体外预应力混凝土已被广泛应用于桥梁工程、加固工程及大跨度屋盖等结构工程。随着结构设计使用年限的延长和应用于不利环境(酸、碱、氯盐、潮湿环境等)的情况越来越多,传统钢质的体外预应力筋在交变荷载下的疲劳问题,在腐蚀环境下的锈蚀问题,以及疲劳、锈蚀耦合作用下的锈蚀疲劳问题,一定程度上会对体外预应力结构的安全性和耐久性造成不利影响。碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)筋因具有轻质高强、耐疲劳、耐腐蚀等优越性能,被认为是能部分替代钢质体外预应力筋的一种理想材料。本文采用试验研究与理论分析相结合的方法,对体外预应力CFRP筋混凝土连续梁的疲劳性能展开了研究,主要研究内容及成果如下:(1)进行了 5根截面尺寸及配筋形式完全相同的体外预应力CFRP筋混凝土两跨连续梁的静载及疲劳试验,疲劳试验变量为疲劳荷载水平S(S=Pmax/Pu)。疲劳试验结果表明,试验梁的疲劳破坏形态为梁内受拉钢筋疲劳断裂。试验梁的疲劳寿命随疲劳荷载水平的增加而减小,且疲劳寿命与疲劳荷载水平在双对数坐标系中近似呈线性关系。随着荷载循环次数的增加,试验梁疲劳加载跨跨中挠度、体外CFRP筋应力、钢筋应力及主裂缝宽度不断发展,并呈“快速增长-稳定缓慢增长-急剧增长”的三阶段发展规律。与首次加载时连续梁的弯矩分布相比,疲劳加载跨跨内控制截面的弯矩(正弯矩)呈“快速减小-稳定缓慢减小-急剧减小”、中支座截面的弯矩(负弯矩)呈“快速增长-缓慢稳定增长-急剧增长”的三阶段发展规律,连续梁出现了疲劳荷载下由于沿梁纵向各截面刚度不均匀退化而引起的“疲劳内力重分布”现象。疲劳破坏后,疲劳加载跨跨内控制截面的疲劳弯矩重分布系数βf超过20%,中支座截面的疲劳弯矩重分布系数βf超过80%。(2)对体外预应力CFRP筋(钢绞线)混凝土连续梁进行了静力全过程非线性分析,采用MATLAB编程对静载下连续梁的跨中挠度、体外筋应力、普通受拉钢筋应变、控制截面弯矩等参数进行了分析计算。计算结果与试验结果相一致,精度良好。(3)建立了混凝土、钢筋及CFRP筋的疲劳损伤模型,基于分段线性原理,提出了可以同时考虑疲劳荷载作用下体外预应力CFRP筋混凝土连续梁截面内应力重分布以及沿梁纵向截面间疲劳内力重分布的疲劳损伤全过程非线性分析方法。采用MATLAB编程对疲劳荷载下连续梁的疲劳寿命、跨中挠度、体外CFRP筋应力、普通受拉钢筋应力、控制截面弯矩及抗弯刚度等重要参数进行了分析计算。与试验实测结果的比较表明,该方法可以较好地描述疲劳荷载作用下体外预应力CFRP筋混凝土连续梁的全过程结构响应,分析模型较为可靠。(4)基于疲劳全过程非线性分析程序,采用结构力学法分析了疲劳荷载下体外预应力CFRP筋混凝土连续梁中支座截面次弯矩的变化规律。研究表明,随着荷载循环次数的增加,本文连续梁中支座截面预应力次弯矩呈“快速增长、缓慢增长、迅速增长”的三阶段发展规律。与首次加载时的连续梁中支座截面的预应力次弯矩Ms相比,连续梁在疲劳破坏后的次弯矩Ms增幅可达28%以上。钢筋疲劳断裂后连续梁中支座截面的预应力次弯矩Ms值以及疲劳荷载引起的次弯矩Ms增量(与首次加载相比)会随着施加的疲劳荷载水平S的增加而减小,而疲劳荷载下连续梁预应力次弯矩Ms的增长速率则会随着疲劳荷载水平S’的增加而增大。同时指出,疲劳荷载下体外CFRP筋应力的变化对预应力连续梁次弯矩的影响相对较小,而纵向截面间相对刚度的变化对预应力次弯矩的影响占主导作用。(5)采用编制的疲劳全过程非线性分析程序定量地分析了体外CFRP筋的有效预应力及配筋率、跨中截面与中支座截面受拉钢筋配筋率之比、混凝土强度等级、体外预应力筋类型等参数对体外预应力混凝土连续梁疲劳寿命的影响。通过比较体外CFRP筋和体外钢绞线预应力混凝土连续梁的疲劳寿命及破坏形态表明,采用CFRP筋代替钢绞线作为体外筋,不失为提高体外预应力混凝土结构的耐久性和安全性的一种有效方法。(6)为了便于工程应用,提出了可以不通过疲劳全过程非线性分析即可简便地进行体外预应力CFRP筋混凝土连续梁疲劳寿命分析的“两阶段”疲劳寿命理论预测法。该方法将连续梁疲劳寿命分解为钢筋裂纹形成阶段寿命和钢筋裂纹扩展阶段寿命,并分别采用局部应力-应变法和线弹性断裂力学法进行分析计算。通过与疲劳寿命实测值的比较可见,“两阶段”疲劳寿命理论预测法的预测精度良好。