當今世界混凝土用量越來越大，應用范圍越來越廣，而輕質、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)達國家在輕質混凝土的研究和應用領域處于領先地位。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構的主要部件，又能用于直接承受車輛荷載的橋面結構。國內以清華大學、同濟大學為代表的一些科研院所在高強輕質混凝土的材料性能方面做了較深入的研究[3]，試驗配置出的輕質混凝土28天抗壓強度可達到60～80MPa。而國內實際大規(guī)模生產的輕質混凝土,抗壓強度一般僅為7.5～30MPa。中國建筑材料科學研究院等機構在輕質混凝土的應用方面做了許多研究，取得了一定的成果。國內目前輕質混凝土在建筑結構中應用較多，其中用于砌體，剪力墻等占大部分，而用于主要承重結構如梁、柱的較少?？傊?在國內，輕質混凝土的應用水平和規(guī)模均相當落后，在工程中應用尚處于初級階段，在橋梁工程方面，還沒有相關的應用規(guī)程和規(guī)范，工程運用實例很少。為了掌握輕質微膨脹混凝土物理力學性能，進而推動輕質高強微膨脹混凝土在國內的應用,首先對輕質高強微膨脹混凝土的配合比[4]進行了研究，然后將配制出的輕質高強微膨脹混凝土應用于實橋加固，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，急需對其進行加固和拓寬改造。
圖1 拓寬前后橋面系構造
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傳感器。傳感器分為兩類，一類是鋼筋計，鋼筋計的埋設方法為先將埋設處的鋼筋截開，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。傳感器的具體埋設位置如圖2所示：
圖2 5＃拱肋傳感器埋設示意圖
2、膨脹變形作用下組合截面的應力應變分析
取一段拱肋，當縱向纖維之間不受約束，能自由伸縮時，設新加固拱肋部分由于膨脹作用產生的應變?yōu)?img alt="輕質高強微膨脹混凝土在舊橋加固中的應用研究" src="http://www.zgqljg.com//uploadfile/201011/20101111154132000.jpg" />。
圖3 膨脹自應力計算示意圖
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中陰影部分的應變，由縱向纖維之間的約束產生：
（2）
由 產生的應力為膨脹產生的自應力，新、舊拱肋部分自應力分別為：
（3）
（4）
由于在單元梁段上無外荷載作用，因此自應力在截面上是自平衡狀態(tài)的應力，可利用截面上應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、舊拱肋部分自內力分別為：
根據(jù)求得的
和
值，可以計算出截面形心處的應變與曲率，然后利用彈性中心法計算次內力。
3、超靜定結構中收縮徐變引起的次內力產生的應力和應變計算
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
由結構對稱對稱性可知：
則
4）求自由項
和
由于組合截面因膨脹作用產生的
和
已求出。因此
5）內力計算
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力所產生應力應變。將以上三部分所得結果相疊加，便可得到本時段的應力應變增量。據(jù)此即可求出整個時域內每一時刻組合截面上各點的應力和應變。
4、測控點應力應變實測值與理論值對比分析
根據(jù)以上理論及公式，編制了相應程序，對加固過程中埋設的傳感器進行了分析計算，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[4]。
圖5 512#傳感器理論、實測應變對比圖 圖6 512#傳感器理論、實測應力對比圖
圖7 683#傳感器理論、實測應變對比圖 圖8 683#處傳感器理論、實測應力對比圖
圖9 664#傳感器理論、實測應變對比圖 圖10 664#傳感器理論、實測應變對比圖
圖11 530#傳感器理論、實測應變對比圖 圖12 530#傳感器理論、實測應力對比圖
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)拉應變（拉應變?yōu)檎?
2） 采用輕質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合。
3） 膨脹變形作用下組合截面應力重分布以及在超靜定結構中產生的次內力在新加固截面中產生壓應力（壓應力為負），因此采用輕質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、結論
本文將輕質高強微膨脹混凝土應用于橋梁主要受力構件的加固改造。計算表明采用輕質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合在一起。
