體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土連續(xù)梁疲勞性能研究.pdf

1、體外預(yù)應(yīng)力混凝土已被廣泛應(yīng)用于橋梁工程、加固工程及大跨度屋蓋等結(jié)構(gòu)工程。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限的延長和應(yīng)用于不利環(huán)境（酸、堿、氯鹽、潮濕環(huán)境等）的情況越來越多，傳統(tǒng)鋼質(zhì)的體外預(yù)應(yīng)力筋在交變荷載下的疲勞問題，在腐蝕環(huán)境下的銹蝕問題，以及疲勞、銹蝕耦合作用下的銹蝕疲勞問題，一定程度上會對體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性造成不利影響。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）筋因具有輕質(zhì)高強(qiáng)

2、、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)越性能，被認(rèn)為是能部分替代鋼質(zhì)體外預(yù)應(yīng)力筋的一種理想材料。本文采用試驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方法，對體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土連續(xù)梁的疲勞性能展開了研究，主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)進(jìn)行了5根截面尺寸及配筋形式完全相同的體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土兩跨連續(xù)梁的靜載及疲勞試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)變量為疲勞荷載水平S（S=Pmax/Pu）。疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)梁的疲勞破壞形態(tài)為梁內(nèi)受拉鋼筋疲勞斷裂。試驗(yàn)梁的疲勞壽命隨

3、疲勞荷載水平的增加而減小，且疲勞壽命與疲勞荷載水平在雙對數(shù)坐標(biāo)系中近似呈線性關(guān)系。隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，試驗(yàn)梁疲勞加載跨跨中撓度、體外CFRP筋應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力及主裂縫寬度不斷發(fā)展，并呈“快速增長-穩(wěn)定緩慢增長-急劇增長”的三階段發(fā)展規(guī)律。與首次加載時連續(xù)梁的彎矩分布相比，疲勞加載跨跨內(nèi)控制截面的彎矩（正彎矩）呈“快速減小-穩(wěn)定緩慢減小-急劇減小”、中支座截面的彎矩（負(fù)彎矩）呈“快速增長-緩慢穩(wěn)定增長-急劇增長”的三階段發(fā)展規(guī)律，連續(xù)梁

4、出現(xiàn)了疲勞荷載下由于沿梁縱向各截面剛度不均勻退化而引起的“疲勞內(nèi)力重分布”現(xiàn)象。疲勞破壞后，疲勞加載跨跨內(nèi)控制截面的疲勞彎矩重分布系數(shù)βf超過20％，中支座截面的疲勞彎矩重分布系數(shù)βf超過80％。
　　(2)對體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋（鋼絞線）混凝土連續(xù)梁進(jìn)行了靜力全過程非線性分析，采用MATLAB編程對靜載下連續(xù)梁的跨中撓度、體外筋應(yīng)力、普通受拉鋼筋應(yīng)變、控制截面彎矩等參數(shù)進(jìn)行了分析計算。計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致，精度良好。

5、　　(3)建立了混凝土、鋼筋及CFRP筋的疲勞損傷模型，基于分段線性原理，提出了可以同時考慮疲勞荷載作用下體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土連續(xù)梁截面內(nèi)應(yīng)力重分布以及沿梁縱向截面間疲勞內(nèi)力重分布的疲勞損傷全過程非線性分析方法。采用MATLAB編程對疲勞荷載下連續(xù)梁的疲勞壽命、跨中撓度、體外CFRP筋應(yīng)力、普通受拉鋼筋應(yīng)力、控制截面彎矩及抗彎剛度等重要參數(shù)進(jìn)行了分析計算。與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果的比較表明，該方法可以較好地描述疲勞荷載作用下體外預(yù)應(yīng)力CFR

6、P筋混凝土連續(xù)梁的全過程結(jié)構(gòu)響應(yīng)，分析模型較為可靠。
　　(4)基于疲勞全過程非線性分析程序，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法分析了疲勞荷載下體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土連續(xù)梁中支座截面次彎矩的變化規(guī)律。研究表明，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，本文連續(xù)梁中支座截面預(yù)應(yīng)力次彎矩呈“快速增長、緩慢增長、迅速增長”的三階段發(fā)展規(guī)律。與首次加載時的連續(xù)梁中支座截面的預(yù)應(yīng)力次彎矩Ms相比，連續(xù)梁在疲勞破壞后的次彎矩Ms增幅可達(dá)28％以上。鋼筋疲勞斷裂后連續(xù)梁中支座截

7、面的預(yù)應(yīng)力次彎矩Ms值以及疲勞荷載引起的次彎矩Ms增量（與首次加載相比）會隨著施加的疲勞荷載水平S的增加而減小，而疲勞荷載下連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力次彎矩Ms的增長速率則會隨著疲勞荷載水平S的增加而增大。同時指出，疲勞荷載下體外CFRP筋應(yīng)力的變化對預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁次彎矩的影響相對較小，而縱向截面間相對剛度的變化對預(yù)應(yīng)力次彎矩的影響占主導(dǎo)作用。
　　(5)采用編制的疲勞全過程非線性分析程序定量地分析了體外CFRP筋的有效預(yù)應(yīng)力及配筋率、跨中截面與

8、中支座截面受拉鋼筋配筋率之比、混凝土強(qiáng)度等級、體外預(yù)應(yīng)力筋類型等參數(shù)對體外預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁疲勞壽命的影響。通過比較體外CFRP筋和體外鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的疲勞壽命及破壞形態(tài)表明，采用CFRP筋代替鋼絞線作為體外筋，不失為提高體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性的一種有效方法。
　　(6)為了便于工程應(yīng)用，提出了可以不通過疲勞全過程非線性分析即可簡便地進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土連續(xù)梁疲勞壽命分析的“兩階段”疲勞壽命理論預(yù)