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预应力FRP筋混凝土结构的应用研究与发展[摘要]FRP筋具有轻质、高强、耐腐蚀、低松弛、便于加工等优良特性，是普通钢筋的良好替代品，本文在对目前研究成果进行分析的基础上，主要介绍了国内外有关FRP 筋的最新研究进展。
[关键词] FRP 筋; 预应力; 混凝土1.前言钢筋混凝土结构的适用至今已有一个多世纪，并成为当今土木工程中应用最广泛的结构材料之一。
但在钢筋混凝土结构使用过程中，由于钢筋的锈蚀对结构耐久性的影响十分严重，造成了巨大的经济损失和资源浪费。
因此，找到一种不腐蚀或者腐蚀缓慢的材料来代替钢筋就成为未来混泥土结构发展的重要趋势之一。
为此，国内外的许多学者在经过大量的科学实验及工程实践研究后普遍认为：通过利用高性能纤维增强复合材料（FRP）来取代普通钢筋或预应力钢筋，能够从根本上解决钢筋的锈蚀问题，并且此种方法可行性高，应用前景非常广泛，随即大力开展对FRP材料的力学特性、加工工艺和结构性能研究，并在实验研究和工程应用等方面均取得了丰硕的成果。
2.FRP筋概述FRP（fiber reinforced plastics，简称FRP）筋是由多股连续的纤维材料通过基材树脂浸渍后，再采用特定加工工艺复合而成的高强度线弹性材料。
目前，混凝土结构中常用的三种FRP筋是：玻璃纤维(GFRP)筋、碳纤维CFRP)筋和芳纶纤维(AFRP)筋。
为了提高筋材与混凝土的粘结性能，经常对拉挤筋材进行表面加工处理，将FRP筋的表面加工成螺纹状、粘砂状或压痕状等。
混凝土结构常见的受力筋主要有棒筋、棒筋束、绞线、带筋、片筋或板筋、网格筋等形式。
FRP筋与普通钢筋相比具有以下优点：抗拉强度高；密度小；耐腐蚀性能好；抗疲劳性能优良；电磁绝缘性好。
3.FRP筋混凝土结构国内外研究与应用现状FRP筋具有轻质、高强、耐腐蚀、低松弛、便于加工等优良特性，是普通钢筋的良好替代品，应用于预应力结构中优势更为明显，还可作为结构体外加固与修复的重要材料。
第 40 卷第 1 期2024 年2 月结构工程师Structural Engineers Vol. 40 ， No. 1Feb. 2024体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的理论与数值分析强旭红1胡文清1胡郭辉1姜旭2，*唐永康3（1.同济大学建筑工程系，上海 200092； 2.同济大学桥梁工程系，上海 200092；3.国能朔黄铁路发展有限责任公司，北京 100080）摘要随着服役时间的增长和车辆荷载的增加，老旧的钢筋混凝土桥梁面临承载力不足、变形超限等问题，采用体外预应力CFRP筋对其加固是一种有效的解决方法。
采用有限元分析软件ABAQUS对某跨度24 m的铁路桥梁进行数值模拟与参数分析，其中，根据不同的CFRP预应力筋的直径（31 mm、43 mm、61 mm）和预应力大小（250 MPa、500 MPa、750 MPa、1 000 MPa、1 250 MPa），获得模型梁的开裂弯矩、梁底钢筋屈服弯矩以及梁开裂时的跨中变形。
将《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）等现行规范的理论计算结果与数值模拟结果进行对比，发现两者吻合良好，误差在15%以内，从而验证了规范中钢筋混凝土梁开裂弯矩计算公式、正截面承载力计算公式以及跨中挠度计算公式对于体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的适用性与准确性，为实际工程加固设计提供参考。
关键词预应力混凝土梁， CFRP筋， ABAQUS，有限元分析，理论计算Theoretical and Numerical Analysis of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Externally Prestressed CFRP Bars QIANG Xuhong1HU Wenqing1HU Guohui1JIANG Xu2，*TANG Yongkang3（1.Department of Structural Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China；2.Department of Bridge Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China；3.Guoneng Shuohuang Railway Development Limited Liability Company， Beijing 100080， China）Abstract With the increase of service time and vehicle load， old reinforced concrete bridges face with many problems such as insufficient bearing capacity，deformation overrun，etc. The use of externally prestressed CFRP reinforcement is an effective solution. In this study， finite element analysis software ABAQUS is used to conduct numerical simulation and parametric analysis on a railway bridge with a span of 24 m. For the different diameters （31 mm，43 mm，61 mm） and prestress levels （250 MPa，500 MPa，750 MPa，1 000 MPa，1 250 MPa）of CFRP prestressed tendons， the cracking bending moment of the model beam， the yield bending moment of the reinforcement at the bottom of the beam and the midspan deformation when the beam cracks can be obtained. By comparing the theoretical calculation results of current Chinese codes such as Code for design of concrete structures（GB 50010—2010） with the numerical simulation results， it can be found that they are in good agreement， with an error of less than 15%， which verifies the rationality and accuracy of the formula for收稿日期：2022-12-12基金项目：国家自然科学基金（52278206，52278207）；国家重点研发计划重点专项（2020YFD1100400）；朔黄铁路发展有限责任公司科研项目（SHGF-18-50）作者简介：强旭红（1984-），女，副教授，博士，博士生导师，主要从事结构加固、结构抗火及高性能材料在土木工程领域应用的研究工作。
钢筋混凝土梁的疲劳性能研究钢筋混凝土梁广泛应用于建筑物、桥梁、水利工程等领域。
在使用过程中，梁的疲劳性能是一个重要的考虑因素。
本文将探讨钢筋混凝土梁的疲劳性能研究。
一、疲劳性能的定义疲劳性能指材料在循环荷载下的耐久性能，即在循环荷载下，材料的抗疲劳裂纹扩展能力。
疲劳性能是材料的一个重要指标，它直接影响材料在工程中的使用寿命和安全性。
二、钢筋混凝土梁的疲劳破坏模式钢筋混凝土梁在循环荷载下的疲劳破坏模式主要有两种：弯曲疲劳和剪切疲劳。
弯曲疲劳是指梁在循环荷载下产生的弯曲变形，导致梁的疲劳破坏。
剪切疲劳是指梁在循环荷载下产生的剪切变形，导致梁的疲劳破坏。
三、影响钢筋混凝土梁疲劳性能的因素1、荷载幅值：荷载幅值是指荷载的最大值和最小值之间的差值。
荷载幅值越大，梁的疲劳寿命越短。
2、荷载频率：荷载频率是指荷载的循环次数。
荷载频率越高，梁的疲劳寿命越短。
3、钢筋质量：钢筋质量是指钢筋的材质和强度等指标。
优质的钢筋可以提高梁的疲劳寿命。
4、混凝土强度：混凝土强度是指混凝土的抗压强度等指标。
强度越高的混凝土可以提高梁的疲劳寿命。
5、截面形状：截面形状是指梁的横截面形状。
不同形状的梁在循环荷载下的疲劳性能不同。
四、疲劳寿命的预测方法疲劳寿命的预测方法主要有试验方法和数值模拟方法。
试验方法是通过对梁进行循环荷载试验，观察梁的疲劳破坏情况，得出梁的疲劳寿命。
数值模拟方法是通过有限元软件对梁进行仿真计算，得出梁的疲劳寿命。
五、改善钢筋混凝土梁的疲劳性能的措施1、减小荷载幅值：减小荷载幅值可以延长梁的疲劳寿命。
2、增加钢筋数量：增加钢筋数量可以提高梁的抗弯强度和疲劳寿命。
3、优化截面形状：优化截面形状可以提高梁的抗弯强度和疲劳寿命。
4、采用高强度混凝土：采用高强度混凝土可以提高梁的疲劳寿命。
5、采用预应力钢筋：采用预应力钢筋可以提高梁的抗弯强度和疲劳寿命。
六、结论钢筋混凝土梁的疲劳性能是一个重要的考虑因素，影响因素包括荷载幅值、荷载频率、钢筋质量、混凝土强度和截面形状等。
钢筋混凝土梁的疲劳试验研究钢筋混凝土梁是建筑工程中常用的结构体系，在一些长期受力作用的情况下，容易发生疲劳破坏。
因此，钢筋混凝土梁的疲劳试验研究显得尤为重要。
本篇文章将从试验原理、试验方法、试验结果和结论等方面，对钢筋混凝土梁的疲劳试验研究进行详细的探讨。
试验原理疲劳试验是指将试件在一定载荷下进行循环加载，以模拟实际使用中的疲劳载荷作用，探究材料在长期受力作用下的疲劳性能。
在钢筋混凝土梁的疲劳试验中，试验材料为钢筋混凝土梁，试验载荷为循环变载荷或等幅变载荷，试验过程中，通过观察试件的变形、裂缝扩展和破坏等情况，来分析材料的疲劳性能。
试验方法疲劳试验可以分为两种，一种是循环变载荷疲劳试验，另一种是等幅变载荷疲劳试验。
循环变载荷疲劳试验是指在一定的载荷范围内，进行循环加载，以模拟实际使用中的载荷变化过程。
等幅变载荷疲劳试验是指在一定的载荷幅值下，进行循环加载，以模拟实际使用中的等幅载荷作用。
两种试验方法均可以模拟实际使用中的疲劳载荷作用，但是两者的试验过程和结果有所不同。
在进行疲劳试验前，需要对试件进行预载荷，以使试件达到一定的应力状态，再进行疲劳试验。
试验过程中，需要记录试件的变形、裂缝扩展和破坏等情况，并对试件进行周期性的检测，以保证试验数据的准确性。
试验结果疲劳试验的结果可以通过应力-应变曲线、载荷-位移曲线、载荷-时间曲线、裂缝扩展曲线等方式来反映试验结果。
通过这些曲线可以分析试件在循环载荷作用下的变形、裂缝扩展和破坏等情况。
试验结果可以用于评价试件的疲劳性能，为工程实践提供依据。
结论钢筋混凝土梁的疲劳试验研究表明，钢筋混凝土梁在循环载荷作用下，容易发生疲劳破坏。
试验结果显示出梁的疲劳强度、残余强度、裂缝扩展速率等都与循环载荷的幅值、频率、持续时间等因素有关。
在实际工程中，需要根据钢筋混凝土梁的使用环境和载荷特点等因素，对梁的尺寸、钢筋配筋和混凝土强度等进行合理设计和选择，以提高梁的疲劳性能，保证工程的安全性和可靠性。
