配置體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的受力性能研究.pdf

1、配置體外碳纖維(CFRP)預(yù)應(yīng)力筋混凝土薄壁梁將成為新建橋梁結(jié)構(gòu)修建和現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)加固的一種較好的結(jié)構(gòu)形式，而目前國(guó)內(nèi)外尚缺乏有關(guān)該方面的設(shè)計(jì)規(guī)范，關(guān)于體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量的計(jì)算多用經(jīng)驗(yàn)公式，或是借用體內(nèi)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝梁預(yù)應(yīng)力增量的計(jì)算公式，存在適用性差和準(zhǔn)確性低的問題，關(guān)于配置體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的受力性能和計(jì)算方法有待更全面和系統(tǒng)的研究。本文對(duì)體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土T梁和箱梁的彎曲受力性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析

2、，以探求其受力性能和適用計(jì)算方法，完成了以下主要工作： (1)通過配置體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的抗彎性能的破壞試驗(yàn)研究，對(duì)其受力過程、承載力、延性性能和破壞模式等進(jìn)行了描述。從試驗(yàn)結(jié)果得知：配置體外CFRP預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力筋不被拉斷；梁體內(nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋可以明顯改善配置體外CFRP預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力筋部分預(yù)

3、應(yīng)力混凝土梁的延性指標(biāo)可達(dá)2.5左右；張拉體外預(yù)應(yīng)力筋時(shí)是否持荷以及持荷大小對(duì)梁的抗彎性能影響很小，可以忽略。 (2)編制了體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的非線性分析程序。本程序可以對(duì)任意截面型式的預(yù)應(yīng)力(體外預(yù)應(yīng)力筋、體內(nèi)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋、體內(nèi)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋)混凝土梁和普通鋼筋混凝土梁進(jìn)行非線性全過程數(shù)值分析計(jì)算，程序可以就轉(zhuǎn)向塊的布置方式、體外預(yù)應(yīng)力筋縱斷面形狀、體外筋有效預(yù)應(yīng)力的大小及材性、張拉預(yù)應(yīng)力筋時(shí)梁的持荷狀態(tài)等因素對(duì)體外預(yù)應(yīng)力混

4、凝土梁在外荷載作用下的強(qiáng)度、變形特征、破壞模式等的影響進(jìn)行分析研究。 (3)以體內(nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率、體外預(yù)應(yīng)力筋配筋率、體外預(yù)應(yīng)力筋布置形式、預(yù)應(yīng)力度、跨高比、荷載形式等為參數(shù)，用非線性分析程序?qū)w預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁進(jìn)行了參數(shù)分析，依據(jù)分析結(jié)果提出了以綜合配筋指標(biāo)和預(yù)應(yīng)力度為參數(shù)的等效變形區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算公式，進(jìn)而提出了基于等效變形區(qū)長(zhǎng)度的極限撓度計(jì)算公式；體內(nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服前的撓度計(jì)算采用常用的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁撓度計(jì)算公式；依

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

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

7、續(xù)荷載作用頂板混凝土表面壓應(yīng)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(yīng)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(shí)間增加而增大，持荷2年左右裂縫寬度與長(zhǎng)度基本上趨于穩(wěn)定，持荷1001d實(shí)測(cè)裂縫寬度為初始值的1.59～2.69倍，卸載并恢復(fù)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(yàn)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(yàn)階段箱梁截面腹板處應(yīng)變沿高度分布基本符

8、合平截面假定。最后，針對(duì)配置體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的受力特性，對(duì)各規(guī)范和規(guī)程中的裂縫計(jì)算公式進(jìn)行了相應(yīng)的修正，建立了適用于配置體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土箱梁和T梁短期和長(zhǎng)期裂縫寬度的計(jì)算公式。 (5)以Mindlin-Reissener中厚板理論為基礎(chǔ)，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(wú)剪切閉鎖板單元和具有平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)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(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)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(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和混凝土之間的相互作用。以此為理論基礎(chǔ)，編制了大型非線性板殼有限元計(jì)算程序，程序可以對(duì)體內(nèi)、體外無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板殼結(jié)構(gòu)和普通鋼筋混凝土板殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行線彈性及雙重非線性計(jì)算，可以分級(jí)加載來(lái)模擬結(jié)構(gòu)從張拉預(yù)應(yīng)力筋到受力破壞的全過程受力反應(yīng)。 (6)用有限元程序?qū)ε渲皿w外CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土箱梁的抗彎性能

10、進(jìn)行參數(shù)分析，結(jié)果表明：梁的承載能力和剛度隨混凝土強(qiáng)度的發(fā)展而提高；長(zhǎng)期持荷會(huì)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(yù)應(yīng)力筋的箱梁與配置體外預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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?qū)ε渲皿w外CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土箱梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在線彈性階段的受力適用疊加原理；體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁

11、在外荷載作用下的翼緣有效寬度計(jì)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(yù)應(yīng)力筋作用下的ρf與箱梁體在體外預(yù)應(yīng)力筋等效荷載作用下的ρf基本相同；不設(shè)轉(zhuǎn)向塊直線布置的體外預(yù)應(yīng)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(yàn)和分析結(jié)果，對(duì)配置體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土箱梁的有效寬度計(jì)算系數(shù)適當(dāng)簡(jiǎn)化，并對(duì)配置體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的張拉控制應(yīng)力、體內(nèi)非預(yù)應(yīng)力受拉鋼筋配筋率、相對(duì)受壓區(qū)高度、極限承載能力計(jì)