轻质高强微膨胀混凝土在旧桥加固中的应用研究
当今世界混凝土用量越来越大，应用范围越来越广，而轻质、高强、多功能是混凝土发展的一个主要方向。国外一些发达国家在轻质混凝土的研究和应用领域处于领先地位。美国土木工程建筑实践已证实[1] [2]含有轻骨料的混凝土既能用于桥梁结构的主要部件，又能用于直接承受车辆荷载的桥面结构。国内以清华大学、同济大学为代表的一些科研院所在高强轻质混凝土的材料性能方面做了较深入的研究[3]，试验配置出的轻质混凝土28天抗压强度可达到60～80MPa。而国内实际大规模生产的轻质混凝土,抗压强度一般仅为7.5～30MPa。中国建筑材料科学研究院等机构在轻质混凝土的应用方面做了许多研究，取得了一定的成果。国内目前轻质混凝土在建筑结构中应用较多，其中用于砌体，剪力墙等占大部分，而用于主要承重结构如梁、柱的较少。总之,在国内，轻质混凝土的应用水平和规模均相当落后，在工程中应用尚处于初级阶段，在桥梁工程方面，还没有相关的应用规程和规范，工程运用实例很少。为了掌握轻质微膨胀混凝土物理力学性能，进而推动轻质高强微膨胀混凝土在国内的应用,首先对轻质高强微膨胀混凝土的配合比[4]进行了研究，然后将配制出的轻质高强微膨胀混凝土应用于实桥加固，并研究其在旧桥加固工程的可靠性和实用性。
1 测试方法
土门大桥为4孔一联的连拱。其原有设计承载能力已无法满足现有车辆通行的需要。此外，桥梁不断老化，出现了不少病害，已属三类桥梁。因此，急需对其进行加固和拓宽改造。
图1 拓宽前后桥面系构造
由于无铰拱的拱顶和拱脚断面为主要的控制断面，因此分别在每一联第二孔中间拱肋的拱顶和拱脚位置埋设传感器。传感器分为两类，一类是钢筋计，钢筋计的埋设方法为先将埋设处的钢筋截开，将截开的钢筋焊接到钢筋计的两端，然后将焊接好的钢筋绑扎到位，再浇筑混凝土。另一类为混凝土计，混凝土计的埋设方法为在浇筑混凝土前绑扎定位，然后浇筑混凝土。传感器的具体埋设位置如图2所示：
图2 5＃拱肋传感器埋设示意图
2 膨胀变形作用下组合截面的应力应变分析
取一段拱肋，当纵向纤维之间不受约束，能自由伸缩时，设新加固拱肋部分由于膨胀作用产生的应变为。
图3 膨胀自应力计算示意图
因组合截面的变形服从平截面假定，所示截面实际变形后应在如图3所示的虚线位置，即 （1）
式中：——沿拱肋处的变形值；
——单元拱肋断面挠曲变形后的曲率。
图4中阴影部分的应变，由纵向纤维之间的约束产生：
（2）
由 产生的应力为膨胀产生的自应力，新、旧拱肋部分自应力分别为： （3） （4）
由于在单元梁段上无外荷载作用，因此自应力在截面上是自平衡状态的应力，可利用截面上应力总和为零和对截面重心轴的力矩为零的条件，求出和值。
式中：——新加固拱肋面积；——原有拱肋截面面积；——新加固拱肋部分到截面重心轴的距离；——截面重心轴到拱肋下缘的距离；——新加固拱肋弹性模量；——原有拱肋弹性模量；——新加固拱肋截面绕组合截面重心轴的惯距；——原有拱肋截面绕组合截面重心轴的惯距。
由上面两式可求得： 则膨胀变形引起的新、旧拱肋部分自内力分别为：
根据求得的和值，可以计算出截面形心处的应变与曲率，然后利用弹性中心法计算次内力。
3 超静定结构中收缩徐变引起的次内力产生的应力和应变计算
图4 土门大桥（圆弧拱）计算示意
由于土门大桥拱轴线(图4)为圆弧拱,用解析法确定收缩徐变引起的次内力的具体步骤如下：
1) 确定圆拱的半径R和半拱的圆心角。
2) 确定弹性中心O的位置
3) 求系数和
由结构对称对称性可知：
则
4)求自由项和
由于组合截面因膨胀作用产生的和已求出。因此
5)内力计算
求出和，就可以求出任一截面的弯矩和轴力，就可以求得传感器位置处由次内力所产生应力应变。将以上三部分所得结果相叠加，便可得到本时段的应力应变增量。据此即可求出整个时域内每一时刻组合截面上各点的应力和应变。
4 测控点应力应变实测值与理论值对比分析
根据以上理论及公式，编制了相应程序，对加固过程中埋设的传感器进行了分析计算，限于篇幅，程序框图不再给出。计算中所需参数均参考文献[4]。
图5 512#传感器理论、实测应变对比图 图6 512#传感器理论、实测应力对比图
图7 683#传感器理论、实测应变对比图 图8 683#处传感器理论、实测应力对比图
图9 664#传感器理论、实测应变对比图 图10 664#传感器理论、实测应变对比图
图11 530#传感器理论、实测应变对比图 图12 530#传感器理论、实测应力对比图
1) 在浇筑初期，由于水泥凝固时要散发大量水化热，因此传感器就会由于温度的升高而伸长，所有传感器在浇筑初期都出现拉应变（拉应变为正）。
2) 采用轻质高强膨胀混凝土加固，新加固拱肋部分在膨胀作用下伸长而上拱，因而有利于新旧混凝土结合。
3) 膨胀变形作用下组合截面应力重分布以及在超静定结构中产生的次内力在新加固截面中产生压应力(压应力为负)，因此采用轻质高强膨胀混凝土加固对原有拱肋具有显著的消压卸荷作用。
5 结论
本文将轻质高强微膨胀混凝土应用于桥梁主要受力构件的加固改造。计算表明采用轻质微膨胀混凝土加固对原有拱肋具有显著的消压卸荷作用，并且其自重轻，施工方便，强度高，能更好地与原有拱肋截面结合在一起。
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