预应力悬索分载法加固混凝土梁的试验研究
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摘要
对于混凝土构件而言，常用的加固方法有：混凝土加大截面法、外包钢加固法、碳纤维布加固法等。加固结构属二次受力结构，加固前原结构已经受力产生应力、应变，而新加部分只有在新增荷载下才开始受力。这样，新加部分的应变将滞后于原结构构件总的应力水平。破坏时，新加部分将有可能达不到自身的极限状态，其潜力得不到发挥。
预应力加固法可以实现卸载和加固同步进行，部分或全部消除其他加固方法中二次受力所引起的应变滞后的现象。
本文保留了传统预应力加固法的优点，提出了用预应力悬索分载法加固混凝土梁，并对此方法进试验和理论研究。在加固试验前，通过对原结构和加固结构进行受力分析，阐述了用预应力悬索分载法加固混凝土简支梁时其分载、传力、调整截面应力分布的作用的实现机理，从理论上说明了本加固方法的优越性。试验中，这种预应力悬索分载加固法实际是通过钢—预应力组合结构来实现的。通过悬索提供预应力；利用钢构架作为预应力的转换构件，将预应力转换为反向均布荷载作用在被加固梁上，分担梁上的部分荷载，同时也增加了被加固构件的刚度。
通过试验数据分析可见，预应力悬索分载加固法可以达到加固与卸载同步进行，使新加部分相对于原混凝土的应力滞后现象得到较好的消除，加固后组合构件整体承载力得到显著提高，被加固梁的挠度和裂缝得到有效地改善，原材料的潜力得以较好地发挥，使加固起到卸荷、传力、改变内力的三重功效，达到了试验预期的目的。
由于钢筋、混凝土材料的复杂性，如何考虑预应力损失，确定最合理的张拉值、节点的优化处理等都尚待进一步地研究。
Enlarging concrete section, enveloping iron and strengthening with carbon fiber sheet are the widely-used methods to strengthen concrete beam. The strengthened structure is the structure subjected to twice-loading. The old structure have worked and produced stress and strain before strengthening; the new parts just begin to work only under new loading. When the whole structure is loaded twice, the strain of new parts can not reach ultimate state when the original structure damaged.
By prestressing consolidation, unloading and strengthening can be achieved synchronously and the strain lagging caused by twice-loaded in other strengthening experiments can be cleared up partly or completely.
The prestressed-cable-sharing-loading method absorbing the advantage of traditional prestressing consolidation is tested and researched to strengthen simple-supported beams in this experiment. The mechanism of load-dividing, stress-transmitting and adjustment of stress along section of simple-supported beams strengthened by prestressed-cable-offloading is clarified through anlysing the stress of original structure and strengthened structure, which shows the advantages of this strenghening method. This method is achieved by steel-prestressing combination construction. Cable provides prestressing force; steel frame convert the prestressing-force into equivalent uniform load in opposite direction acting on the strengthened beam, which can sharing the load partly, at the same time, increasing beam's stiffness.
It is clearly that strengthening and unloading can be put into effect at the same time by the method; this kind of strain lagging between lately part and primary concrete can be cleared up effectively; the whole bearing capacity of combination construction can be improved remarkably; the defection and the crack of the strengthened beam can be improved
effectively; the potential of the material can be aroused fully; offloading, force-transmiting and changing internal force can be achieved at the same time, which are all we predict.
Mechanism of reinforcement and concrete is complicated, so how to predict the prestressing loss, and how to compute the most reasonable stretching value and optimize nodes should still be studied.
预应力加固法可以实现卸载和加固同步进行，部分或全部消除其他加固方法中二次受力所引起的应变滞后的现象。
本文保留了传统预应力加固法的优点，提出了用预应力悬索分载法加固混凝土梁，并对此方法进试验和理论研究。在加固试验前，通过对原结构和加固结构进行受力分析，阐述了用预应力悬索分载法加固混凝土简支梁时其分载、传力、调整截面应力分布的作用的实现机理，从理论上说明了本加固方法的优越性。试验中，这种预应力悬索分载加固法实际是通过钢—预应力组合结构来实现的。通过悬索提供预应力；利用钢构架作为预应力的转换构件，将预应力转换为反向均布荷载作用在被加固梁上，分担梁上的部分荷载，同时也增加了被加固构件的刚度。
通过试验数据分析可见，预应力悬索分载加固法可以达到加固与卸载同步进行，使新加部分相对于原混凝土的应力滞后现象得到较好的消除，加固后组合构件整体承载力得到显著提高，被加固梁的挠度和裂缝得到有效地改善，原材料的潜力得以较好地发挥，使加固起到卸荷、传力、改变内力的三重功效，达到了试验预期的目的。
由于钢筋、混凝土材料的复杂性，如何考虑预应力损失，确定最合理的张拉值、节点的优化处理等都尚待进一步地研究。
Enlarging concrete section, enveloping iron and strengthening with carbon fiber sheet are the widely-used methods to strengthen concrete beam. The strengthened structure is the structure subjected to twice-loading. The old structure have worked and produced stress and strain before strengthening; the new parts just begin to work only under new loading. When the whole structure is loaded twice, the strain of new parts can not reach ultimate state when the original structure damaged.
By prestressing consolidation, unloading and strengthening can be achieved synchronously and the strain lagging caused by twice-loaded in other strengthening experiments can be cleared up partly or completely.
The prestressed-cable-sharing-loading method absorbing the advantage of traditional prestressing consolidation is tested and researched to strengthen simple-supported beams in this experiment. The mechanism of load-dividing, stress-transmitting and adjustment of stress along section of simple-supported beams strengthened by prestressed-cable-offloading is clarified through anlysing the stress of original structure and strengthened structure, which shows the advantages of this strenghening method. This method is achieved by steel-prestressing combination construction. Cable provides prestressing force; steel frame convert the prestressing-force into equivalent uniform load in opposite direction acting on the strengthened beam, which can sharing the load partly, at the same time, increasing beam's stiffness.
It is clearly that strengthening and unloading can be put into effect at the same time by the method; this kind of strain lagging between lately part and primary concrete can be cleared up effectively; the whole bearing capacity of combination construction can be improved remarkably; the defection and the crack of the strengthened beam can be improved
effectively; the potential of the material can be aroused fully; offloading, force-transmiting and changing internal force can be achieved at the same time, which are all we predict.
Mechanism of reinforcement and concrete is complicated, so how to predict the prestressing loss, and how to compute the most reasonable stretching value and optimize nodes should still be studied.
引文
1、唐业清 建筑物改造与病害处理 中国建筑工业出版社
2、[加]诺埃尔．P．梅尔瓦格纳姆 混凝土结构的修复与防护 天津大学出版社
3、万墨林 韩继云 混凝土结构加固技术 中国建筑工业出版社
4、Noel P Mailvaganam姜迎秋等译 混凝土结构的修复与防护 天津大学出版社
5、陶学康 国际预应力材料及体外索新进展 第十一届全国混凝土及预应力混凝土学术交流会论文集
6、体外预应力结构技术与工程应用 北京市建筑工程研究院 北京建筑工程技术研究中心
7、龙驭球 包世华 结构力学 高等教育出版社
8、美国后张预应力混凝土协会 后张预应力混凝土手册 东南大学出版社
9、朱聘儒 钢-混凝土组合梁设计原理 中国建筑工业出版社
10、预应力技术应用40周年纪念文集
11、张亚非 建筑结构检测 武汉工业大学出版社
12、姚振纲 刘初华 建筑结构试验 同济大学出版社
13、沈蒲生 罗国强 混凝土结构 武汉工业大学出版社
14、陈绍蕃 钢结构 中国建筑工业出版社
15、冯文章等 装配式预应力拉杆加固混凝土梁的做法 建筑技术 Vol．29 No．6
16、陈贵 李延和 忻建 加固梁新技术的试验研究和工程应用 建筑结构 1999年第5期
17、李家兴等 桥上架桥法用钢轨梁加固险桥 施工技术 1997 No．7
18、王丽君等 工字梁少筋微弯板组合梁桥加固计算及方案 辽宁交通科技 2001．2
19、刘航等 体外预应力加固混凝土框架梁的试验研究 建筑技术 Vol．30 No．12
20、卢文良等 体外预应力加固铁路混凝土梁设计方法 北方交通大学学报 Vol．23 No．4
21、牛斌 铁路混凝土梁的体外预应力加固 铁道建筑 1997年12期
22、穆罕默德．H．哈瑞贝利 以外部预应力加固混凝土梁 黑龙江交通科技 1994年第4期
23、刘树风等 预应力钢筋加固混凝土梁 低温建筑技术 1994年第2期
24、曹双寅等 预应力钢与混凝土组合结构加固梁的探讨 工业建筑 1997年Vol．27．No．10
25、牛斌 普通钢筋混凝土梁的体外预应力加固 中国铁道科学 Vol．20 No．3
26、张国栋等 碳纤维加固二次受力梁斜截面抗剪试验研究 三峡大学学报 Vol．23 No．1
27、周鸿翔等 锚栓一钢架法加固盖梁的试验研究 中南公路工程Vol．26 No．3
28、顾乃旭等 钢筋混凝土梁预应力加固计算与施工实践 煤矿设计 2001年第5期
29、马林 牛斌 京山线沙河特大桥预应力混凝土梁体外预应力加固 铁道标准设计Vol．20 No．9
30、L. Fryba and M. Pirner Load Tests and Modal Analysis of Bridges Engineer structures Vol. 23 No. 1 Jan. 2001
31、Cheng-Cheng Chen and Ching-liang Tseng Ductility Enhancement of RC Beams Confined by Steel Cover Plates Journal of the Chinese institute of Engineers Vol. 24 No. 1
32、Pisani, MA Strengthening by Means of External Prestressing Journal of Bridge Engineering [J. Bridge Eng.],Vol. 4, No. 2 ,May 1999
33、Falkner, H;Huang, 2;Teutsch, M Strengthening Bridges with Unbonded Prestressing Structural Engineering International Vol.5, Vo. 2, 1995
34、Poston R. and lrshad M. load test Externally Post Tensioned Bridge Girders Concrete International, 1996,1819
35、Bondy K.B. Variable Prestressed Force in Unbonded Post-tensioned Members Concrete International, January 1992
36、Stephen Kurtz and P. Balaguru Comparison of Inorganic and Organic Matrices for Strengthening of RE Beams With Carbon Sheets Journal of Structural Engineering Jan 2001 Vol.127 No. 1
37、Prodromes D. Zararis and George ch. Papadakis Diagonal Shear Failure and Size Effect in RE Beams without Web Reinforcement Journal of Structural Engineering Jul 2001 Vol.127 No. 7
38、第十一届全国混凝土及预应力混凝土学术交流会论文集 中国土木工程学会混凝土及预应力混凝分会
39、杨建江 刘治 关于预应力损失的几点思考 福建建筑 2002年第3期
40、房贞政 无粘结与部分预应力结构 人民交通出版社
41、符晶华 建筑结构加固、检测新技术的实验研究 武汉理工大学硕士学位论文
42、杜旌 预应力法加固混凝土轴心受压构件实验研究 武汉理工大学硕士学位论文
43、李明强 下撑式预应力组合梁加固混凝土的理论与试验研究 华中科技大学硕士学位论文
44、杜安亮 张继文等 体外预应力加固混凝土井式梁板结构技术 第十一届全国混凝土及预应力混凝土学术交流会论文集
45、孙训方 方孝淑 关来泰 材料力学 高等教育出版社
46、刘郁馨 吕志涛 后张预应力混凝土索梁结构体系分析 建筑结构学报 1998(6)
47、王宗林 王彤 张树仁 体外预应力混凝土简支梁的极限强度分析 哈尔滨建筑大学学报 2001年2月
48、叶明星 邹定保 预应力钢筋采用一端强拉的讨论 中南公路工程 2000年9月
49、混凝土结构加固技术规范 CECS25：90
2、[加]诺埃尔．P．梅尔瓦格纳姆 混凝土结构的修复与防护 天津大学出版社
3、万墨林 韩继云 混凝土结构加固技术 中国建筑工业出版社
4、Noel P Mailvaganam姜迎秋等译 混凝土结构的修复与防护 天津大学出版社
5、陶学康 国际预应力材料及体外索新进展 第十一届全国混凝土及预应力混凝土学术交流会论文集
6、体外预应力结构技术与工程应用 北京市建筑工程研究院 北京建筑工程技术研究中心
7、龙驭球 包世华 结构力学 高等教育出版社
8、美国后张预应力混凝土协会 后张预应力混凝土手册 东南大学出版社
9、朱聘儒 钢-混凝土组合梁设计原理 中国建筑工业出版社
10、预应力技术应用40周年纪念文集
11、张亚非 建筑结构检测 武汉工业大学出版社
12、姚振纲 刘初华 建筑结构试验 同济大学出版社
13、沈蒲生 罗国强 混凝土结构 武汉工业大学出版社
14、陈绍蕃 钢结构 中国建筑工业出版社
15、冯文章等 装配式预应力拉杆加固混凝土梁的做法 建筑技术 Vol．29 No．6
16、陈贵 李延和 忻建 加固梁新技术的试验研究和工程应用 建筑结构 1999年第5期
17、李家兴等 桥上架桥法用钢轨梁加固险桥 施工技术 1997 No．7
18、王丽君等 工字梁少筋微弯板组合梁桥加固计算及方案 辽宁交通科技 2001．2
19、刘航等 体外预应力加固混凝土框架梁的试验研究 建筑技术 Vol．30 No．12
20、卢文良等 体外预应力加固铁路混凝土梁设计方法 北方交通大学学报 Vol．23 No．4
21、牛斌 铁路混凝土梁的体外预应力加固 铁道建筑 1997年12期
22、穆罕默德．H．哈瑞贝利 以外部预应力加固混凝土梁 黑龙江交通科技 1994年第4期
23、刘树风等 预应力钢筋加固混凝土梁 低温建筑技术 1994年第2期
24、曹双寅等 预应力钢与混凝土组合结构加固梁的探讨 工业建筑 1997年Vol．27．No．10
25、牛斌 普通钢筋混凝土梁的体外预应力加固 中国铁道科学 Vol．20 No．3
26、张国栋等 碳纤维加固二次受力梁斜截面抗剪试验研究 三峡大学学报 Vol．23 No．1
27、周鸿翔等 锚栓一钢架法加固盖梁的试验研究 中南公路工程Vol．26 No．3
28、顾乃旭等 钢筋混凝土梁预应力加固计算与施工实践 煤矿设计 2001年第5期
29、马林 牛斌 京山线沙河特大桥预应力混凝土梁体外预应力加固 铁道标准设计Vol．20 No．9
30、L. Fryba and M. Pirner Load Tests and Modal Analysis of Bridges Engineer structures Vol. 23 No. 1 Jan. 2001
31、Cheng-Cheng Chen and Ching-liang Tseng Ductility Enhancement of RC Beams Confined by Steel Cover Plates Journal of the Chinese institute of Engineers Vol. 24 No. 1
32、Pisani, MA Strengthening by Means of External Prestressing Journal of Bridge Engineering [J. Bridge Eng.],Vol. 4, No. 2 ,May 1999
33、Falkner, H;Huang, 2;Teutsch, M Strengthening Bridges with Unbonded Prestressing Structural Engineering International Vol.5, Vo. 2, 1995
34、Poston R. and lrshad M. load test Externally Post Tensioned Bridge Girders Concrete International, 1996,1819
35、Bondy K.B. Variable Prestressed Force in Unbonded Post-tensioned Members Concrete International, January 1992
36、Stephen Kurtz and P. Balaguru Comparison of Inorganic and Organic Matrices for Strengthening of RE Beams With Carbon Sheets Journal of Structural Engineering Jan 2001 Vol.127 No. 1
37、Prodromes D. Zararis and George ch. Papadakis Diagonal Shear Failure and Size Effect in RE Beams without Web Reinforcement Journal of Structural Engineering Jul 2001 Vol.127 No. 7
38、第十一届全国混凝土及预应力混凝土学术交流会论文集 中国土木工程学会混凝土及预应力混凝分会
39、杨建江 刘治 关于预应力损失的几点思考 福建建筑 2002年第3期
40、房贞政 无粘结与部分预应力结构 人民交通出版社
41、符晶华 建筑结构加固、检测新技术的实验研究 武汉理工大学硕士学位论文
42、杜旌 预应力法加固混凝土轴心受压构件实验研究 武汉理工大学硕士学位论文
43、李明强 下撑式预应力组合梁加固混凝土的理论与试验研究 华中科技大学硕士学位论文
44、杜安亮 张继文等 体外预应力加固混凝土井式梁板结构技术 第十一届全国混凝土及预应力混凝土学术交流会论文集
45、孙训方 方孝淑 关来泰 材料力学 高等教育出版社
46、刘郁馨 吕志涛 后张预应力混凝土索梁结构体系分析 建筑结构学报 1998(6)
47、王宗林 王彤 张树仁 体外预应力混凝土简支梁的极限强度分析 哈尔滨建筑大学学报 2001年2月
48、叶明星 邹定保 预应力钢筋采用一端强拉的讨论 中南公路工程 2000年9月
49、混凝土结构加固技术规范 CECS25：90