碳纤维增强复合材料预应力混凝土梁的非线性有限元建模

摘要整理

钢索预应力混凝土梁（主梁）广泛应用于公路桥梁中，但预应力钢索易因腐蚀产生截面损失，高应力水平和腐蚀引起的粘结劣化严重威胁梁体结构完整性。因此，耐腐蚀纤维增强复合材料（FRP）被研究作为预应力钢筋的替代品用于先张法预应力混凝土梁。由于大尺度试验数据获取耗时且成本高，经过验证的有限元模型（FEM）可加快研究进程。本文提出了一套便捷且精度充分的CFRP预应力梁有限元建模策略。作者前期对配置复合材料桥面的AASHTO I型梁进行了系列试验，利用试验数据对所建立的有限元方法进行了验证。随后基于该模型进行了参数化研究，探索了超出试验范围的预应力混凝土梁性能。研究参数包括CFRP预应力筋的预应力比、弹性模量、配筋率，以及混凝土和复合材料桥面的性能。分析了这些参数对梁的裂纹荷载、裂纹前后刚度、弯曲承载力和最大挠度的影响。结果表明：预应力比影响CFRP预应力梁的裂纹荷载和挠度，FRP性能影响裂后行为和破坏模式；FRP的抗拉强度和断裂应变分别影响弯曲承载力和挠度，而混凝土性能对梁性能的影响较小。

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