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纤维增强复合材料(FRP)与传统钢筋相比具有高强度、耐腐蚀、重量轻等优势,受到工程界越来越多的青睐,广泛应用在建筑、桥梁、码头等建设工程中,尤其在预应力加固和修复领域表现尤为突出。然而,高温下和高温后预应力FRP材料混凝土构件的衰减规律并不明确,相关研究文献较少,因此亟需对其耐火特性进行系统研究。本文在分析了国内外FRP材料和预应力混凝土构件高温力学性能基础上,展开了高温下和高温后CFRP筋材料与预应力CFRP筋混凝土受弯构件的抗火试验和理论研究。具体研究内容及成果如下:(1)CFRP筋高温力学性能试验研究本文对CFRP筋高温力学性能进行了全面的试验研究,包括膨胀系数试验、高温下(恒温加载和恒载升温)试验和高温后试验,获得了CFRP筋高温力学特性随温度的变化规律。试验结果表明:a)CFRP筋热膨胀纵向变形与普通钢筋不同,随着温度的升高不断减小,属于收缩变形;b)高温下CFRP筋的极限抗拉强度和弹性模量随着温度的升高不断降低,同时在恒温加载和恒载升温的对比研究中,恒载升温获得的力学特性比恒温加载获得力学特性偏高,但差异并不显著,主要原因是:由于恒温加载额外30min的温度稳定和恒载升温CFRP筋表面瞬间温度高于内部温度两方面原因造成;c)在高温后CFRP筋的材性试验中,当经历的最高温度不超过200℃时,CFRP筋力学性能有较大恢复;当超过300℃,其力学特性无法恢复并随着曾经经历的最大温度增加而迅速降低;d)根据获得的CFRP筋材料高温试验数据,利用多项式模型、双曲正切函数模型和指数函数模型对CFRP筋高温力学特性拟合,获得的拟合表达式与试验结果吻合较好,可作为CFRP材料高温力学特性的本构方程。(2)预应力CFRP筋混凝土构件耐火性能试验研究首先,对预应力CFRP筋混凝土构件的常温静力特性进行了试验研究,结果表明:a)预应力混凝土构件跨中挠度-荷载变化曲线呈现四阶段发展规律,分别为反拱阶段、弹性阶段、开裂弹性阶段和塑性阶段;b)从开始加载到构件发生破坏,可明显观察到CFRP筋应力增量与跨中挠度基本成线性关系。其次,在获得常温构件极限承载力的基础上,进行了9根火灾下预应力CFRP筋混凝土构件的抗火性能试验,研究参数包括受火时间、张拉控制应力、持荷水平和涂料厚度。试验结果表明:a)当构件截面尺寸、防火涂料保护层厚度和受火时间相同时,各个构件截面温度场变化规律相似,受持荷水平和张拉控制应力大小等因素影响较小;b)在火灾下混凝土构件挠度和CFRP筋应力不断增大,当CFRP筋应力超过材料高温极限抗拉强度时,筋材的断裂导致挠度迅速增大;当持荷水平不断增加时,相同受火时间对应的CFRP筋应力和跨中挠度不断增大,而构件抗火时间减小;张拉控制应力的降低,并不能有效增加构件受火时间,主要是由于CFRP筋受高温时的横向膨胀作用,导致涂抹在筋材表面的防火涂料脱落或产生较大开裂裂缝,当涂抹厚度较薄时,对CFRP筋的保护作用有限,因此对于涂抹在CFRP筋表面的防火涂料应适当增加其防火厚度;c)当受火时间较短时,对CFRR筋并未发生断裂的构件进行火灾后力学性能试验。与常温静载试验构件相比,火灾后预应力混凝土构件荷载-挠度曲线呈二折线,在普通钢筋屈服之前,荷载和挠度呈线性增长,钢筋屈服之后,荷载变化不大而挠度快速增长。同时,火灾后预应力CFRP筋混凝土构件跨中挠度与应力增量变化规律和常温静载试验构件变化规律具有相似性,均成线性增长关系。(3)预应力混凝土构件温度场分析基于混凝土构件内部各点经历的温度变化一般不受荷载和构件变形的影响,利用ABAQUS商用软件建立有限单元温度模型,对于预应力混凝土构件温度场变化规律进行全过程分析,并将计算结果与试验结果进行对比,吻合较好,为后续预应力混凝土受弯构件结构力学特性分析奠定基础。(4)预应力CFRP筋混凝土构件火灾下结构性能分析首先,通过ABAQUS商用软件,利用混凝土构件各组成材料高温力学本构关系,建立有限单元力学模型,为加快计算效率,采用四分之一建模方法对预应力CFRP筋混凝土构件进行热-力耦合分析,得到的CFRP筋应力和跨中挠度计算结果与试验结果吻合较好。基于验证的有限单元模型,对混凝土构件主要影响参数进行分析,获得了防护层厚度和导热系数对CFRP筋温度、应力和构件挠度的影响规律。其次,为了进一步理解火场温度作用下预应力混凝土受弯构件的结构性能,基于分段原理,提出了预应力混凝土构件性能的基于荷载和温度作用耦合曲率,四参数迭代共轭梁综合计算方法。采用Python语言进行编程,同样对CFRP筋应力和跨中挠度随受火时间的变化规律进行了分析计算,与试验结果吻合较好,验证了修正理论方法的有效性。(5)预应力CFRP筋混凝土构件火灾后结构性能分析火灾后预应力混凝土构件结构性能非线性分析与火灾下相似,不同在于温度场的计算。火灾后混凝土构件结构性能分析需要获得截面过火温度场的分布,才能通过给出的高温后混凝土构件各组成材料的本构关系进行计算分析。因此,首先编制ABAQUS子程序USDFLD,得到构件各点曾经经历最大温度值;其次将过火温度场代入有限单元力学模型和修正理论模型中进行分析,最后获得的计算结果和试验结果进行对比分析,吻合较好。同时,为了满足工程设计人员的要求,提出了火灾后预应力CFRP筋混凝土构件简化计算方法,得到的结果同样满足精度要求。