體外預應力CFRP筋混凝土連續梁疲勞性能研究.pdf

1、體外預應力混凝土已被廣泛應用于橋梁工程、加固工程及大跨度屋蓋等結構工程。隨著結構設計使用年限的延長和應用于不利環境（酸、堿、氯鹽、潮濕環境等）的情況越來越多，傳統鋼質的體外預應力筋在交變荷載下的疲勞問題，在腐蝕環境下的銹蝕問題，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應力結構的安全性和耐久性造成不利影響。碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）筋因具有輕質高強

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

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坐標系中近似呈線性關系。隨著荷載循環次數的增加，試驗梁疲勞加載跨跨中撓度、體外CFRP筋應力、鋼筋應力及主裂縫寬度不斷發展，并呈“快速增長-穩定緩慢增長-急劇增長”的三階段發展規律。與首次加載時連續梁的彎矩分布相比，疲勞加載跨跨內控制截面的彎矩（正彎矩）呈“快速減小-穩定緩慢減小-急劇減小”、中支座截面的彎矩（負彎矩）呈“快速增長-緩慢穩定增長-急劇增長”的三階段發展規律，連續梁

4、出現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“疲勞內力重分布”現象。疲勞破壞后，疲勞加載跨跨內控制截面的疲勞彎矩重分布系數βf超過20％，中支座截面的疲勞彎矩重分布系數βf超過80％。
　　(2)對體外預應力CFRP筋（鋼絞線）混凝土連續梁進行了靜力全過程非線性分析，采用MATLAB編程對靜載下連續梁的跨中撓度、體外筋應力、普通受拉鋼筋應變、控制截面彎矩等參數進行了分析計算。計算結果與試驗結果相一致，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應力CFRP筋混凝土連續梁截面內應力重分布以及沿梁縱向截面間疲勞內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梁的疲勞壽命、跨中撓度、體外CFRP筋應力、普通受拉鋼筋應力、控制截面彎矩及抗彎剛度等重要參數進行了分析計算。與試驗實測結果的比較表明，該方法可以較好地描述疲勞荷載作用下體外預應力CFR

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

7、面的預應力次彎矩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，而疲勞荷載下連續梁預應力次彎矩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筋應力的變化對預應力連續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應力次彎矩的影響占主導作用。
　　(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筋的有效預應力及配筋率、跨中截面與

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