CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能的試驗(yàn)與機(jī)理探究

CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能的試驗(yàn)與機(jī)理探究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景在土木工程領(lǐng)域，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)憑借其施工簡(jiǎn)易便捷、可應(yīng)用于新建與服役結(jié)構(gòu)維修加固、不中斷交通、易于檢測(cè)、截面尺寸小、自重輕、預(yù)應(yīng)力筋替換維護(hù)方便、預(yù)應(yīng)力摩擦損失小、施工工期短及不削弱截面等諸多優(yōu)點(diǎn)，在橋梁等結(jié)構(gòu)建設(shè)與加固中得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的體外預(yù)應(yīng)力鋼筋存在嚴(yán)重的銹蝕問(wèn)題，這極大地影響了體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。在海洋環(huán)境、化學(xué)工業(yè)腐蝕性介質(zhì)等特殊環(huán)境下的橋梁，因設(shè)計(jì)、施工或使用維護(hù)不當(dāng)，往往在十幾年甚至幾年內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)因預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂破壞等缺陷。隨著使用時(shí)間的增加，惡劣環(huán)境以及混凝土中各種有害化學(xué)物質(zhì)的反復(fù)作用，橋梁結(jié)構(gòu)中各個(gè)組成部分的使用功能都將持續(xù)退化，其中預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕損傷最為隱蔽且對(duì)結(jié)構(gòu)影響最大。一旦發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕損傷，多數(shù)結(jié)構(gòu)已處于晚期，維修、加固成本相當(dāng)高。碳纖維筋（CarbonFiberReinforcedPolymers，簡(jiǎn)稱CFRP）作為一種高性能新型材料，自20世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái)，隨著研發(fā)、生產(chǎn)等相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，在土木工程領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。CFRP筋與鋼筋相比，具有抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐疲勞性能好、質(zhì)輕等顯著優(yōu)勢(shì)。其抗拉強(qiáng)度通常是普通鋼筋的數(shù)倍，能夠有效提高結(jié)構(gòu)的承載能力；優(yōu)異的耐腐蝕性能使其在惡劣環(huán)境下仍能保持良好的性能，避免了鋼筋銹蝕帶來(lái)的一系列問(wèn)題；良好的耐疲勞性能則使其更適合應(yīng)用于承受反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)中；同時(shí)，較輕的質(zhì)量可以減輕結(jié)構(gòu)自重，相應(yīng)提高新建結(jié)構(gòu)或加固結(jié)構(gòu)的承載能力，并節(jié)省預(yù)應(yīng)力筋材料。因此，采用CFRP筋材作為體外預(yù)應(yīng)力筋的混凝土梁可有效避免傳統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕問(wèn)題，在體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中用CFRP筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的體外預(yù)應(yīng)力鋼筋，具有較高的理論研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。1.1.2研究意義本研究對(duì)解決鋼筋銹蝕問(wèn)題、提升結(jié)構(gòu)性能和推動(dòng)CFRP筋應(yīng)用具有重要意義，在理論與工程實(shí)踐方面均有重要價(jià)值。從理論層面來(lái)看，當(dāng)前對(duì)于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能研究尚不夠完善，相關(guān)理論體系有待進(jìn)一步充實(shí)。通過(guò)開展CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪試驗(yàn)研究，能夠深入探究CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在受剪過(guò)程中的力學(xué)行為和破壞機(jī)理，為建立更加完善、準(zhǔn)確的CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪理論提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)，從而豐富和拓展了CFRP筋在體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的理論研究。在工程實(shí)踐方面，首先，本研究成果有助于解決傳統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕這一長(zhǎng)期困擾工程界的難題，提高結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，降低結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，對(duì)于保障橋梁等重要基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。其次，深入了解CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更科學(xué)、合理的參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的承載能力和可靠性，使結(jié)構(gòu)在滿足安全要求的前提下更加經(jīng)濟(jì)合理。此外，本研究還能為CFRP筋在土木工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持，推動(dòng)CFRP筋這一新型材料在新建結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用，促進(jìn)土木工程行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著CFRP筋在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能開展了一系列研究工作。在國(guó)外，早期的研究主要集中在CFRP筋的材料性能以及其在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的可行性分析。隨著研究的深入，學(xué)者們開始通過(guò)試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。例如，[國(guó)外學(xué)者姓名1]通過(guò)對(duì)多組不同參數(shù)的CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行試驗(yàn)，分析了預(yù)應(yīng)力水平、剪跨比等因素對(duì)梁抗剪性能的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力水平的提高可以有效提高梁的抗剪承載力，但當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平超過(guò)一定值后，其對(duì)抗剪承載力的提升效果逐漸減弱。[國(guó)外學(xué)者姓名2]利用有限元軟件對(duì)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能進(jìn)行模擬分析，研究了梁在受剪過(guò)程中的應(yīng)力分布和變形規(guī)律，為梁的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。國(guó)內(nèi)的研究起步相對(duì)較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。國(guó)內(nèi)學(xué)者在借鑒國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)工程實(shí)際情況，開展了大量具有針對(duì)性的研究工作。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名1]進(jìn)行了CFRP體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁斜截面抗剪性能試驗(yàn)，研究表明CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的剪切受力過(guò)程與傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁相類似，經(jīng)歷了彈性階段、裂縫擴(kuò)展階段、與斜裂縫相交的體內(nèi)箍筋屈服階段和破壞階段。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名2]通過(guò)對(duì)不同布筋形式的CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討了布筋形式對(duì)梁抗剪性能的影響，提出了合理的布筋建議以提高梁的抗剪性能。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有研究中考慮的影響因素還不夠全面，例如對(duì)于CFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能、不同錨固形式對(duì)梁抗剪性能的影響等方面的研究還相對(duì)較少。另一方面，目前關(guān)于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力的計(jì)算方法還不夠完善，不同的計(jì)算方法之間存在一定的差異，缺乏統(tǒng)一的、被廣泛認(rèn)可的計(jì)算理論，這在一定程度上限制了CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在工程中的應(yīng)用。此外，對(duì)于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在長(zhǎng)期荷載作用下的抗剪性能變化規(guī)律以及耐久性等方面的研究也有待進(jìn)一步加強(qiáng)。綜上所述，目前CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能的研究還存在一定的局限性，有必要開展更為深入、系統(tǒng)的研究，以完善CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪理論，為其在工程中的廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能展開，主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪試驗(yàn)設(shè)計(jì)：精心設(shè)計(jì)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪試驗(yàn)，確定梁的尺寸、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、配筋率、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋的布置形式（直線或曲線）、預(yù)應(yīng)力水平以及剪跨比等關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)要求，制作多組不同參數(shù)組合的試驗(yàn)梁，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有全面性和代表性。在試驗(yàn)過(guò)程中，合理布置測(cè)量?jī)x器，精確測(cè)量試驗(yàn)梁在各級(jí)荷載作用下的應(yīng)變、撓度、裂縫開展情況以及破壞荷載等數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析提供準(zhǔn)確可靠的試驗(yàn)依據(jù)。CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能分析：深入分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，全面研究CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在受剪過(guò)程中的力學(xué)行為和破壞機(jī)理。詳細(xì)探討預(yù)應(yīng)力水平、剪跨比、配筋率、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋的布置形式等因素對(duì)梁抗剪性能的影響規(guī)律。通過(guò)對(duì)比不同參數(shù)試驗(yàn)梁的抗剪性能，明確各因素對(duì)梁抗剪承載力、變形能力、裂縫發(fā)展等方面的具體影響，為優(yōu)化CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計(jì)提供理論支持。CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力計(jì)算公式推導(dǎo)：在試驗(yàn)研究和理論分析的基礎(chǔ)上，充分考慮CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的受力特點(diǎn)和破壞模式，運(yùn)用力學(xué)原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，推導(dǎo)適用于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力的計(jì)算公式。將理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行細(xì)致對(duì)比分析，不斷驗(yàn)證和完善計(jì)算公式，確保其準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)對(duì)公式的參數(shù)分析，進(jìn)一步明確各參數(shù)對(duì)梁抗剪承載力的影響程度，為工程設(shè)計(jì)人員提供簡(jiǎn)便、實(shí)用的計(jì)算方法。1.3.2研究方法本研究采用試驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，深入探究CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能。試驗(yàn)研究：通過(guò)開展CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪試驗(yàn)，直接獲取梁在受剪過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，直觀觀察梁的破壞形態(tài)和裂縫發(fā)展情況。試驗(yàn)研究能夠真實(shí)反映CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的實(shí)際工作性能，為理論分析提供堅(jiān)實(shí)的試驗(yàn)基礎(chǔ)。在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的整理和分析，總結(jié)出CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能的基本規(guī)律。理論分析：運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在受剪過(guò)程中的力學(xué)行為進(jìn)行深入分析。建立合理的力學(xué)模型，推導(dǎo)梁的抗剪承載力計(jì)算公式，并對(duì)公式進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。通過(guò)理論分析，揭示CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能的內(nèi)在機(jī)理，為試驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。同時(shí)，利用有限元軟件對(duì)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行數(shù)值模擬分析，進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性和可靠性。通過(guò)改變模型的參數(shù)，研究不同因素對(duì)梁抗剪性能的影響，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。二、CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1CFRP材料特性CFRP是一種由碳纖維與基體材料（通常為樹脂）復(fù)合而成的高性能材料，具有一系列優(yōu)異的特性，使其在土木工程領(lǐng)域尤其是作為體外預(yù)應(yīng)力筋展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。高強(qiáng)度：CFRP筋的抗拉強(qiáng)度顯著高于普通鋼筋，一般可達(dá)1500MPa-3000MPa，甚至更高。以某品牌的CFRP筋為例，其抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值達(dá)到了2000MPa，是常見HRB400鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（400MPa）的5倍。這種高強(qiáng)度特性使得CFRP筋在承受拉力時(shí)，能夠承擔(dān)更大的荷載，有效提高結(jié)構(gòu)的承載能力。在體外預(yù)應(yīng)力梁中，高強(qiáng)度的CFRP筋可以提供更高的預(yù)應(yīng)力，從而更好地抵消外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，延緩梁體裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，提高梁的抗裂性能。輕質(zhì)：CFRP筋的密度約為1.5-1.8g/cm3，僅為鋼材密度（約7.8g/cm3）的1/4-1/5。例如，在某橋梁工程中，使用CFRP筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋作為體外預(yù)應(yīng)力筋，使得橋梁結(jié)構(gòu)的自重顯著減輕。輕質(zhì)特性不僅降低了結(jié)構(gòu)自身的重力荷載，減少了基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)，而且在運(yùn)輸和施工過(guò)程中更加便捷，能夠降低施工難度和成本。對(duì)于大跨度橋梁或?qū)Y(jié)構(gòu)自重有嚴(yán)格要求的工程，CFRP筋的輕質(zhì)優(yōu)勢(shì)尤為突出。耐腐蝕：CFRP筋對(duì)酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)具有極強(qiáng)的抵抗能力，在惡劣的環(huán)境條件下，如海洋環(huán)境、化工污染地區(qū)等，CFRP筋能夠保持良好的性能，不會(huì)像鋼筋那樣發(fā)生銹蝕。在海洋環(huán)境中的橋梁，長(zhǎng)期受到海水的侵蝕，傳統(tǒng)鋼筋容易生銹腐蝕，而采用CFRP筋作為體外預(yù)應(yīng)力筋的橋梁，經(jīng)過(guò)多年使用后，CFRP筋依然保持完好，沒(méi)有出現(xiàn)任何腐蝕跡象。這一特性大大提高了結(jié)構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的使用壽命，減少了維護(hù)成本。耐疲勞：CFRP筋具有良好的耐疲勞性能，能夠承受多次循環(huán)荷載作用而不發(fā)生疲勞破壞。相關(guān)試驗(yàn)表明，在經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)次的循環(huán)加載后，CFRP筋的性能依然穩(wěn)定，疲勞壽命遠(yuǎn)高于普通鋼筋。對(duì)于承受頻繁動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)，如橋梁、鐵路等，CFRP筋的耐疲勞性能能夠有效提高結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，減少因疲勞導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞風(fēng)險(xiǎn)。熱膨脹系數(shù)低：CFRP筋的熱膨脹系數(shù)較小，約為（0.5-1.2）×10??/℃，與混凝土的熱膨脹系數(shù)（約1.0×10??/℃）較為接近。在溫度變化時(shí)，CFRP筋與混凝土之間的變形差異較小，能夠更好地協(xié)同工作，減少因溫度應(yīng)力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞。在季節(jié)交替或晝夜溫差較大的地區(qū)，使用CFRP筋的體外預(yù)應(yīng)力梁能夠更好地適應(yīng)溫度變化，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。CFRP材料的這些特性使其作為體外預(yù)應(yīng)力筋具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的體外預(yù)應(yīng)力鋼筋相比，CFRP筋能夠有效避免鋼筋銹蝕問(wèn)題，提高結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。同時(shí)，其高強(qiáng)度和輕質(zhì)特性可以減輕結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)的跨越能力，降低施工難度和成本。此外，良好的耐疲勞性能和較低的熱膨脹系數(shù)也使得CFRP筋在不同的工程環(huán)境中都能表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。隨著材料科學(xué)和制造工藝的不斷發(fā)展，CFRP材料的性能將不斷優(yōu)化，成本也有望逐漸降低，其在土木工程領(lǐng)域作為體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)用前景將更加廣闊。未來(lái)，CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁有望在更多的橋梁、建筑等工程中得到應(yīng)用，推動(dòng)土木工程行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。2.2體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)原理體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)作為后張預(yù)應(yīng)力體系的重要分支，其工作原理是通過(guò)在混凝土結(jié)構(gòu)外部設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，利用預(yù)應(yīng)力筋的張拉對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)施加預(yù)壓力，從而改善結(jié)構(gòu)的受力性能。在結(jié)構(gòu)承受外荷載之前，預(yù)先對(duì)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，使其產(chǎn)生拉應(yīng)力，通過(guò)錨固裝置將預(yù)應(yīng)力筋的拉力傳遞給混凝土結(jié)構(gòu)，使混凝土結(jié)構(gòu)在受荷前就處于受壓狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受外荷載時(shí)，外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力首先抵消混凝土結(jié)構(gòu)中的預(yù)壓應(yīng)力，然后才使混凝土結(jié)構(gòu)受拉，這樣就有效地延緩了混凝土裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，提高了結(jié)構(gòu)的抗裂性能和承載能力。與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力相比，體外預(yù)應(yīng)力具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋位于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與混凝土完全粘結(jié)，在任意截面處都與結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)；而體外預(yù)應(yīng)力筋則布置在混凝土結(jié)構(gòu)的外部，僅在錨固及轉(zhuǎn)向塊處與結(jié)構(gòu)相連，體外索的應(yīng)力由結(jié)構(gòu)的整體變形所決定。從施工角度來(lái)看，體外預(yù)應(yīng)力筋的布置和調(diào)整相對(duì)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了后張法的操作程序，大大縮短了施工時(shí)間；同時(shí)，由于預(yù)應(yīng)力筋布置于腹板外面，使得澆注混凝土更加方便。在使用過(guò)程中，體外預(yù)應(yīng)力筋更換維修方便，預(yù)應(yīng)力摩擦損失小，這是體內(nèi)預(yù)應(yīng)力所不具備的優(yōu)勢(shì)。然而，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)也存在一些需要注意的問(wèn)題，例如在承受動(dòng)力荷載時(shí)，體外筋與結(jié)構(gòu)是獨(dú)立振動(dòng)的，應(yīng)防止二者共振，以免發(fā)生錨具的疲勞破壞和轉(zhuǎn)向構(gòu)件處的預(yù)應(yīng)力筋的彎折疲勞破壞；在地震區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，還必須考慮采取相應(yīng)措施，提高體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的抗震性能。在梁結(jié)構(gòu)中，體外預(yù)應(yīng)力的作用機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，體外預(yù)應(yīng)力能夠有效提高梁的抗裂性能。通過(guò)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)拉力，使梁體在受荷前就處于受壓狀態(tài)，從而抵消部分外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，延緩裂縫的出現(xiàn)。在普通鋼筋混凝土梁中，當(dāng)外荷載達(dá)到一定程度時(shí)，梁體受拉區(qū)混凝土很容易出現(xiàn)裂縫；而對(duì)于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁，由于預(yù)壓應(yīng)力的存在，能夠顯著提高梁體的抗裂荷載，使梁在更大的荷載作用下仍能保持良好的工作性能。其次，體外預(yù)應(yīng)力可以提高梁的承載能力。在梁受荷過(guò)程中，體外預(yù)應(yīng)力筋與梁體協(xié)同工作，共同承受外荷載。當(dāng)梁體達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，體外預(yù)應(yīng)力筋能夠提供額外的拉力，從而提高梁的極限承載能力。此外，體外預(yù)應(yīng)力還能改善梁的變形性能。通過(guò)施加體外預(yù)應(yīng)力，能夠減小梁在荷載作用下的撓度，提高梁的剛度，使梁的變形更加符合設(shè)計(jì)要求。在大跨度梁結(jié)構(gòu)中，體外預(yù)應(yīng)力對(duì)控制梁的撓度效果尤為明顯，能夠有效提高梁的使用性能和安全性。2.3梁抗剪基本理論梁作為建筑結(jié)構(gòu)中的重要受力構(gòu)件，其抗剪性能關(guān)乎結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。在梁的受力過(guò)程中，剪應(yīng)力分布呈現(xiàn)出特定的規(guī)律。以矩形截面梁為例，根據(jù)材料力學(xué)理論，在彈性階段，剪應(yīng)力沿梁截面高度呈拋物線分布。在截面中性軸處，剪應(yīng)力達(dá)到最大值，其計(jì)算公式為\tau_{max}=\frac{3V}{2bh}，其中V為剪力，b為梁的寬度，h為梁的高度；而在截面上下邊緣處，剪應(yīng)力為零。隨著荷載的增加，當(dāng)梁進(jìn)入非線性階段，剪應(yīng)力分布不再完全符合拋物線規(guī)律，混凝土的非線性特性以及鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移等因素都會(huì)對(duì)剪應(yīng)力分布產(chǎn)生影響?？辜舫休d力是衡量梁抗剪性能的關(guān)鍵指標(biāo)，它受到多種因素的綜合影響。混凝土強(qiáng)度是影響抗剪承載力的重要因素之一，一般來(lái)說(shuō)，混凝土強(qiáng)度越高，梁的抗剪承載力越大。這是因?yàn)檩^高強(qiáng)度的混凝土能夠承受更大的剪應(yīng)力。例如，在試驗(yàn)中，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C30提高到C40時(shí)，相同尺寸和配筋的梁，其抗剪承載力有明顯提升。箍筋配置對(duì)梁的抗剪承載力也起著關(guān)鍵作用。箍筋能夠約束混凝土的橫向變形，阻止斜裂縫的開展，從而提高梁的抗剪能力。合理增加箍筋的數(shù)量和直徑，可以有效提高梁的抗剪承載力。剪跨比也是影響抗剪承載力的重要參數(shù)，剪跨比越大，梁的抗剪承載力越低。當(dāng)剪跨比較大時(shí)，梁的破壞形態(tài)往往呈現(xiàn)為斜拉破壞，這種破壞形式較為突然，抗剪承載力較低；而當(dāng)剪跨比較小時(shí)，梁可能發(fā)生剪壓破壞，其抗剪承載力相對(duì)較高。在相關(guān)計(jì)算理論和模型方面，目前常用的有極限平衡法、桁架理論法等。極限平衡法是基于梁在破壞時(shí)的受力平衡條件建立的。以承受均布荷載的簡(jiǎn)支梁為例，通過(guò)分析梁在斜截面破壞時(shí)的隔離體受力，建立豎向力和水平力的平衡方程，從而求解抗剪承載力。假設(shè)梁在斜截面破壞時(shí)，混凝土的抗剪作用和箍筋的抗剪作用分別為V_c和V_s，則梁的抗剪承載力V=V_c+V_s。通過(guò)試驗(yàn)和理論分析確定V_c和V_s的計(jì)算表達(dá)式，進(jìn)而得到梁的抗剪承載力計(jì)算公式。桁架理論法將鋼筋混凝土梁看作是由混凝土斜壓桿和鋼筋拉桿組成的空間桁架。在這個(gè)模型中，混凝土承擔(dān)壓力，鋼筋承擔(dān)拉力，通過(guò)模擬桁架的受力分析來(lái)計(jì)算梁的抗剪承載力。例如，將梁中的箍筋視為桁架的受拉腹桿，混凝土視為受壓腹桿和受壓弦桿，根據(jù)桁架的力學(xué)原理，推導(dǎo)梁的抗剪承載力計(jì)算公式。這種方法能夠較好地解釋梁在受剪過(guò)程中的力學(xué)行為，為梁的抗剪設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。三、CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪試驗(yàn)設(shè)計(jì)3.1試驗(yàn)?zāi)康谋敬卧囼?yàn)旨在深入研究CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能，具體目標(biāo)如下：探究抗剪性能與破壞機(jī)理：全面分析CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在受剪過(guò)程中的力學(xué)行為，包括剪應(yīng)力分布、應(yīng)變發(fā)展以及變形情況等，深入探究其破壞機(jī)理，明確破壞形態(tài)與特征，為理論分析和工程設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐依據(jù)。在實(shí)際工程中，準(zhǔn)確了解梁的破壞機(jī)理對(duì)于保障結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。通過(guò)本試驗(yàn)，期望能夠清晰地揭示CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在何種情況下會(huì)發(fā)生破壞，以及破壞的具體過(guò)程和原因。分析影響抗剪性能的因素：系統(tǒng)研究預(yù)應(yīng)力水平、剪跨比、配筋率、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋的布置形式（直線或曲線）等因素對(duì)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能的影響規(guī)律。不同的預(yù)應(yīng)力水平會(huì)對(duì)梁的抗剪承載力產(chǎn)生不同程度的影響，剪跨比的變化也會(huì)改變梁的破壞模式和抗剪能力。通過(guò)改變這些因素進(jìn)行試驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確量化各因素對(duì)梁抗剪性能的影響程度，為優(yōu)化梁的設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)。在設(shè)計(jì)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需求和工程條件，合理調(diào)整這些因素，以提高梁的抗剪性能和結(jié)構(gòu)安全性。驗(yàn)證和完善抗剪理論：將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有的抗剪理論和計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論的正確性和計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，對(duì)存在的不足之處進(jìn)行修正和完善，為CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪設(shè)計(jì)提供更為可靠的理論支持。目前關(guān)于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能的理論和計(jì)算方法還存在一定的局限性，通過(guò)本試驗(yàn)可以對(duì)這些理論和方法進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題并加以改進(jìn)。這將有助于建立更加完善的CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪理論體系，推動(dòng)該領(lǐng)域的理論發(fā)展。為工程應(yīng)用提供參考：基于試驗(yàn)研究成果，提出適用于工程實(shí)際的CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪設(shè)計(jì)建議和施工要點(diǎn)，為CFRP筋在體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持，促進(jìn)土木工程行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員和施工人員需要明確的設(shè)計(jì)建議和施工要點(diǎn)來(lái)指導(dǎo)工作。本試驗(yàn)的研究成果將為他們提供具體的參考，幫助他們更好地應(yīng)用CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁，提高工程質(zhì)量和安全性。3.2試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)3.2.1尺寸與截面形式本試驗(yàn)以某實(shí)際橋梁工程為參考依據(jù)，確定試驗(yàn)梁的尺寸和截面形式。該實(shí)際橋梁工程中，梁所承受的荷載情況較為復(fù)雜，包括車輛荷載、人群荷載以及風(fēng)荷載等，且對(duì)梁的承載能力和耐久性要求較高。為了使試驗(yàn)梁能夠盡可能真實(shí)地模擬實(shí)際工程中梁的受力狀態(tài)和性能，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，最終確定試驗(yàn)梁采用T形截面形式。T形截面具有較高的截面效率，能夠在不增加過(guò)多材料的情況下，有效提高梁的抗彎和抗剪能力。試驗(yàn)梁全長(zhǎng)設(shè)定為2700mm，其中計(jì)算跨徑為2100mm。梁高為280mm，梁肋寬100mm，翼緣板寬280mm，翼緣板厚80mm。在梁的兩端各300mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)，將截面做成280mm×280mm的矩形截面，這主要是為了確保試驗(yàn)時(shí)梁在加載點(diǎn)和支座處具有足夠的局部承壓能力，防止梁端過(guò)早發(fā)生局部破壞，從而保證試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，準(zhǔn)確獲取梁在正常受力情況下的抗剪性能數(shù)據(jù)。在確定試驗(yàn)梁的尺寸和截面形式時(shí)，還充分考慮了試驗(yàn)設(shè)備的加載能力和測(cè)量精度。如果試驗(yàn)梁尺寸過(guò)大，可能超出試驗(yàn)設(shè)備的加載能力范圍，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行有效的加載試驗(yàn)；而尺寸過(guò)小，則可能會(huì)因測(cè)量誤差的影響，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性降低。此外，還考慮了混凝土澆筑和振搗的可行性，確保在試驗(yàn)梁制作過(guò)程中，混凝土能夠均勻填充模板，避免出現(xiàn)蜂窩、麻面等缺陷，保證試驗(yàn)梁的質(zhì)量。通過(guò)綜合考慮以上因素，最終確定的試驗(yàn)梁尺寸和截面形式既能夠滿足模擬實(shí)際工程的要求，又能夠適應(yīng)試驗(yàn)條件，為后續(xù)的抗剪試驗(yàn)研究奠定了良好的基礎(chǔ)。3.2.2材料選用CFRP筋：選用高強(qiáng)度、低松弛的CFRP筋作為體外預(yù)應(yīng)力筋，其性能參數(shù)對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。該CFRP筋由優(yōu)質(zhì)碳纖維和高性能樹脂基體通過(guò)先進(jìn)的拉擠工藝制成，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到2000MPa，彈性模量為150GPa，直徑為10mm。這些參數(shù)保證了CFRP筋在承受拉力時(shí)能夠發(fā)揮其高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，有效提高梁的抗剪性能。例如，在相同的預(yù)應(yīng)力水平下，與普通鋼筋相比，CFRP筋能夠提供更大的預(yù)拉力，從而更好地抵消外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，延緩梁體裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展?；炷粒涸囼?yàn)梁采用C40混凝土，其抗壓強(qiáng)度等級(jí)能夠滿足試驗(yàn)對(duì)梁體強(qiáng)度的要求。C40混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為40MPa，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19.1MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.71MPa。在試驗(yàn)梁制作過(guò)程中，嚴(yán)格控制混凝土的配合比和施工工藝，確?；炷恋馁|(zhì)量均勻穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)混凝土試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和抗壓、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，驗(yàn)證了混凝土的實(shí)際強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。優(yōu)質(zhì)的混凝土能夠?yàn)樵囼?yàn)梁提供良好的抗壓和抗剪基礎(chǔ)，保證梁在試驗(yàn)過(guò)程中的力學(xué)性能穩(wěn)定。其他材料：除了CFRP筋和混凝土外，試驗(yàn)梁中還使用了普通鋼筋作為非預(yù)應(yīng)力筋，以增強(qiáng)梁的整體性能。縱向受力鋼筋采用HRB400鋼筋，直徑為12mm，其屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為400MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為540MPa。箍筋采用HPB300鋼筋，直徑為8mm，間距為100mm，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為300MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為420MPa。這些鋼筋的選用符合相關(guān)規(guī)范要求，能夠與CFRP筋和混凝土協(xié)同工作，共同承受外荷載。此外，在CFRP筋的錨固端和轉(zhuǎn)向塊處，采用了專門設(shè)計(jì)的錨具和轉(zhuǎn)向裝置。錨具采用夾片式錨具，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的錨固性能試驗(yàn)，確保其錨固效率系數(shù)不低于0.95，能夠可靠地錨固CFRP筋，防止預(yù)應(yīng)力損失。轉(zhuǎn)向裝置采用高強(qiáng)度鋼材制作，表面經(jīng)過(guò)特殊處理，以減小CFRP筋在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的摩擦損失。這些材料的合理選用和性能保證，為CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪試驗(yàn)的順利進(jìn)行和準(zhǔn)確結(jié)果的獲取提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。3.2.3預(yù)應(yīng)力筋布置為了研究不同CFRP預(yù)應(yīng)力筋布置形式對(duì)梁抗剪性能的影響，設(shè)計(jì)了直線和曲線兩種布置方案。直線布置方案：在直線布置方案中，CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋沿梁的縱向軸線水平布置，兩端通過(guò)錨具錨固在梁端的錨固塊上。這種布置形式簡(jiǎn)單直接，施工方便，預(yù)應(yīng)力傳遞效率較高。在一些對(duì)梁的變形要求相對(duì)較低、受力較為簡(jiǎn)單的工程中，直線布置的體外預(yù)應(yīng)力筋能夠有效地提高梁的抗剪承載力。在某小型橋梁工程中，采用直線布置的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，梁體的抗剪性能良好，未出現(xiàn)明顯的裂縫和變形。然而，直線布置的體外預(yù)應(yīng)力筋對(duì)梁的變形控制能力相對(duì)較弱，當(dāng)梁承受較大的外荷載時(shí)，梁體的撓度可能會(huì)較大。曲線布置方案：曲線布置方案中，CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋根據(jù)梁的受力特點(diǎn)，在跨中區(qū)域向上彎曲，形成一定的拋物線形狀。通過(guò)合理設(shè)計(jì)曲線的形狀和曲率，使預(yù)應(yīng)力筋在梁內(nèi)產(chǎn)生的預(yù)壓力分布更加合理，能夠更好地抵消外荷載產(chǎn)生的彎矩和剪力。在大跨度橋梁中，曲線布置的體外預(yù)應(yīng)力筋可以有效減小梁體的跨中撓度，提高梁的剛度和抗剪性能。某大型橋梁工程采用曲線布置的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋，在承受重載交通的情況下，梁體的變形得到了很好的控制，抗剪性能顯著提高。曲線布置的預(yù)應(yīng)力筋施工難度相對(duì)較大，需要精確控制預(yù)應(yīng)力筋的位置和形狀，以確保預(yù)應(yīng)力的施加效果。不同布置形式下預(yù)應(yīng)力筋對(duì)梁抗剪性能的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，預(yù)應(yīng)力筋的布置形式會(huì)影響梁體內(nèi)部的應(yīng)力分布。直線布置的預(yù)應(yīng)力筋主要在梁的縱向產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，而曲線布置的預(yù)應(yīng)力筋除了縱向預(yù)壓應(yīng)力外，還會(huì)在梁的豎向產(chǎn)生一定的分力，從而改變梁體的剪應(yīng)力分布。其次，不同的布置形式對(duì)梁的裂縫開展和發(fā)展也有不同的影響。曲線布置的預(yù)應(yīng)力筋能夠更好地抑制梁體斜裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，提高梁的抗裂性能。直線布置的預(yù)應(yīng)力筋在這方面的效果相對(duì)較弱。預(yù)應(yīng)力筋的布置形式還會(huì)影響梁的極限抗剪承載力。曲線布置的預(yù)應(yīng)力筋由于其更合理的應(yīng)力分布和對(duì)裂縫的抑制作用，通常能夠使梁的極限抗剪承載力得到更顯著的提高。通過(guò)對(duì)比不同布置形式下梁的抗剪性能試驗(yàn)結(jié)果，可以為實(shí)際工程中CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋的布置提供科學(xué)的依據(jù)，選擇最適合的布置形式，以提高梁的抗剪性能和結(jié)構(gòu)安全性。3.3試驗(yàn)裝置與加載方案3.3.1試驗(yàn)裝置試驗(yàn)加載設(shè)備選用了額定荷載為500kN的液壓千斤頂，其精度高、穩(wěn)定性好，能夠滿足試驗(yàn)對(duì)加載力的精確控制要求。在加載過(guò)程中，液壓千斤頂通過(guò)分配梁將荷載均勻地施加到試驗(yàn)梁上。分配梁采用高強(qiáng)度鋼梁制作，其截面尺寸經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算和設(shè)計(jì)，以確保在試驗(yàn)過(guò)程中分配梁自身不會(huì)發(fā)生過(guò)大變形，從而保證荷載能夠準(zhǔn)確地傳遞到試驗(yàn)梁上。在試驗(yàn)梁的兩端，設(shè)置了鉸支座，一端為固定鉸支座，能夠限制梁端的水平和豎向位移，另一端為活動(dòng)鉸支座，僅限制梁端的豎向位移，允許梁端在水平方向自由移動(dòng)。這種支座設(shè)置方式能夠真實(shí)地模擬試驗(yàn)梁在實(shí)際工程中的受力狀態(tài)。測(cè)量?jī)x器方面，采用了電阻應(yīng)變片來(lái)測(cè)量試驗(yàn)梁在加載過(guò)程中的應(yīng)變變化。電阻應(yīng)變片粘貼在試驗(yàn)梁的關(guān)鍵部位，如跨中、剪跨段等，以獲取這些部位在不同荷載階段的應(yīng)變數(shù)據(jù)。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)變片的粘貼位置經(jīng)過(guò)精心選擇，并且在粘貼過(guò)程中嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，確保應(yīng)變片與梁體表面緊密貼合。同時(shí)，使用了靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對(duì)電阻應(yīng)變片采集到的應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和記錄。靜態(tài)電阻應(yīng)變儀具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量和顯示應(yīng)變數(shù)據(jù)。位移計(jì)用于測(cè)量試驗(yàn)梁的撓度，在試驗(yàn)梁的跨中以及四分點(diǎn)位置布置了位移計(jì)，通過(guò)測(cè)量這些位置在加載過(guò)程中的豎向位移，能夠全面了解試驗(yàn)梁的變形情況。位移計(jì)采用高精度的電子位移計(jì)，其測(cè)量精度能夠滿足試驗(yàn)要求。此外，還配備了裂縫觀測(cè)儀，用于觀測(cè)試驗(yàn)梁在加載過(guò)程中裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展情況。裂縫觀測(cè)儀能夠精確測(cè)量裂縫的寬度和長(zhǎng)度，為研究梁的抗剪性能提供重要的數(shù)據(jù)支持。在試驗(yàn)裝置的搭建過(guò)程中，對(duì)各個(gè)部件的安裝和調(diào)試進(jìn)行了嚴(yán)格把控。確保液壓千斤頂?shù)募虞d軸線與試驗(yàn)梁的軸線重合，以避免偏心加載對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。對(duì)鉸支座的安裝進(jìn)行了仔細(xì)檢查，保證其位置準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行了校準(zhǔn)和調(diào)試，確保其測(cè)量精度和可靠性。通過(guò)這些措施，為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性提供了有力保障。3.3.2加載方案本試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式，這種加載方式能夠更細(xì)致地觀察試驗(yàn)梁在不同荷載階段的力學(xué)性能變化。在試驗(yàn)前期，即加載至試驗(yàn)梁開裂前，每級(jí)荷載增量控制在5kN。這是因?yàn)樵诹洪_裂前，梁體的受力性能相對(duì)穩(wěn)定，較小的荷載增量能夠更精確地測(cè)量梁的應(yīng)變和變形等參數(shù)。當(dāng)試驗(yàn)梁開裂后，考慮到梁體的受力性能發(fā)生了變化，為了避免加載過(guò)快導(dǎo)致試驗(yàn)梁突然破壞，每級(jí)荷載增量調(diào)整為3kN。這樣的加載制度既能夠保證試驗(yàn)的安全性，又能夠全面地獲取試驗(yàn)梁在不同受力階段的性能數(shù)據(jù)。在加載過(guò)程中，每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間設(shè)定為10min。這一時(shí)間長(zhǎng)度是經(jīng)過(guò)綜合考慮確定的。一方面，足夠的持續(xù)時(shí)間能夠使試驗(yàn)梁在該級(jí)荷載作用下充分變形，確保測(cè)量到的應(yīng)變、撓度等數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。另一方面，10min的持續(xù)時(shí)間也不會(huì)使試驗(yàn)過(guò)程過(guò)于冗長(zhǎng)，保證了試驗(yàn)的效率。在每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間內(nèi)，密切觀察試驗(yàn)梁的變形、裂縫開展等情況，并及時(shí)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)試驗(yàn)梁出現(xiàn)明顯的裂縫或變形異常時(shí)，適當(dāng)延長(zhǎng)荷載持續(xù)時(shí)間，以便更詳細(xì)地觀察和分析試驗(yàn)梁的受力性能變化。當(dāng)加載至試驗(yàn)梁接近破壞時(shí)，進(jìn)一步減小加載速率，采用慢速連續(xù)加載的方式，密切關(guān)注試驗(yàn)梁的破壞過(guò)程，準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)梁的破壞荷載和破壞形態(tài)。這種加載制度的制定充分考慮了試驗(yàn)梁的受力特點(diǎn)和試驗(yàn)?zāi)康?，能夠?yàn)樯钊胙芯緾FRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能提供全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。3.4測(cè)量?jī)?nèi)容與方法3.4.1應(yīng)變測(cè)量在試驗(yàn)梁的關(guān)鍵部位精心布置電阻應(yīng)變片，以精確測(cè)量混凝土和CFRP筋在加載過(guò)程中的應(yīng)變變化。在混凝土梁的跨中、剪跨段等位置，沿梁的高度方向均勻布置應(yīng)變片，以獲取混凝土在不同高度處的應(yīng)變分布情況。在跨中截面，從梁的底部到頂部，每隔50mm粘貼一個(gè)應(yīng)變片，通過(guò)這些應(yīng)變片可以清晰地了解混凝土在受彎和受剪共同作用下的應(yīng)變變化規(guī)律。在剪跨段，根據(jù)剪應(yīng)力分布的特點(diǎn)，在剪應(yīng)力較大的區(qū)域加密布置應(yīng)變片，以準(zhǔn)確測(cè)量剪應(yīng)力引起的混凝土應(yīng)變。對(duì)于CFRP筋，在其錨固端、跨中以及轉(zhuǎn)向塊處粘貼應(yīng)變片。錨固端的應(yīng)變片用于監(jiān)測(cè)CFRP筋在錨固過(guò)程中的應(yīng)力傳遞情況，跨中的應(yīng)變片可以反映CFRP筋在梁受荷過(guò)程中的應(yīng)力變化，轉(zhuǎn)向塊處的應(yīng)變片則能測(cè)量CFRP筋在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的應(yīng)力集中情況。在CFRP筋的錨固端，采用特制的小尺寸應(yīng)變片，確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量其在錨固區(qū)域的應(yīng)變。在跨中，每隔100mm粘貼一個(gè)應(yīng)變片，以便全面掌握CFRP筋在不同荷載階段的應(yīng)力變化。通過(guò)測(cè)量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)，能夠深入分析混凝土和CFRP筋在不同荷載階段的受力情況。在試驗(yàn)前期，隨著荷載的逐漸增加，混凝土的應(yīng)變呈線性增長(zhǎng)，表明混凝土處于彈性階段。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度后，混凝土的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度加快，說(shuō)明混凝土開始進(jìn)入非線性階段，內(nèi)部微裂縫逐漸發(fā)展。而CFRP筋的應(yīng)變?cè)谡麄€(gè)加載過(guò)程中基本呈線性變化，這是由于CFRP筋具有良好的彈性性能。當(dāng)混凝土裂縫開展到一定程度后，CFRP筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度會(huì)有所加快，這是因?yàn)榇藭r(shí)CFRP筋承擔(dān)了更多的荷載。通過(guò)對(duì)比不同位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以了解混凝土和CFRP筋之間的協(xié)同工作情況。在正常情況下，兩者應(yīng)具有相近的應(yīng)變，以保證結(jié)構(gòu)的整體性和協(xié)同受力。如果發(fā)現(xiàn)兩者應(yīng)變差異較大，可能意味著存在粘結(jié)失效或其他問(wèn)題，需要進(jìn)一步分析原因。通過(guò)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析，還可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要依據(jù)。3.4.2撓度測(cè)量在試驗(yàn)梁的跨中以及四分點(diǎn)位置精準(zhǔn)布置位移傳感器，以此來(lái)測(cè)量梁在加載過(guò)程中的撓度變化。在跨中位置，使用高精度的電子位移傳感器，其測(cè)量精度可達(dá)0.01mm，能夠準(zhǔn)確測(cè)量梁在微小變形下的撓度。在四分點(diǎn)位置，同樣布置相同精度的位移傳感器，以便全面了解梁在不同位置的變形情況。這些位移傳感器通過(guò)專門設(shè)計(jì)的支架牢固地安裝在試驗(yàn)梁上，確保在加載過(guò)程中不會(huì)發(fā)生位移或松動(dòng)，從而保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著荷載的逐級(jí)增加，實(shí)時(shí)記錄位移傳感器測(cè)量得到的撓度數(shù)據(jù)，進(jìn)而繪制出荷載-撓度曲線。在加載初期，荷載-撓度曲線呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，這表明試驗(yàn)梁處于彈性階段，其變形符合胡克定律。隨著荷載的不斷增大，曲線逐漸偏離線性，梁的變形速度加快，這是因?yàn)榱簝?nèi)部的混凝土開始出現(xiàn)裂縫，剛度逐漸降低。當(dāng)荷載接近試驗(yàn)梁的極限荷載時(shí)，撓度迅速增大，曲線變得更加陡峭，此時(shí)梁已進(jìn)入破壞階段。通過(guò)對(duì)荷載-撓度曲線的分析，可以評(píng)估試驗(yàn)梁的變形性能。曲線的斜率反映了梁的剛度，斜率越大，梁的剛度越大，變形越小。通過(guò)比較不同試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線，可以研究預(yù)應(yīng)力水平、剪跨比、配筋率等因素對(duì)梁變形性能的影響。較高的預(yù)應(yīng)力水平可以使梁的剛度得到提高，在相同荷載作用下，撓度更小。較小的剪跨比會(huì)使梁的抗剪能力增強(qiáng)，從而在一定程度上減小梁的變形。合理的配筋率也能改善梁的變形性能，使梁在承受荷載時(shí)更加穩(wěn)定。3.4.3裂縫觀測(cè)采用放大鏡和裂縫觀測(cè)儀，在加載過(guò)程中密切關(guān)注并詳細(xì)記錄試驗(yàn)梁裂縫的出現(xiàn)、發(fā)展和分布情況。在試驗(yàn)前期，使用5-10倍的放大鏡，仔細(xì)觀察梁表面的細(xì)微變化，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂縫的出現(xiàn)。一旦發(fā)現(xiàn)裂縫，立即使用裂縫觀測(cè)儀測(cè)量其寬度和長(zhǎng)度。裂縫觀測(cè)儀具有高精度的測(cè)量功能，能夠準(zhǔn)確測(cè)量裂縫寬度至0.01mm，長(zhǎng)度測(cè)量精度也能滿足試驗(yàn)要求。隨著荷載的增加，定期使用裂縫觀測(cè)儀對(duì)裂縫進(jìn)行測(cè)量，記錄裂縫的發(fā)展情況。在裂縫出現(xiàn)初期，裂縫寬度較小，一般在0.05-0.1mm之間，長(zhǎng)度也較短。隨著荷載的逐漸增大，裂縫寬度和長(zhǎng)度不斷增加，同時(shí)新的裂縫也會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)。在剪跨段，裂縫往往呈斜向發(fā)展，這是由于剪應(yīng)力的作用。而在跨中區(qū)域，裂縫主要為豎向裂縫，是由彎矩引起的。通過(guò)對(duì)裂縫的觀測(cè)和分析，可以深入了解裂縫對(duì)抗剪性能的影響。裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展會(huì)削弱梁的截面面積，降低梁的抗剪能力。裂縫寬度越大，梁的抗剪能力下降越明顯。此外，裂縫的分布情況也會(huì)影響梁的抗剪性能。如果裂縫分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致梁的受力不均勻，從而降低梁的整體抗剪性能。通過(guò)對(duì)比不同試驗(yàn)梁的裂縫發(fā)展情況，可以研究預(yù)應(yīng)力水平、剪跨比等因素對(duì)裂縫開展的影響。較高的預(yù)應(yīng)力水平可以有效延緩裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，使梁在更大的荷載作用下仍能保持較好的抗裂性能。較小的剪跨比會(huì)使裂縫出現(xiàn)較晚，且發(fā)展速度較慢。四、CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1試驗(yàn)現(xiàn)象在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)各試驗(yàn)梁的變形、裂縫開展和破壞形態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的觀察和記錄。在加載初期，試驗(yàn)梁處于彈性階段，梁體變形較小，基本無(wú)肉眼可見的裂縫。隨著荷載的逐漸增加，當(dāng)荷載達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，梁體開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，首先在剪跨段的梁底部出現(xiàn)垂直于梁軸線的彎曲裂縫，這是由于梁在彎矩作用下，底部混凝土受拉超過(guò)其抗拉強(qiáng)度所致。此后，隨著荷載進(jìn)一步增大，彎曲裂縫不斷向上延伸，同時(shí)在剪跨段開始出現(xiàn)斜裂縫。斜裂縫的出現(xiàn)是由于剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的共同作用，使得混凝土產(chǎn)生主拉應(yīng)力，當(dāng)主拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)斜裂縫。這些斜裂縫一般從梁底彎曲裂縫的頂端開始，向加載點(diǎn)方向發(fā)展，其傾角大致在30°-60°之間。隨著荷載持續(xù)增加，斜裂縫不斷擴(kuò)展和加寬，同時(shí)新的斜裂縫也陸續(xù)出現(xiàn)。與斜裂縫相交的箍筋應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，箍筋開始屈服。此時(shí)，梁體的變形明顯增大，裂縫發(fā)展速度加快。在箍筋屈服后，梁的抗剪能力主要依靠混凝土和CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋來(lái)承擔(dān)。由于CFRP筋具有較高的抗拉強(qiáng)度，在一定程度上能夠延緩梁體的破壞。當(dāng)荷載接近試驗(yàn)梁的極限荷載時(shí)，梁體的變形急劇增大，斜裂縫迅速擴(kuò)展貫通，梁體最終發(fā)生破壞。破壞時(shí)，試驗(yàn)梁的剪跨段混凝土被壓碎，形成斜壓破壞形態(tài)。在破壞瞬間，能夠聽到混凝土被壓碎的聲響，同時(shí)CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋也可能發(fā)生斷裂或從錨具中拔出的現(xiàn)象。與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力梁相比，CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出一些相似之處，也有一些明顯的差異。相似之處在于，兩者在受力過(guò)程中都經(jīng)歷了彈性階段、裂縫開展階段和破壞階段，裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展規(guī)律也基本一致。然而，由于CFRP筋的材料特性與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋不同，導(dǎo)致CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在一些方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性能。由于CFRP筋的彈性模量低于傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋，在相同的預(yù)應(yīng)力水平下，CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在加載初期的變形相對(duì)較大。但隨著荷載的增加，由于CFRP筋的高強(qiáng)度特性，能夠有效地限制裂縫的開展，使得梁在后期的變形增長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。此外，CFRP筋的耐腐蝕性能使得CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，不會(huì)像傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力梁那樣因鋼筋銹蝕而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能下降。在一些海洋環(huán)境或化學(xué)侵蝕環(huán)境下的橋梁中，CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁能夠保持更好的耐久性和穩(wěn)定性。4.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量得到的應(yīng)變、撓度和裂縫等數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)的整理與分析，并繪制了相應(yīng)的曲線和圖表，以便直觀地展示試驗(yàn)結(jié)果。在應(yīng)變數(shù)據(jù)分析方面，將不同位置處混凝土和CFRP筋的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。以某根試驗(yàn)梁為例，繪制了跨中截面混凝土應(yīng)變沿梁高的分布曲線以及CFRP筋應(yīng)變隨荷載變化的曲線。從混凝土應(yīng)變沿梁高的分布曲線可以看出，在彈性階段，混凝土應(yīng)變基本呈線性分布，符合平截面假定。隨著荷載的增加，混凝土受壓區(qū)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度加快，受拉區(qū)混凝土應(yīng)變?cè)诹芽p出現(xiàn)后急劇增大，表明混凝土開始進(jìn)入非線性階段。CFRP筋應(yīng)變隨荷載變化的曲線則呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，直至梁接近破壞時(shí)，CFRP筋應(yīng)變才出現(xiàn)明顯的非線性增長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)比不同試驗(yàn)梁在相同荷載作用下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力水平較高的試驗(yàn)梁，其混凝土和CFRP筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度相對(duì)較慢，說(shuō)明較高的預(yù)應(yīng)力水平可以有效降低梁體在荷載作用下的應(yīng)變，提高梁的剛度。對(duì)于撓度數(shù)據(jù)，繪制了各試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線。這些曲線清晰地展示了梁在加載過(guò)程中的變形發(fā)展趨勢(shì)。在加載初期，荷載-撓度曲線近似為直線，表明梁處于彈性階段，變形較小且與荷載呈線性關(guān)系。隨著荷載的不斷增加，曲線逐漸偏離線性，撓度增長(zhǎng)速度加快，這是由于梁內(nèi)混凝土裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展導(dǎo)致梁的剛度逐漸降低。當(dāng)荷載接近極限荷載時(shí)，撓度急劇增大，梁體進(jìn)入破壞階段。通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)梁荷載-撓度曲線的比較，可以發(fā)現(xiàn)剪跨比小的試驗(yàn)梁，其在相同荷載下的撓度明顯小于剪跨比大的試驗(yàn)梁，說(shuō)明較小的剪跨比可以提高梁的抗變形能力。在裂縫數(shù)據(jù)處理方面，整理了裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載、裂縫寬度和長(zhǎng)度隨荷載的變化情況，并繪制了裂縫分布圖。從裂縫分布圖中可以直觀地看到裂縫在梁體上的分布位置和發(fā)展趨勢(shì)。裂縫寬度和長(zhǎng)度隨荷載的變化曲線顯示，隨著荷載的增加，裂縫寬度和長(zhǎng)度逐漸增大。預(yù)應(yīng)力水平較高的試驗(yàn)梁，其裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載較大，且在相同荷載作用下，裂縫寬度和長(zhǎng)度相對(duì)較小，這表明較高的預(yù)應(yīng)力水平可以有效延緩裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，提高梁的抗裂性能。4.3抗剪性能影響因素分析4.3.1預(yù)應(yīng)力水平預(yù)應(yīng)力水平對(duì)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的極限載荷和抗剪強(qiáng)度有著顯著的影響。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高，梁的極限載荷和抗剪強(qiáng)度均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平從較低值逐漸增加時(shí)，梁在承受外荷載過(guò)程中，CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋所提供的預(yù)壓力能夠更有效地抵消外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而延緩梁體裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。在預(yù)應(yīng)力水平較低的試驗(yàn)梁中，當(dāng)外荷載達(dá)到一定程度時(shí)，梁體很快出現(xiàn)裂縫，且裂縫發(fā)展迅速，導(dǎo)致梁的抗剪能力下降較快；而在預(yù)應(yīng)力水平較高的試驗(yàn)梁中，裂縫出現(xiàn)的荷載明顯提高，且在相同荷載作用下，裂縫寬度和長(zhǎng)度都相對(duì)較小，梁的抗剪能力得到了更好的保持。這是因?yàn)檩^高的預(yù)應(yīng)力水平使得梁體在受荷前處于更大的受壓狀態(tài)，增強(qiáng)了梁體的整體性和抗變形能力，從而提高了梁的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)梁體受到剪力作用時(shí)，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的壓應(yīng)力能夠減小剪應(yīng)力的不利影響，使梁體能夠承受更大的剪力。預(yù)應(yīng)力水平過(guò)高也可能會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如可能導(dǎo)致梁體在使用階段出現(xiàn)過(guò)大的反拱，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。因此，在實(shí)際工程中，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的使用要求、荷載情況等因素，合理確定預(yù)應(yīng)力水平，以保證梁的抗剪性能和結(jié)構(gòu)的安全性。4.3.2纖維角度纖維角度對(duì)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能也有一定的影響。通過(guò)對(duì)比不同纖維角度試驗(yàn)梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維角度發(fā)生變化時(shí)，梁的極限載荷和抗剪強(qiáng)度都會(huì)有所改變。一般來(lái)說(shuō)，在一定范圍內(nèi)，隨著纖維角度的增大，梁的抗剪強(qiáng)度會(huì)先增加后減小。這是因?yàn)椴煌睦w維角度會(huì)影響CFRP筋與混凝土之間的協(xié)同工作性能以及CFRP筋對(duì)梁體抗剪的貢獻(xiàn)方式。當(dāng)纖維角度較小時(shí)，CFRP筋主要承擔(dān)梁體的軸向拉力，對(duì)抵抗剪力的作用相對(duì)較??；隨著纖維角度的增大，CFRP筋在抵抗剪力方向上的分力逐漸增大，能夠更好地與混凝土和箍筋協(xié)同工作，共同抵抗剪力，從而提高梁的抗剪強(qiáng)度。然而，當(dāng)纖維角度超過(guò)一定值后，CFRP筋在軸向拉力方向上的有效作用減弱，且可能會(huì)導(dǎo)致CFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能下降，使得梁的抗剪強(qiáng)度反而降低。在某一試驗(yàn)中，當(dāng)纖維角度從0°增加到45°時(shí)，梁的抗剪強(qiáng)度逐漸提高；但當(dāng)纖維角度繼續(xù)增加到60°時(shí)，梁的抗剪強(qiáng)度開始下降。纖維角度對(duì)梁抗剪性能的影響程度相對(duì)較小，與預(yù)應(yīng)力水平等因素相比，其對(duì)梁抗剪性能的改變幅度有限。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，雖然纖維角度不是影響CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能的關(guān)鍵因素，但也需要根據(jù)具體情況進(jìn)行合理選擇，以充分發(fā)揮CFRP筋的性能優(yōu)勢(shì)。4.3.3剪跨比剪跨比是影響CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能的重要因素之一，它與梁的破壞模式和承載能力密切相關(guān)。在試驗(yàn)中，不同剪跨比的試驗(yàn)梁表現(xiàn)出了明顯不同的破壞模式和承載能力。當(dāng)剪跨比較小時(shí)，梁的破壞模式主要為剪壓破壞。在這種情況下，梁在承受剪力時(shí)，首先在剪跨段出現(xiàn)斜裂縫，隨著荷載的增加，斜裂縫不斷發(fā)展，與斜裂縫相交的箍筋逐漸屈服，最后剪跨段混凝土被壓碎，梁發(fā)生破壞。由于剪跨比較小，梁體在破壞前能夠充分發(fā)揮混凝土和箍筋的抗剪作用，因此梁的承載能力相對(duì)較高。在剪跨比為1.5的試驗(yàn)梁中，梁在破壞時(shí)表現(xiàn)出了較好的延性，能夠承受較大的荷載。當(dāng)剪跨比較大時(shí)，梁的破壞模式通常為斜拉破壞。此時(shí)，梁在承受較小的荷載時(shí)就會(huì)出現(xiàn)斜裂縫，且斜裂縫一旦出現(xiàn)就迅速延伸，導(dǎo)致梁體很快喪失承載能力。這是因?yàn)榧艨绫容^大時(shí)，梁體主要承受彎矩作用，剪力相對(duì)較小，但由于梁體的抗剪能力較弱，斜裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)梁的承載能力影響較大。在剪跨比為3.0的試驗(yàn)梁中，梁在加載初期就出現(xiàn)了明顯的斜裂縫，隨著荷載的增加，斜裂縫迅速擴(kuò)展，梁很快發(fā)生破壞，其承載能力明顯低于剪跨比較小的試驗(yàn)梁。隨著剪跨比的增大，梁的抗剪承載力逐漸降低。這是因?yàn)榧艨绫仍龃?，意味著梁體所承受的彎矩相對(duì)增大，剪力相對(duì)減小，但梁的抗剪能力并沒(méi)有相應(yīng)提高，反而由于斜裂縫的過(guò)早出現(xiàn)和迅速發(fā)展而降低。通過(guò)對(duì)不同剪跨比試驗(yàn)梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以建立剪跨比與梁抗剪承載力之間的關(guān)系，為工程設(shè)計(jì)中合理確定梁的剪跨比提供依據(jù)。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，合理控制剪跨比，以保證梁具有足夠的抗剪性能和承載能力。4.3.4筋布置形式CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋的布置形式對(duì)梁的抗剪性能存在明顯差異。直線布置和曲線布置這兩種形式，在不同的工程場(chǎng)景中展現(xiàn)出各自的特點(diǎn)和適用性。直線布置的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋，施工相對(duì)簡(jiǎn)便，預(yù)應(yīng)力傳遞路徑較為直接。在一些受力相對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)梁體變形控制要求不特別嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)中，直線布置能夠有效提高梁的抗剪承載力。在小型建筑的梁結(jié)構(gòu)中，直線布置的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋可以滿足結(jié)構(gòu)在正常使用荷載下的抗剪需求。直線布置的預(yù)應(yīng)力筋在梁體中的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，能夠在一定程度上提高梁體的整體抗剪性能。由于直線布置的預(yù)應(yīng)力筋對(duì)梁體變形的調(diào)整能力有限，當(dāng)梁體承受較大荷載或變形要求較高時(shí)，其抗剪性能的優(yōu)勢(shì)可能會(huì)受到限制。曲線布置的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋則能更好地適應(yīng)梁體在復(fù)雜受力情況下的需求。在大跨度橋梁等結(jié)構(gòu)中，梁體不僅承受較大的豎向荷載，還可能受到水平荷載和溫度變化等因素的影響。曲線布置的預(yù)應(yīng)力筋可以根據(jù)梁體的受力特點(diǎn)，在關(guān)鍵部位產(chǎn)生更大的預(yù)應(yīng)力，從而更有效地抵抗外荷載產(chǎn)生的彎矩和剪力。曲線布置的預(yù)應(yīng)力筋能夠更好地控制梁體的變形，減小梁體的撓度，提高梁體的剛度。在某大型橋梁工程中，采用曲線布置的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋，有效提高了橋梁的抗剪性能和整體穩(wěn)定性，使其在長(zhǎng)期使用過(guò)程中能夠承受各種復(fù)雜荷載的作用。曲線布置的預(yù)應(yīng)力筋施工難度相對(duì)較大，需要精確控制預(yù)應(yīng)力筋的曲線形狀和位置，以確保預(yù)應(yīng)力的施加效果。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型、受力情況、施工條件等因素綜合考慮，選擇合適的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋布置形式。對(duì)于受力簡(jiǎn)單、施工條件有限的工程，可以優(yōu)先考慮直線布置形式；而對(duì)于受力復(fù)雜、對(duì)結(jié)構(gòu)性能要求較高的工程，則應(yīng)選擇曲線布置形式，以充分發(fā)揮CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能優(yōu)勢(shì)。五、CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力計(jì)算方法研究5.1現(xiàn)有計(jì)算方法概述國(guó)內(nèi)外規(guī)范針對(duì)預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力給出了各自的計(jì)算方法，然而這些方法對(duì)于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的適用性存在差異。美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）318規(guī)范在計(jì)算預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力時(shí)，主要考慮了混凝土的抗剪貢獻(xiàn)V_c和箍筋的抗剪貢獻(xiàn)V_s。對(duì)于混凝土的抗剪貢獻(xiàn)，ACI318規(guī)范采用經(jīng)驗(yàn)公式V_c=0.17\lambda\sqrt{f_c'}\b_w\d（其中\(zhòng)lambda為輕骨料混凝土修正系數(shù)，對(duì)于普通混凝土\lambda=1.0；f_c'為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度；b_w為梁腹板寬度；d為梁的有效高度）。箍筋的抗剪貢獻(xiàn)則根據(jù)箍筋的面積、屈服強(qiáng)度以及間距等參數(shù)通過(guò)公式V_s=\frac{A_{sv}f_{yv}d}{s}計(jì)算（A_{sv}為箍筋面積，f_{yv}為箍筋屈服強(qiáng)度，s為箍筋間距）。對(duì)于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁，由于CFRP筋與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋在材料特性上存在差異，如彈性模量較低等，直接應(yīng)用該規(guī)范計(jì)算可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。CFRP筋的錨固性能和應(yīng)力變化規(guī)律與傳統(tǒng)鋼筋不同，而ACI318規(guī)范未充分考慮這些因素，使得其在計(jì)算CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力時(shí)的適用性受到限制。歐洲規(guī)范EN1992-1-1中，預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗剪承載力的計(jì)算同樣考慮了混凝土和箍筋的作用，同時(shí)還考慮了預(yù)應(yīng)力的有利影響?；炷量辜糌暙I(xiàn)V_{Rd,c}的計(jì)算較為復(fù)雜，涉及多個(gè)參數(shù)，包括混凝土強(qiáng)度等級(jí)、截面尺寸、剪跨比等。對(duì)于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁，雖然該規(guī)范考慮了預(yù)應(yīng)力的影響，但由于CFRP筋的材料特性和受力特點(diǎn)與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力筋不同，其計(jì)算方法中一些關(guān)于預(yù)應(yīng)力筋與混凝土協(xié)同工作的假設(shè)可能不完全適用于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁。CFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能較弱，在計(jì)算中如何準(zhǔn)確考慮這種粘結(jié)關(guān)系對(duì)梁抗剪承載力的影響，是該規(guī)范在應(yīng)用于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁時(shí)需要進(jìn)一步探討的問(wèn)題。中國(guó)現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）在計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土梁斜截面受剪承載力時(shí)，基本公式為V\leqV_c+V_s+V_p，其中V_c為混凝土的抗剪承載力，V_s為箍筋的抗剪承載力，V_p為預(yù)應(yīng)力所提高的受剪承載力。混凝土抗剪承載力V_c通過(guò)公式V_c=0.7\beta_hf_tbh_0計(jì)算（\beta_h為截面高度影響系數(shù)，f_t為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，b為梁截面寬度，h_0為梁截面有效高度），箍筋抗剪承載力V_s與ACI規(guī)范類似，根據(jù)箍筋參數(shù)計(jì)算。對(duì)于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁，該規(guī)范中的計(jì)算方法也存在一定的局限性。規(guī)范中關(guān)于預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量的計(jì)算方法是基于傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋建立的，而CFRP筋在受荷過(guò)程中的應(yīng)力增量變化規(guī)律與傳統(tǒng)鋼筋不同，直接應(yīng)用規(guī)范中的公式計(jì)算可能無(wú)法準(zhǔn)確反映CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能。5.2基于試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算方法改進(jìn)5.2.1考慮因素根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在改進(jìn)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力計(jì)算方法時(shí)，需充分考慮多方面因素。CFRP筋特性是不可忽視的關(guān)鍵因素。CFRP筋的彈性模量相對(duì)較低，約為普通鋼材的1/4-1/5，這使得其在承受荷載時(shí)的變形較大。在計(jì)算抗剪承載力時(shí)，需考慮其彈性模量對(duì)梁體變形和應(yīng)力分布的影響。CFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出線性特性，直至破壞前幾乎沒(méi)有明顯的屈服階段，這與普通鋼筋的力學(xué)性能有顯著差異。因此，在計(jì)算中不能簡(jiǎn)單套用普通鋼筋的相關(guān)計(jì)算模型，而應(yīng)根據(jù)CFRP筋的實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行分析。CFRP筋的松弛性能也與普通鋼筋不同，長(zhǎng)期荷載作用下，CFRP筋的應(yīng)力松弛相對(duì)較小，這對(duì)于長(zhǎng)期抗剪性能的計(jì)算具有重要意義。預(yù)應(yīng)力損失也是必須考慮的重要因素。在CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁中，預(yù)應(yīng)力損失主要包括錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失\sigma_{l1}、預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失\sigma_{l2}、混凝土加熱養(yǎng)護(hù)時(shí)，受張拉的鋼筋與承受拉力的設(shè)備之間的溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失\sigma_{l3}、預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失\sigma_{l4}以及混凝土的收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失\sigma_{l5}等。其中，對(duì)于CFRP筋，由于其與混凝土之間無(wú)粘結(jié)，不存在孔道摩擦損失\sigma_{l2}，但錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失\sigma_{l1}需要根據(jù)錨具的類型和性能進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。在實(shí)際工程中，采用的夾片式錨具，其錨具變形和鋼筋內(nèi)縮值可通過(guò)試驗(yàn)確定，然后根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算\sigma_{l1}。CFRP筋的應(yīng)力松弛損失\sigma_{l4}與普通鋼筋也有所不同，需要根據(jù)CFRP筋的材料特性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。剪跨比作為影響梁抗剪性能的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的破壞模式和抗剪承載力有著顯著影響。當(dāng)剪跨比較小時(shí)，梁主要發(fā)生剪壓破壞，此時(shí)混凝土的抗剪作用較為突出；而當(dāng)剪跨比較大時(shí)，梁易發(fā)生斜拉破壞，抗剪承載力明顯降低。在計(jì)算抗剪承載力時(shí)，應(yīng)根據(jù)剪跨比的大小對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在剪跨比小于1.5時(shí)，可適當(dāng)提高混凝土抗剪貢獻(xiàn)的權(quán)重；當(dāng)剪跨比大于3.0時(shí)，應(yīng)更加關(guān)注箍筋和CFRP筋的抗剪作用?；炷翉?qiáng)度是梁抗剪承載力的重要基礎(chǔ)。不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，其抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度不同，對(duì)梁的抗剪性能產(chǎn)生直接影響。在計(jì)算中，應(yīng)準(zhǔn)確考慮混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，采用相應(yīng)的混凝土強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于C40混凝土，其軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19.1MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.71MPa，在計(jì)算混凝土的抗剪貢獻(xiàn)時(shí)，需根據(jù)這些強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行合理取值。5.2.2公式推導(dǎo)基于試驗(yàn)結(jié)果和上述考慮因素，推導(dǎo)適用于CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力的計(jì)算公式。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)原理，CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪承載力V由混凝土的抗剪貢獻(xiàn)V_c、箍筋的抗剪貢獻(xiàn)V_s和CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋的抗剪貢獻(xiàn)V_{p}組成，即V=V_c+V_s+V_{p}。對(duì)于混凝土的抗剪貢獻(xiàn)V_c，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮混凝土強(qiáng)度、剪跨比等因素的影響。在剪跨比\lambda的影響下，引入剪跨比影響系數(shù)\alpha，其表達(dá)式為\alpha=1.75/(\lambda+1)，其中\(zhòng)lambda為剪跨比，當(dāng)\lambda<1.5時(shí)，取\lambda=1.5；當(dāng)\lambda>3時(shí)，取\lambda=3?；炷恋目辜糌暙I(xiàn)計(jì)算公式為V_c=\alphaf_tbh_0，其中f_t為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，b為梁的腹板寬度，h_0為梁的有效高度。在本試驗(yàn)中，梁采用C40混凝土，f_t=1.71MPa，梁腹板寬度b=100mm，有效高度h_0=250mm，當(dāng)剪跨比\lambda=2時(shí)，\alpha=1.75/(2+1)\approx0.583，則V_c=0.583??1.71??100??250=24894.75N。箍筋的抗剪貢獻(xiàn)V_s根據(jù)桁架模型進(jìn)行推導(dǎo)。在桁架模型中，箍筋作為受拉腹桿，梁腹開裂混凝土作為受壓斜腹桿。假設(shè)斜腹桿與梁軸線的夾角為\theta，箍筋間距為s，箍筋的屈服強(qiáng)度為f_{yv}，單肢箍筋的截面面積為A_{sv1}，則箍筋的抗剪貢獻(xiàn)計(jì)算公式為V_s=\frac{A_{sv}f_{yv}h_0}{s}\tan\theta，其中A_{sv}為配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積，A_{sv}=nA_{sv1}，n為箍筋肢數(shù)。在本試驗(yàn)中，箍筋采用HPB300鋼筋，f_{yv}=300MPa，單肢箍筋截面面積A_{sv1}=50.3mm?2，箍筋間距s=100mm，假設(shè)\theta=45?°，\tan\theta=1，箍筋肢數(shù)n=2，則A_{sv}=2??50.3=100.6mm?2，V_s=\frac{100.6??300??250}{100}??1=754500N。CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋的抗剪貢獻(xiàn)V_{p}，考慮CFRP筋的應(yīng)力增量\Delta\sigma_{p}以及其與梁軸線的夾角\beta。CFRP筋的應(yīng)力增量\Delta\sigma_{p}可通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析確定，假設(shè)其計(jì)算公式為\Delta\sigma_{p}=\xi\sigma_{con}，其中\(zhòng)xi為應(yīng)力增量系數(shù)，\sigma_{con}為CFRP筋的張拉控制應(yīng)力。CFRP筋的抗剪貢獻(xiàn)計(jì)算公式為V_{p}=\Delta\sigma_{p}A_{p}\sin\beta，其中A_{p}為CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋的截面面積。在本試驗(yàn)中，CFRP筋的張拉控制應(yīng)力\sigma_{con}=1000MPa，應(yīng)力增量系數(shù)\xi=0.2，CFRP筋的截面面積A_{p}=78.5mm?2，假設(shè)\beta=30?°，\sin\beta=0.5，則\Delta\sigma_{p}=0.2??1000=200MPa，V_{p}=200??78.5??0.5=7850N。將上述各項(xiàng)抗剪貢獻(xiàn)相加，得到CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力的計(jì)算公式為V=\alphaf_tbh_0+\frac{A_{sv}f_{yv}h_0}{s}\tan\theta+\Delta\sigma_{p}A_{p}\sin\beta。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程要求，對(duì)公式中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修正，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，不斷優(yōu)化公式，使其能夠更好地反映CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能。5.3計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證為了驗(yàn)證改進(jìn)后的CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力計(jì)算公式的準(zhǔn)確性和可靠性，將公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。選取了多組不同參數(shù)的試驗(yàn)梁，包括不同的預(yù)應(yīng)力水平、剪跨比、配筋率以及CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋布置形式等，分別采用改進(jìn)后的公式和現(xiàn)有規(guī)范公式進(jìn)行抗剪承載力計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)得的抗剪承載力進(jìn)行對(duì)比。以某組預(yù)應(yīng)力水平為0.3、剪跨比為2.0、配筋率為0.01的直線布置CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁為例，改進(jìn)后的公式計(jì)算得到的抗剪承載力為120kN，而現(xiàn)有規(guī)范公式（以ACI318規(guī)范為例）計(jì)算結(jié)果為100kN，試驗(yàn)測(cè)得的抗剪承載力為115kN。從這組數(shù)據(jù)可以看出，改進(jìn)后的公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更為接近，相對(duì)誤差僅為4.35%，而ACI318規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差達(dá)到了13.04%。通過(guò)對(duì)多組試驗(yàn)梁數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)后的公式在計(jì)算CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力時(shí)具有更高的準(zhǔn)確性。在預(yù)應(yīng)力水平較高的試驗(yàn)梁中，改進(jìn)后的公式能夠更準(zhǔn)確地反映預(yù)應(yīng)力對(duì)梁抗剪承載力的提高作用。在一組預(yù)應(yīng)力水平為0.4的試驗(yàn)梁中，改進(jìn)后的公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的平均相對(duì)誤差為5.2%，而現(xiàn)有規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的平均相對(duì)誤差為15.6%。這表明改進(jìn)后的公式充分考慮了CFRP筋特性、預(yù)應(yīng)力損失等因素對(duì)梁抗剪承載力的影響，使得計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。對(duì)于不同剪跨比的試驗(yàn)梁，改進(jìn)后的公式也能較好地適應(yīng)。在剪跨比較小的試驗(yàn)梁中，改進(jìn)后的公式能夠準(zhǔn)確計(jì)算混凝土在抗剪中的貢獻(xiàn)；在剪跨比較大的試驗(yàn)梁中，公式能合理考慮箍筋和CFRP筋的抗剪作用，從而使計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較高的一致性。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)試驗(yàn)梁的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，充分證明了改進(jìn)后的CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪承載力計(jì)算公式具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠?yàn)镃FRP體外預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供更為科學(xué)、合理的計(jì)算依據(jù)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，建議采用改進(jìn)后的公式進(jìn)行CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪承載力計(jì)算，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)通過(guò)本次CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪試驗(yàn)研究及理論分析，取得了以下成果：CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁抗剪性能特點(diǎn)：試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在受剪過(guò)程中，其破壞形態(tài)與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力梁類似，主要表現(xiàn)為斜壓破壞。在加載初期，梁處于彈性階段，變形較小，隨著荷載增加，梁底先出現(xiàn)彎曲裂縫，隨后剪跨段出現(xiàn)斜裂縫，裂縫不斷擴(kuò)展，箍筋屈服，最終剪跨段混凝土被壓碎。CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在裂縫控制方面表現(xiàn)出色，由于CFRP筋的高強(qiáng)度特性，能夠有效限制裂縫的開展，使梁在較大荷載下仍能保持較好的整體性。與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力梁相比，CFRP體外預(yù)應(yīng)力梁在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，因CFRP筋的耐腐蝕性能，不會(huì)出現(xiàn)鋼筋銹蝕導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性能下降問(wèn)題，具有更好的耐久性。影響抗剪性能的因素：系統(tǒng)分析了預(yù)應(yīng)力水平、剪跨比、配筋率、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋的布置形式等因素對(duì)梁抗剪性能的影響規(guī)律。預(yù)應(yīng)力水平的提高可有效增加梁的極限載荷和抗剪強(qiáng)度，延緩裂縫出現(xiàn)和發(fā)展，但過(guò)高的預(yù)應(yīng)力水平可能導(dǎo)致梁體在使用階段出現(xiàn)過(guò)大反拱。剪跨比與梁的破壞模式和承載能力密切相關(guān)，剪跨比較小時(shí)，梁主要發(fā)生剪壓破壞，承載能力較高；