配置體外CFRP預應力筋混凝土梁的受力性能研究.pdf

1、配置體外碳纖維(CFRP)預應力筋混凝土薄壁梁將成為新建橋梁結構修建和現(xiàn)有橋梁結構加固的一種較好的結構形式，而目前國內外尚缺乏有關該方面的設計規(guī)范，關于體外預應力筋應力增量的計算多用經(jīng)驗公式，或是借用體內無粘結預應力混凝梁預應力增量的計算公式，存在適用性差和準確性低的問題，關于配置體外CFRP預應力筋混凝土梁的受力性能和計算方法有待更全面和系統(tǒng)的研究。本文對體外CFRP預應力筋混凝土T梁和箱梁的彎曲受力性能進行了系統(tǒng)的試驗研究和理論分析

2、，以探求其受力性能和適用計算方法，完成了以下主要工作： (1)通過配置體外CFRP預應力筋混凝土梁的抗彎性能的破壞試驗研究，對其受力過程、承載力、延性性能和破壞模式等進行了描述。從試驗結果得知：配置體外CFRP預應力筋可以大幅度提高混凝土梁的承載力；期望在受壓區(qū)混凝土壓碎之前體外CFRP預應力筋不被拉斷；梁體內非預應力鋼筋可以明顯改善配置體外CFRP預應力筋混凝土梁的裂縫分布和延性，就本文試件而言，配置體外CFRP預應力筋部分預

3、應力混凝土梁的延性指標可達2.5左右；張拉體外預應力筋時是否持荷以及持荷大小對梁的抗彎性能影響很小，可以忽略。 (2)編制了體外預應力混凝土梁的非線性分析程序。本程序可以對任意截面型式的預應力(體外預應力筋、體內無粘結預應力筋、體內有粘結預應力筋)混凝土梁和普通鋼筋混凝土梁進行非線性全過程數(shù)值分析計算，程序可以就轉向塊的布置方式、體外預應力筋縱斷面形狀、體外筋有效預應力的大小及材性、張拉預應力筋時梁的持荷狀態(tài)等因素對體外預應力混

4、凝土梁在外荷載作用下的強度、變形特征、破壞模式等的影響進行分析研究。 (3)以體內非預應力鋼筋配筋率、體外預應力筋配筋率、體外預應力筋布置形式、預應力度、跨高比、荷載形式等為參數(shù)，用非線性分析程序對體預應力筋混凝土梁進行了參數(shù)分析，依據(jù)分析結果提出了以綜合配筋指標和預應力度為參數(shù)的等效變形區(qū)長度的計算公式，進而提出了基于等效變形區(qū)長度的極限撓度計算公式；體內非預應力鋼筋屈服前的撓度計算采用常用的部分預應力混凝土梁撓度計算公式；依

5、據(jù)試驗和非線性數(shù)值計算結果，將不同轉向塊布置形式的體外預應力混凝土梁簡化為跨中一個轉向塊的體外預應力混凝土梁，推導了基于跨中撓度的體外預應力筋應力增量的簡化計算公式。 (4)通過配置體外CFRP預應力筋混凝土薄壁箱梁的短期均布荷載試驗、長期持荷試驗以及長期持荷后的破壞試驗，研究了體外CFRP預應力筋的預應力損失、截面應力分布、變形性能及裂縫開展和分布，得到以下結論：混凝土開裂、長期持荷、體內非預應力受拉鋼筋屈服等因素使翼緣有效寬

6、度計算系數(shù)略有增加(小于8％)；持續(xù)1001 d引起的CFRP筋預應力損失僅為1.47％，卸載后比卸載前僅減小1.27％；持荷1001d時.L/2跨的長期撓曲變形實測值為初始變形的2.32～2.42倍，卸載20d后不可恢復變形為1001d變形的41％；持荷1001d受拉鋼筋應變較初始值增加約65％，卸載后基本無殘余應變；持荷1001d受壓鋼筋應變較初始值增加225％～268％，卸載并恢復20d后不可恢復應變?yōu)槠?001d應變的53％；持

7、續(xù)荷載作用頂板混凝土表面壓應變前期發(fā)展較快，持荷2年左右基本上趨于穩(wěn)定，持荷1001d壓應變較初始值增加164％～224％；持續(xù)荷載作用下初始裂縫寬度隨時間增加而增大，持荷2年左右裂縫寬度與長度基本上趨于穩(wěn)定，持荷1001d實測裂縫寬度為初始值的1.59～2.69倍，卸載并恢復20d后變?yōu)椴豢梢娏芽p；箱梁底板橫向裂縫一般自底板中部開展，并且在各試驗階段底板裂縫寬度沿橫向分布均呈現(xiàn)中間寬兩端窄；各試驗階段箱梁截面腹板處應變沿高度分布基本符

8、合平截面假定。最后，針對配置體外CFRP預應力筋混凝土梁的受力特性，對各規(guī)范和規(guī)程中的裂縫計算公式進行了相應的修正，建立了適用于配置體外CFRP預應力筋混凝土箱梁和T梁短期和長期裂縫寬度的計算公式。 (5)以Mindlin-Reissener中厚板理論為基礎，以U.L列式法建立平板型殼元的幾何非線性有限元基本方程，并將龍馭球提出的厚薄板通用無剪切閉鎖板單元和具有平面內旋轉自由度的任意四邊形膜單元組合成板殼單元，然后引入分層法建立

9、了幾何材料雙重非線性板殼有限元模型，并建立了無粘結預應力筋和雙彈簧單元的幾何非線性有限元基本方程，用雙彈簧單元模擬無粘結預應力筋和混凝土之間的相互作用。以此為理論基礎，編制了大型非線性板殼有限元計算程序，程序可以對體內、體外無粘結預應力混凝土板殼結構和普通鋼筋混凝土板殼結構進行線彈性及雙重非線性計算，可以分級加載來模擬結構從張拉預應力筋到受力破壞的全過程受力反應。 (6)用有限元程序對配置體外CFRP預應力筋混凝土箱梁的抗彎性能

10、進行參數(shù)分析，結果表明：梁的承載能力和剛度隨混凝土強度的發(fā)展而提高；長期持荷會使已開裂梁的初始缺陷增大、承載能力和剛度降低；配置體外CFRP預應力筋的箱梁與配置體外預應力鋼絞線的箱梁開裂荷載基本相等，箱梁開裂后配置體外CFRP預應力筋的箱梁剛度、屈服荷載和極限承載力略低。 (7)用有限元程序對配置體外CFRP預應力筋混凝土箱梁的剪力滯效應進行分析，結果表明：體外預應力混凝土箱梁在線彈性階段的受力適用疊加原理；體外預應力混凝土箱梁

11、在外荷載作用下的翼緣有效寬度計算系數(shù)ρf與普通鋼筋混凝土箱梁基本相同；箱梁在體外預應力筋作用下的ρf與箱梁體在體外預應力筋等效荷載作用下的ρf基本相同；不設轉向塊直線布置的體外預應力筋張拉力作用下，跨中附近梁段基本不存在剪力現(xiàn)象。 (8)依據(jù)試驗和分析結果，對配置體外CFRP預應力筋混凝土箱梁的有效寬度計算系數(shù)適當簡化，并對配置體外CFRP預應力筋混凝土梁的張拉控制應力、體內非預應力受拉鋼筋配筋率、相對受壓區(qū)高度、極限承載能力計