當(dāng)今世界混凝土用量越來越大，應(yīng)用范圍越來越廣，而輕質(zhì)、高強、多功能是混凝土發(fā)展的一個主要方向。國外一些發(fā)達(dá)國家在輕質(zhì)混凝土的研究和應(yīng)用領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國土木工程建筑實踐已證實[1] [2]含有輕骨料的混凝土既能用于橋梁結(jié)構(gòu)的主要部件，又能用于直接承受車輛荷載的橋面結(jié)構(gòu)。國內(nèi)以清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)為代表的一些科研院所在高強輕質(zhì)混凝土的材料性能方面做了較深入的研究[3]，試驗配置出的輕質(zhì)混凝土28天抗壓強度可達(dá)到60～80MPa。而國內(nèi)實際大規(guī)模生產(chǎn)的輕質(zhì)混凝土,抗壓強度一般僅為7.5～30MPa。中國建筑材料科學(xué)研究院等機(jī)構(gòu)在輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用方面做了許多研究，取得了一定的成果。國內(nèi)目前輕質(zhì)混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多，其中用于砌體，剪力墻等占大部分，而用于主要承重結(jié)構(gòu)如梁、柱的較少。總之,在國內(nèi)，輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用水平和規(guī)模均相當(dāng)落后，在工程中應(yīng)用尚處于初級階段，在橋梁工程方面，還沒有相關(guān)的應(yīng)用規(guī)程和規(guī)范，工程運用實例很少。為了掌握輕質(zhì)微膨脹混凝土物理力學(xué)性能，進(jìn)而推動輕質(zhì)高強微膨脹混凝土在國內(nèi)的應(yīng)用,首先對輕質(zhì)高強微膨脹混凝土的配合比[4]進(jìn)行了研究，然后將配制出的輕質(zhì)高強微膨脹混凝土應(yīng)用于實橋加固，并研究其在舊橋加固工程的可靠性和實用性。
1、測試方法
土門大橋為4孔一聯(lián)的連拱。其原有設(shè)計承載能力已無法滿足現(xiàn)有車輛通行的需要。此外，橋梁不斷老化，出現(xiàn)了不少病害，已屬三類橋梁。因此，急需對其進(jìn)行加固和拓寬改造。
圖1 拓寬前后橋面系構(gòu)造
由于無鉸拱的拱頂和拱腳斷面為主要的控制斷面，因此分別在每一聯(lián)第二孔中間拱肋的拱頂和拱腳位置埋設(shè)傳感器。傳感器分為兩類，一類是鋼筋計，鋼筋計的埋設(shè)方法為先將埋設(shè)處的鋼筋截開，將截開的鋼筋焊接到鋼筋計的兩端，然后將焊接好的鋼筋綁扎到位，再澆筑混凝土。另一類為混凝土計，混凝土計的埋設(shè)方法為在澆筑混凝土前綁扎定位，然后澆筑混凝土。傳感器的具體埋設(shè)位置如圖2所示：
圖2 5＃拱肋傳感器埋設(shè)示意圖
2、膨脹變形作用下組合截面的應(yīng)力應(yīng)變分析
取一段拱肋，當(dāng)縱向纖維之間不受約束，能自由伸縮時，設(shè)新加固拱肋部分由于膨脹作用產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?img alt="輕質(zhì)高強微膨脹混凝土在舊橋加固中的應(yīng)用研究" src="http://www.zgqljg.com//uploadfile/201011/20101111154132000.jpg" />。
圖3 膨脹自應(yīng)力計算示意圖
因組合截面的變形服從平截面假定，所示截面實際變形后應(yīng)在如圖3所示的虛線位置，即
（1）
式中：
——沿拱肋
處的變形值；
——單元拱肋斷面撓曲變形后的曲率。
圖4中陰影部分的應(yīng)變，由縱向纖維之間的約束產(chǎn)生：
（2）
由 產(chǎn)生的應(yīng)力為膨脹產(chǎn)生的自應(yīng)力，新、舊拱肋部分自應(yīng)力分別為：
（3）
（4）
由于在單元梁段上無外荷載作用，因此自應(yīng)力在截面上是自平衡狀態(tài)的應(yīng)力，可利用截面上應(yīng)力總和為零和對截面重心軸的力矩為零的條件，求出
和
值。
式中：
——新加固拱肋面積；
——原有拱肋截面面積；
——新加固拱肋部分到截面重心軸的距離；
——截面重心軸到拱肋下緣的距離；
——新加固拱肋彈性模量；
——原有拱肋彈性模量；
——新加固拱肋截面繞組合截面重心軸的慣距；
——原有拱肋截面繞組合截面重心軸的慣距。
由上面兩式可求得：
則膨脹變形引起的新、舊拱肋部分自內(nèi)力分別為：
根據(jù)求得的
和
值，可以計算出截面形心處的應(yīng)變與曲率，然后利用彈性中心法計算次內(nèi)力。
3、超靜定結(jié)構(gòu)中收縮徐變引起的次內(nèi)力產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變計算
圖4 土門大橋（圓弧拱）計算示意
由于土門大橋拱軸線（圖4）為圓弧拱,用解析法確定收縮徐變引起的次內(nèi)力的具體步驟如下：
1） 確定圓拱的半徑R和半拱的圓心角
。
2） 確定彈性中心O的位置
3） 求系數(shù)
和
由結(jié)構(gòu)對稱對稱性可知：
則
4）求自由項
和
由于組合截面因膨脹作用產(chǎn)生的
和
已求出。因此
5）內(nèi)力計算
求出
和
，就可以求出任一截面的彎矩和軸力，就可以求得傳感器位置處由次內(nèi)力所產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。將以上三部分所得結(jié)果相疊加，便可得到本時段的應(yīng)力應(yīng)變增量。據(jù)此即可求出整個時域內(nèi)每一時刻組合截面上各點的應(yīng)力和應(yīng)變。
4、測控點應(yīng)力應(yīng)變實測值與理論值對比分析
根據(jù)以上理論及公式，編制了相應(yīng)程序，對加固過程中埋設(shè)的傳感器進(jìn)行了分析計算，限于篇幅，程序框圖不再給出。計算中所需參數(shù)均參考文獻(xiàn)[4]。
圖5 512#傳感器理論、實測應(yīng)變對比圖 圖6 512#傳感器理論、實測應(yīng)力對比圖
圖7 683#傳感器理論、實測應(yīng)變對比圖 圖8 683#處傳感器理論、實測應(yīng)力對比圖
圖9 664#傳感器理論、實測應(yīng)變對比圖 圖10 664#傳感器理論、實測應(yīng)變對比圖
圖11 530#傳感器理論、實測應(yīng)變對比圖 圖12 530#傳感器理論、實測應(yīng)力對比圖
1） 在澆筑初期，由于水泥凝固時要散發(fā)大量水化熱，因此傳感器就會由于溫度的升高而伸長，所有傳感器在澆筑初期都出現(xiàn)拉應(yīng)變（拉應(yīng)變?yōu)檎?
2） 采用輕質(zhì)高強膨脹混凝土加固，新加固拱肋部分在膨脹作用下伸長而上拱，因而有利于新舊混凝土結(jié)合。
3） 膨脹變形作用下組合截面應(yīng)力重分布以及在超靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的次內(nèi)力在新加固截面中產(chǎn)生壓應(yīng)力（壓應(yīng)力為負(fù)），因此采用輕質(zhì)高強膨脹混凝土加固對原有拱肋具有顯著的消壓卸荷作用。
5、結(jié)論
本文將輕質(zhì)高強微膨脹混凝土應(yīng)用于橋梁主要受力構(gòu)件的加固改造。計算表明采用輕質(zhì)微膨脹混凝土加固對原有拱肋具有顯著的消壓卸荷作用，并且其自重輕，施工方便，強度高，能更好地與原有拱肋截面結(jié)合在一起。
