1.1 研究背景及意义
交通运输系统是关系到国计民生的生命线工程，而桥梁结构作为该生命线的重要组成部分，其服役质量及使用寿命对保障我国交通运输事业的蓬勃发展至关重要。不利环境侵蚀（冻融循环、碳化、氯离子侵蚀等）及车辆往复荷载作用下，桥梁结构广泛地存在着不同类型和程度的结构损伤，需要加固处理后才能正常使用，然而桥梁加固结构同样存在着耐久性劣化问题，但目前桥梁加固后的评价标准是加固后构件承载力（抗弯、抗剪等）是否满足设计要求，未将加固后构件耐久性及疲劳特性问题纳入规范给予强制限制，导致部分桥梁构件加固后由于耐久性劣化的缘故在较短的时间内便丧失了加固效果，在造成巨大经济浪费的同时往往导致重大安全事故的发生，引发极坏的社会影响。目前针对桥梁结构加固耐久性的研究多是针对健康结构所开展的，而损伤加固构件与健康加固构件的受力性能是不同的，这与损伤类型和程度有关，同时，针对耐久性劣化与结构疲劳特性之间关系的研究也并不多见。加固桥梁结构耐久性劣化势必影响加固结构疲劳寿命，进而导致加固效果的丧失。预应力空心板是公路及市政工程中广泛采用的桥梁结构形式，但由于超载及不利环境的侵蚀，加上早期桥梁设计标准偏低等原因，导致现役预应力空心板耐久性劣化严重，继而出现一定程度的损伤，不得不进行加固处理，但鉴于对预应力混凝土空心板加固耐久性及其对结构疲劳寿命的影响研究不足，导致部分桥梁加固后由于加固耐久性劣化严重及疲劳寿命的快速衰减，过早丧失了加固效果，为工程安全埋下隐患。鉴于此，研究疲劳损伤预应力混凝土空心板在不利环境作用下加固耐久性劣化机理及疲劳寿命衰减规律对于揭示混凝土材料受到环境侵蚀后的力学性能，掌握实际桥梁结构加固耐久性衰退机理、优化加固方案、加固桥梁的检测评定以及对加固桥梁结构剩余寿命预测具有重要的理论价值及工程意义。
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1.2 国内外研究现状
不利环境如碳化、冻融循环等对桥梁结构的长期侵蚀，加上汽车持有量的飞速增长以及超载现象日趋严重，现役桥梁早期破坏现象严重。在我国，截至2011 年年底，全国共有公路桥梁 68.9 万余座，经过技术评定等级为四、五类即“危桥”达到 11000 余座，占桥梁总数的 16.43%；一、二、三类的桥梁达 575797座，占桥梁总数的 83.57%。据日本 NHK 在 2013 年报道，日本相关部门对长度在 15 米以上的约 14.4 万座桥梁进行了调查统计，结果发现，约 5.8 万座（约 41%）的桥梁需要加固维修，另外需要限制通行的桥梁达到 1400 余座。对于出现病害的桥梁结构，如果能够对自身病害损伤进行分析，科学的评估损伤的程度和规律，对损伤桥梁结构进行加固处理，即可提高、恢复原有结构可靠度或延长使用寿命[2]。据交通运输部消息，自 2001 年起至于 2012 年底，我国共加固、维修及改造危桥 21610 座，投入资金达 438.8 亿。从以上数字可以看出，目前国内外桥梁损害现象日趋严重，由此导致的加固维修费用也逐日剧增。早期有关结构耐久性的研究只是针对混凝土材料本身开展的[1~3]，此阶段主要通过制作标准混凝土试件，研究其在不利环境作用下的耐久性衰退机理，如混凝土碳化侵蚀机理研究、模型的建立及优化等[4]，氯离子、硫酸盐侵蚀对混凝土构件耐久性的影响[5~9]以及由于碳化引起钢筋锈蚀过程分析等[10~13]。基于对混凝土材料耐久性的研究，学者们开始尝试从设计角度出发来改善混凝土结构的耐久性，此阶段研究成果主要集中在混凝土结构的耐久性设计及评价方面。如李田、刘西拉[14]通过结合北京具体环境，提出了一种与我国规范相协调的混凝土结构耐久性设计方法。
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2 预应力混凝土空心试验板疲劳预裂及加固处理
本文是针对疲劳损伤加固预应力空心模型板开展环境侵蚀作用下疲劳特性试验研究。因此，本章基于相似比原理，依据标准预应力混凝土空心板设计并制作了模型构件，并确定了试验方案。在进行预应力空心试验板疲劳预裂之前需要对健康试验板进行极限承载力试验，进而通过试验板静载极限承载力来确定试验板疲劳预裂加载荷载。对疲劳预裂试验板采用粘钢板与粘碳纤维布法进行了加固设计与施工，并对加固试验板开展了动静载试验。
2.1 预应力混凝土空心板模型设计
本节依据标准预应力混凝土空心板设计尺寸，基于相似比原理，设计并制作了模型构件。设计模型试验板前需要确定桥梁结构原型板，本次试验原型板为长度为 20m的预应力混凝土标准空心板，设计混凝土标号为 C50，设计荷载为公路二级。依据《相似理论与结构模型试验》[62]，结合实际条件，确定转化后的预应力混凝土模型板长度为 2m，主要考虑特征量纲有：弹性模量 E 、泊松比 ? 、几何尺寸l 、温度线膨胀系数? 、密度 p 等。在确定了几何相似常数lC 后，依据量纲分析法（式 2.1-2.4）计算得出模型板的其它相似系数参见表 2.4，从而确定模型板的具体尺寸，截面尺寸确定后，根据应力相似原理，配置模型板预应力钢绞线，原型板与模型板尺寸及布筋图参见图 2.1.
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2.2 试验方案设计
采用粘钢板与粘碳纤维布两种加固方法加固疲劳损伤（最大裂缝宽度在0.2mm 左右）试验板，再对经加固的试验板开展环境侵蚀耐久性（50 次冻融循环、碳化侵蚀 5mm）劣化试验，最后对耐久性劣化后的试验板开展疲劳特性试验。共计制作七根试验板，分为四组，试验方案设计参见表 2.5。为了能够得到疲劳损伤后的预应力空心板，需要对完好的预应力空心试验板进行疲劳加载预裂处理。依据完好试验板的静载破坏性试验确定极限承载力为 245KN，基于 0.8 的应力比，疲劳上限约取 200KN，疲劳下限约取 60KN，对
试验板进行疲劳预裂处理，为了得到损伤状态相同的试验板，以裂缝宽度为指标，疲劳加载至裂缝宽度为 0.2mm 左右即停止加载，疲劳预裂后的试验板如图2.5 所示。
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3 加固预应力混凝土空心试验板碳化与疲劳特性试验....30
3.1 加固预应力混凝土空心试验板碳化试验......... 30
3.2 碳化侵蚀作用下加固试验板疲劳特性试验..... 34
3.3 本章小结..... 42
4 加固预应力混凝土空心试验板冻融与疲劳特性试验....43
4.1 加固预应力混凝土空心试验板冻融试验......... 43
4.2 冻融循环作用下加固试验板疲劳特性试验..... 48
4.3 本章小结..... 52
5 环境侵蚀作用下不同方法加固试验板疲劳特性对比分析....53
5.1 侵蚀环境作用下不同加固方法加固构件耐久性分析..... 53
5.2 不利环境侵蚀作用下加固构件疲劳试验挠度与应力对比分析..... 54
5.3 加固预应力试验板在侵蚀条件下疲劳过程中动态数据分析......... 67
5.4 加固试验板在侵蚀条件下疲劳过程中模态数据分析..... 68
5.5 环境侵蚀作用下加固试验板疲劳寿命预测..... 74
5.6 本章小结..... 77
5 环境侵蚀作用下不同方法加固试验板疲劳特性对比分析
不同侵蚀环境作用下、不同加固方法加固构件的耐久性劣化机理、力学特性及疲劳特性存在一定差异，通过对比分析同一侵蚀环境作用下不同加固方法耐久性及疲劳特性优劣及不同侵蚀环境作用下相同加固方法耐久性劣化机理及疲劳特性衰减规律对优化桥梁加固设计、完善不利环境作用下桥梁加固机理、提高加固构件使用寿命具有重要的工程价值及理论意义。试验主要是对碳化侵蚀及冻融循环作用下加固构件的耐久性及疲劳特性开展相关研究，加固方法分别采用了粘钢板与碳纤维布法。碳化试验在自主改造的碳化箱中完成，冻融试验在冷库环境下严格按照规范要求实施完成。
5.1 侵蚀环境作用下不同加固方法加固构件耐久性分析
经过碳化侵蚀的一组试验板，力学性能上来看，主要表现为抗压强度、弹性模量的增加，以及化学反应引起的混凝土的表面膨胀；从微观和细观上来看，碳化反应生成的碳化钙填充在浆体空隙中，碳化作用降低了混凝土内部的孔隙率，提高了混凝土的密实度，但脆性较大；粘碳纤维布与粘钢板加固的试验板，经过碳化侵蚀后，混凝土表面略微膨胀，其中粘钢板加固的试验板，在碳化池湿热的环境中，钢板锈迹较明显。经过冻融循环侵蚀的一组试验板，从同条件下养护的试块表观上来看，主要表现为在冻融循环的过程中，表面渐渐的产生浮浆，表面出现细微的小裂纹，并且出现粗糙状：在宏观物理性能上，主要是混凝土内部密实性降低造成质量损失从而导致相对动弹模量降低，经冻融循环后的碳纤维布与混凝土界面出现局部剥离；在力学性能上，主要表现为抗压强度、弹性模量的下降。
结论
基于粘钢板与粘碳纤维布法加固的疲劳损伤预应力空心板模型构件，通过对其开展环境侵蚀（碳化与冻融循环）作用下的疲劳特性试验，研究了环境侵蚀作用下疲劳损伤桥梁加固结构的力学及疲劳性能，主要研究结论如下：
（1）通过对粘钢法和粘碳纤维布法加固疲劳损伤试验板开展力学性能试验，验证了现行加固设计理论的可靠性，两种加固方法均具有较好的加固效果。研究表明：粘钢加固试验板，挠度降低了 10%~40%，应变减小了 10%~25%；粘碳纤维布加固试验板，挠度降低了 10%~30%，应变减小 5%~25%。
（2）分析了不利环境侵蚀下加固构件的抗疲劳性能。疲劳试验表明：碳化与冻融循环侵蚀作用下的加固构件均达到 200 万次疲劳寿命，具有较好的抗疲劳性能；侵蚀环境作用下，粘碳纤维布加固构件抗裂性较好，疲劳过程裂缝发展较为缓慢，粘钢加固构件原疲劳损伤裂缝基本没有扩展，具有良好的疲劳抗裂性能，对于环境侵蚀作用下提高桥梁结构的疲劳抗裂性具有十分重要的意义；环境侵蚀作用较大程度上降低了加固结构的耐久性，特别是疲劳后期耐久性急剧衰减。
