摘要
再生混凝土具有节约资源、保护环境、节省建筑成本等多方面的优势，然而再生混凝土材料的力学性能普遍低于普通混凝土，导致再生混凝土RC梁的抗裂性能及承载能力均弱于普通混凝土RC梁。同时，再生混凝土的徐变、收缩也明显大于普通混凝土，导致再生混凝土RC梁的长期变形更容易出现超限问题。为了改善再生混凝土梁的抗裂性及长期变形，对其施加预应力是最有效的方法之一。然而由于再生混凝土材料自身孔隙率较高且密实度较低，水分和外界腐蚀介质更容易渗透进入结构内部。如果采用传统的钢绞线作为预应力筋，很容易出现钢绞线的锈蚀以及结构性能的劣化。因此，为了避免锈蚀和提升结构耐久性，本课题采用了轻质高强、耐腐蚀的纤维增强复合材料CFRP筋作为预应力筋来替代传统的钢绞线。虽然目前已有大量关于再生混凝土结构的研究，但大部分研究都集中在再生混凝土RC梁领域，对于预应力再生混凝土梁的研究非常少，对于CFRP筋预应力再生混凝土梁的研究更是匮乏。因此，为了探究CFRP筋预应力再生混凝土梁的短期受弯行为和长期持荷性能，本文进行了该结构的短期受弯全过程分析及时变分析研究，提出了全面考虑再生混凝土及预应力筋等材料非线性的数值分析模型，并与相关的试验结果进行了验证，研究成果可为CFRP筋预应力再生混凝土梁的实际工程应用提供理论支撑。本文主要研究工作及成果如下： （1）为了探究CFRP筋预应力再生混凝土梁的抗弯性能，本文建立了CFRP筋预应力再生混凝土梁短期数值分析模型，该模型综合考虑了再生混凝土受压软化、开裂、拉伸刚化等材料非线性行为。其中，模型采用基于过镇海模型修正的再生混凝土本构关系来考虑再生混凝土的非线性受力行为；采用塑性损伤模型，运用图解法计算损伤因子来考虑再生混凝土拉压损伤后的刚度退化。数值分析结果与已有文献中的相关试验数据进行了对比验证，结果显示试验及数值分析结果吻合较好，本文建立的短期数值分析模型可较准确地预测预应力再生混凝土梁受弯全过程、开裂荷载、抗弯承载力及挠度等。 （2）为了研究CFRP筋预应力再生混凝土梁的长期持荷性能，本文建立了综合考虑再生混凝土徐变、收缩、时变开裂、拉伸刚化及预应力筋松弛的时变分析数值模型。该模型采用时步分析方法，以有限元矩阵增量形式建立了再生混凝土的本构模型，采用满足叠加原理的积分型徐变模型来模拟再生混凝土的徐变、收缩特性，运用弥散裂缝模型来考虑再生混凝土的开裂，运用叠加法计算钢绞线及CFRP筋的预应力损失值，包括预应力筋本身的松弛及混凝土徐变、收缩引起的应力损失。该时变分析模型运用FORTRAN程序设计语言编译，通过UMAT子程序二次开发以及ABAQUS分析软件来实现。时变分析结果与已有文献中的长期试验数据进行了对比验证，结果显示试验及时变分析结果吻合较好，该时变分析模型可较准确地预测CFRP筋预应力再生混凝土梁时变行为，包括其长期变形、预应力损失等。 （3）研究发现CFRP筋与钢绞线预应力再生混凝土梁的开裂荷载、承载力及短期挠度均相差不大，且两者的长期变形也非常接近，但钢绞线的预应力损失现象比CFRP筋严重，当预应力水平为CFRP筋抗拉强度的50%时，加载1000天钢绞线的预应力损失值比CFRP筋大25%左右。 （4）与CFRP筋预应力普通混凝土梁相比，CFRP筋预应力再生混凝土梁的开裂荷载较低，但由于两者的破坏模式均为CFRP筋拉断，所以两者的承载力及挠度相差不大。本文还发现再生混凝土取代率对CFRP筋预应力再生混凝土梁的长期变形影响较大，再生混凝土取代率为50%、100%的CFRP筋预应力再生混凝土梁的长期变形分别比预应力普通混凝土梁大28%、63%。因此为了降低构件的长期变形，建议实际工程应用中再生混凝土取代率控制在50%以下。 （5）本文提出了再生混凝土受压区等效矩形应力系数，以及在界限、受压、受拉三种破坏模式下CFRP筋预应力再生混凝土梁的正截面抗弯承载力的理论计算公式，通过与验证过的数值模型计算结果进行对比，显示二者结果吻合较好，证明本文所提出的抗弯承载力计算公式有较好的适用性。同时研究发现，目前规范中的反拱值及开裂荷载计算方法对CFRP筋预应力再生混凝土梁仍然适用。
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