋时应该注意避开原结 构钢筋 。在加固钢板上焊栓钉 , 栓钉位置应与植筋 位置错开 。 加固钢板可在工厂焊接成要求的槽形或 其他形状 , 在施工现场整体安装 。 然后在植筋与栓 钉间布置钢筋网片 , 钢筋网片可以与植筋在部分位 置点焊以固定其位置 。 最后 , 加固钢板安装就位后 , 在加固钢板与原结构间浇筑混凝土 , 使新老结构成 为整体 。
关键词 :钢筋混凝土桥梁 ;钢板 -混凝土组合 ;桥梁加固 中图分类号 :U448 .34 ;U445 .72 文献标识码 :A
Application of Steel Plate and Concrete Composite to Strengthening of Reinforced Concrete Girder
Key words:reinf orced concrete bridge ;steel plate and concret e co mpo site ;bridge st reng then ing
1 前 言 由于爆炸 、火灾 、地震及钢筋锈蚀等自然因素 ,
以及设计荷载等级偏低 、施工不当 、超载及汽车撞击 等人为因素的影响 , 混凝土桥梁整体或局部的损坏 日益严重 。在尽量不影响交通的情况下 , 如何有效 地对混凝土桥梁进行加固和维 修是亟待解决 的问 题 。 而钢板 -混凝土组合加固技术则是解决这一问 题的有效手段之一 。