| 项目基本内容 |
本课题结合既有混凝土桥梁复杂区域承载力评估与加固方法研究的的最新进展和特
点，为延长混凝土桥梁的使用寿命，提高耐久性，确定本项目的研究内容如下：
（1）既有混凝土桥梁开裂及钢筋锈蚀后 D 区拉杆、压杆截面尺寸及有效强度取值研
究。 (a)研究 D 区开裂及钢筋锈蚀对瓶形压杆力学性能的影响，建立开裂宽度和钢筋锈蚀
率与各类压杆强度之间的关系；建立 D 区开裂及钢筋锈蚀后各类压杆的荷载-变形之间的
关系； (b)研究钢筋锈蚀对拉杆力学性能的影响，建立钢筋锈蚀率与拉杆强度之间的关系，
明确不同锈蚀程度下钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系； (c)研究钢筋锈蚀作用下混凝土
主应力大小、纵向钢筋、横向钢筋及斜向钢筋的应变大小以及混凝土裂缝宽度，提出在
钢筋锈蚀作用下的各类压杆、拉杆的截面尺寸、有效强度的计算公式。
（2）既有混凝土桥梁钢筋锈蚀后 D 区节点有效强度取值研究。研究钢筋锈蚀分别对
CCC、 CCT 两种节点力学性能的影响，建立不同的钢筋锈蚀程度与各类节点强度之间的
关系；建立节点锈蚀后，复杂受力条件下各类节点的荷载-应变本构模型，提出节点的有
效强度计算公式。
（3）基于多尺度、精细化拓扑优化分析的钢筋锈蚀后 D 区拉压杆模型构形及传力机
理研究。 (a)结合依托工程、建立钢筋锈蚀后 D 区多尺度、精细化有限元模型，给出既有- 2 -
混凝土桥梁 D 区的应力场分布。 (b)以最小应变能为目标函数，采用拓扑优化技术，建立
既有混凝土桥梁 D 区的拉压杆模型构形，明确节点的位置，揭示既有混凝土桥梁 D 区承
载力评估与加固的传力机理。
（4）既有混凝土桥梁钢筋锈蚀后 D 区剩余承载力评估与加固计算。 (a)在上述研究
的基础上，对优化建立的拉压杆模型引入考虑钢筋锈蚀后因素的拉杆、压杆及节点的有
效强度，建立既有混凝土桥梁钢筋锈蚀后 D 区剩余承载力评估方法。 (b)明确既有结构与
加固部分之间力的分配原则，由塑性下限定理确定加固所用拉压杆模型构形，建立 D 区
加固计算方法。
以上研究内容采用试验研究、理论研究及工程实践相结合的技术路线完成。
[主要研究成果]：
（1）认知了钢筋锈蚀后瓶形压杆的结构行为，揭示了此类压杆的裂缝、 应力分布规
律以及破坏模式、建立了钢筋锈蚀后瓶形压杆的强度有效系数计算公式。
（2） 建立了不同钢筋锈蚀率下 CCC 节点和 CCT 节点有效强度系数取值。
（3）针对压力等值线的形状，结合不同的边界条件，提出了新的压力等值线方程，
充分考虑了压力等值线在 x=0 和 x=k×b 两处等值线的特征，建立的瓶形压杆的压力分散
模型和 Guyou 模型一致，反映了集中力系数和最大横向拉应力之间的关系。基于力的分
解和应力叠加原理，求解了不同高宽比瓶形压杆的劈裂力计算公式。选择推导的公式之
一进行了试验验证，结果表明目前的 ACI 和 AASHTO 公式计算瓶形压杆的劈裂力时，较
为保守，而提出的公式具有较好的精度，跟试验值更加吻合。表 4 给出了本项目建立的
劈裂力计算公式与其它学者建立的公式边界条件取值上的差异。
（4）针对既有混凝土桥梁复杂区域受力特点，采用拓扑优化分析技术，考虑钢筋锈
蚀引起的拉杆、压杆及节点的软化效应，建立了基于拉压杆模型的承载力评估和加固方
法。
（5）针对新沂河大桥体外预应力锚固块的配筋设计问题，确定边界条件和受力条
件，建立有限元模型，如图 1 所示。- 3 -
图 1 建立体外预应力加固齿块连续体有限元模型
[标准、指南、工法、专利、论文等成果]：
（1） 桥梁顶升后薄壁空心墩与原墩柱的连接方法及其装置发明专利证书（中华人民
共和国国家知识产权局，证书号第 1796478 号）
（2） 桥梁顶升过程中的桥墩连接装置及其施工方法发明专利证书（中华人民共和国
国家知识产权局，证书号第 1711167 号）
（3） Aimin Yuan, Shoulong Qian, Yu He, and XiaoWen Zhu. (2013). “Capacity
Evaluation of a Prestressed Concrete Adjacent Box Girder with Longitudinal Cracks in the
Web[J].” Journal of Performance of Constructed Facilities, 29(1)： 04014028-1-9， DOI:
10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000480 ). (SCI)
（4） Aimin Yuan, Yu He, Hang Dai, and Leike Cheng. (2014) “Experimental study on
precast segmental bridge box girder with external unbonded and internal bonded
post-tensioning under monotonic vertical loading[J].” Journal of Bridge Engineering, 2015,
20(4), 04014075-1-12. DOI: 10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0000663 ).(SCI)
[主要创新点]：
（1）揭示了不同配筋形式、不同钢筋锈蚀率及不同加载垫板尺寸的瓶形压杆在不同
荷载作用下的结构行为，提出了考虑钢筋锈蚀的瓶形压杆强度有效系数；
（2）考虑钢筋锈蚀作用，建立既有混凝土复杂区域的 CCC 节点和 CCT 节点的强度
有效系数；
（3）基于应力等值线模型，考虑不同的边界条件，建立了不同高宽比的瓶形压杆劈
裂力计算公式；
（4）同时考虑了钢筋锈蚀、混凝土碳化、混凝土开裂引起的拉杆、压杆及节点的软
化效应，建立了复杂区域承载力评估和加固方法。- 4 -
[研究成果的科学意义及应用前景]：
本项目开展混凝土桥梁复杂区域的承载力评估方法和加固机理研究，揭示了不同配
筋形式、不同加载垫板尺寸和不同钢筋锈蚀率的瓶形压杆在不同荷载作用下的结构行为；
提出了瓶形压杆和 CCC、 CCT 节点的强度有效系数；推导了不同高宽比的瓶形压杆劈裂
力计算公式；建立了既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估和加固计算方法。
本项目研究成果完善了混凝土桥梁复杂区域的承载力评估和加固的计算理论，对 D
区出现病害的桥梁的维修和养护具有重要的指导作用，成果具有良好的应用前景。 |
