论文摘要
配置体外碳纤维（CFRP）预应力筋混凝土薄壁梁将成为新建桥梁结构修建和现有桥梁结构加固的一种较好的结构形式,而目前国内外尚缺乏有关该方面的设计规范,关于体外预应力筋应力增量的计算多用经验公式,或是借用体内无粘结预应力混凝梁预应力增量的计算公式,存在适用性差和准确性低的问题,关于配置体外CFRP预应力筋混凝土梁的受力性能和计算方法有待更全面和系统的研究。本文对体外CFRP预应力筋混凝土T梁和箱梁的弯曲受力性能进行了系统的试验研究和理论分析,以探求其受力性能和适用计算方法,完成了以下主要工作:（1）通过配置体外CFRP预应力筋混凝土梁的抗弯性能的破坏试验研究,对其受力过程、承载力、延性性能和破坏模式等进行了描述。从试验结果得知:配置体外CFRP预应力筋可以大幅度提高混凝土梁的承载力;期望在受压区混凝土压碎之前体外CFRP预应力筋不被拉断;梁体内非预应力钢筋可以明显改善配置体外CFRP预应力筋混凝土梁的裂缝分布和延性,就本文试件而言,配置体外CFRP预应力筋部分预应力混凝土梁的延性指标可达2.5左右;张拉体外预应力筋时是否持荷以及持荷大小对梁的抗弯性能影响很小,可以忽略。（2）编制了体外预应力混凝土梁的非线性分析程序。本程序可以对任意截面型式的预应力（体外预应力筋、体内无粘结预应力筋、体内有粘结预应力筋）混凝土梁和普通钢筋混凝土梁进行非线性全过程数值分析计算,程序可以就转向块的布置方式、体外预应力筋纵断面形状、体外筋有效预应力的大小及材性、张拉预应力筋时梁的持荷状态等因素对体外预应力混凝土梁在外荷载作用下的强度、变形特征、破坏模式等的影响进行分析研究。（3）以体内非预应力钢筋配筋率、体外预应力筋配筋率、体外预应力筋布置形式、预应力度、跨高比、荷载形式等为参数,用非线性分析程序对体预应力筋混凝土梁进行了参数分析,依据分析结果提出了以综合配筋指标和预应力度为参数的等效变形区长度的计算公式,进而提出了基于等效变形区长度的极限挠度计算公式;体内非预应力钢筋屈服前的挠度计算采用常用的部分预应力混凝土梁挠度计算公式;依据试验和非线性数值计算结果,将不同转向块布置形式的体外预应力混凝土梁简化为跨中一个转向块的体外预应力混凝土梁,推导了基于跨中挠度的体外预应力筋应力增量的简化计算公式。（4）通过配置体外CFRP预应力筋混凝土薄壁箱梁的短期均布荷载试验、长期持荷试验以及长期持荷后的破坏试验,研究了体外CFRP预应力筋的预应力损失、截面应力分布、变形性能及裂缝开展和分布,得到以下结论:混凝土开裂、长期持荷、体内非预应力受拉钢筋屈服等因素使翼缘有效宽度计算系数略有增加（小于8%）;持续1001 d引起的CFRP筋预应力损失仅为1.47%,卸载后比卸载前仅减小1.27%;持荷1001d时L/2跨的长期挠曲变形实测值为初始变形的2.322.42倍,卸载20d后不可恢复变形为1001d变形的41%;持荷1001d受拉钢筋应变较初始值增加约65%,卸载后基本无残余应变;持荷1001d受压钢筋应变较初始值增加225%268%,卸载并恢复20d后不可恢复应变为其1001d应变的53%;持续荷载作用顶板混凝土表面压应变前期发展较快,持荷2年左右基本上趋于稳定,持荷1001d压应变较初始值增加164%224%;持续荷载作用下初始裂缝宽度随时间增加而增大,持荷2年左右裂缝宽度与长度基本上趋于稳定,持荷1001d实测裂缝宽度为初始值的1.592.69倍,卸载并恢复20d后变为不可见裂缝;箱梁底板横向裂缝一般自底板中部开展,并且在各试验阶段底板裂缝宽度沿横向分布均呈现中间宽两端窄;各试验阶段箱梁截面腹板处应变沿高度分布基本符合平截面假定。最后,针对配置体外CFRP预应力筋混凝土梁的受力特性,对各规范和规程中的裂缝计算公式进行了相应的修正,建立了适用于配置体外CFRP预应力筋混凝土箱梁和T梁短期和长期裂缝宽度的计算公式。（5）以Mindlin-Reissener中厚板理论为基础,以U.L列式法建立平板型壳元的几何非线性有限元基本方程,并将龙驭球提出的厚薄板通用无剪切闭锁板单元和具有平面内旋转自由度的任意四边形膜单元组合成板壳单元,然后引入分层法建立了几何材料双重非线性板壳有限元模型,并建立了无粘结预应力筋和双弹簧单元的几何非线性有限元基本方程,用双弹簧单元模拟无粘结预应力筋和混凝土之间的相互作用。以此为理论基础,编制了大型非线性板壳有限元计算程序,程序可以对体内、体外无粘结预应力混凝土板壳结构和普通钢筋混凝土板壳结构进行线弹性及双重非线性计算,可以分级加载来模拟结构从张拉预应力筋到受力破坏的全过程受力反应。（6）用有限元程序对配置体外CFRP预应力筋混凝土箱梁的抗弯性能进行参数分析,结果表明:梁的承载能力和刚度随混凝土强度的发展而提高;长期持荷会使已开裂梁的初始缺陷增大、承载能力和刚度降低;配置体外CFRP预应力筋的箱梁与配置体外预应力钢绞线的箱梁开裂荷载基本相等,箱梁开裂后配置体外CFRP预应力筋的箱梁刚度、屈服荷载和极限承载力略低。（7）用有限元程序对配置体外CFRP预应力筋混凝土箱梁的剪力滞效应进行分析,结果表明:体外预应力混凝土箱梁在线弹性阶段的受力适用叠加原理;体外预应力混凝土箱梁在外荷载作用下的翼缘有效宽度计算系数ρf与普通钢筋混凝土箱梁基本相同;箱梁在体外预应力筋作用下的ρf与箱梁体在体外预应力筋等效荷载作用下的ρf基本相同;不设转向块直线布置的体外预应力筋张拉力作用下,跨中附近梁段基本不存在剪力现象。（8）依据试验和分析结果,对配置体外CFRP预应力筋混凝土箱梁的有效宽度计算系数适当简化,并对配置体外CFRP预应力筋混凝土梁的张拉控制应力、体内非预应力受拉钢筋配筋率、相对受压区高度、极限承载能力计算、正常使用阶段验算等内容进行了系统建议和总结。
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