碳纤维(CFRP)材料与传统的预应力钢筋相比,具有不锈蚀、无磁性、比强度（强度与重度比）高等优良特性。充分利用这些特性，构建CFRP索预应力大跨结构体系既有可能又有挑战。本项目拟在已有研究成果的基础上，开展碳纤维（CFRP）索预应力大跨结构（桥梁与房屋）体系非线性力学行为分析与控制。主要研究内容包括：１）CFRP索预应力大跨结构体系非线性力学行为分析；２）多变量耦合对其系统非线性力学行为的影响；３）CFRP索预应力大跨结构体系非线性力学行为的控制方法与技术。本项目利用已有良好的实验条件（已建成CFRP索斜拉桥（总长为55米）作为试验桥）和分析手段，对研究对象的非线性力学行为进行系统的实验研究与理论分析，以期为这类新型结构的开发利用提供科学依据和设计方法，最终为在我国实施跨海工程和CFRP索预应力大跨空间房屋结构提供技术支撑。 2100433B

预应力锚索通过尽可能少地扰动被锚固岩土体，由锚固在稳定岩土体中的锚固段提供预应力，从而有效地提高了被锚固岩土体的稳定性，是一种高效、经济的岩土加固技术，已广泛地运用于工业与民用建筑、公路、铁路边坡的加固防护、大型地下洞室的围岩加固以及大坝基础的加固等。而对于预应力锚索设计理论的研究也正成为岩土工程界研究的一个热点问题。但预应力锚索锚固段的工作机理还不十分清楚，尽管国内外已做了大量的室内外试验，锚固段的侧阻力分布的定性结论已经比较清楚，但理论研究，特别是用理论方法来预测锚固段的侧阻力分布规律还有待于深入。现有设计理论还停留在简单地将侧阻力分布按均匀分布简化的阶段，而大量的试验结果表明，锚固段侧阻力不是均匀分布的，而是在其前端形成峰值，然后沿锚固段长度迅速衰减直至趋近于零。显然，对这一问题作出合理解释，进而用理论方法来预测并作出能用于实际工程的设计，这些对于工程实践才比较有意义。文 曾采用损伤理论对这一问题进行了研究，分别定义了岩体的剪切损伤变量和浆体材料的受拉损伤变量并研究了各自对应的损伤演化方程，根据荷载、变形协调关系建立方程组，并通过迭代法求解，取得了一定的成果。

在本文中，作者首先将预应力锚索锚固段离散化，并将预应力锚索体系分解成承受侧阻力荷载作用的岩土体部分及锚固段部分并分别加以研究。其中，岩土体部分采用基于Mindlin应力解及应力叠加原理计算岩土体内任意点处的应力分布，并根据修正分层总和法计算预应力荷载下锚固段稳定岩土体内任意点处的变形值；锚固段浆体材料部分则根据锚索锚固段荷载传递特性来计算其变形量。最后根据两者荷载、变形协调关系建立联立方程组，采用迭代法求解，可以获得锚索锚固段的侧阻力分布及荷载、变形特性。本方法能够考虑岩土体的三向应力对其变形特性的影响，最为重要的是在计算变形时能够考虑岩土体的本构关系，从而可以考虑岩土体的非线性特性对其变形特性的影响。因此，在理论计算上比较合理。同时，可以运用本文建议方法的基本原理研究预应力锚索的群锚效应。本文理论对于预应力锚索工作机理特性研究具有现实意义。

锚索锚固段的离散化

施加在锚索上的预应力是通过埋设在稳定岩土体中的锚固段传递给周围岩土体，因此，锚固段是预应力锚索的主要受力部分，也是预应力锚索设计需要重点考虑的内容。至于锚索锚固段的侧阻力分布模式、锚固段荷载、变形特性则是预应力锚索设计的核心技术。

首先，将锚固段进行离散化处理(图1)，即将锚固段离散为n段，当然每微段长度可以相同，也可不相同，设各微段长度分别为d_i(i=1，2，3，…，n)；作用在各微段上的侧阻力为均匀分布，其大小分别为t_i(i=1，2，3，…，n)，各微段的侧阻力是各不相同的。

其次，将锚索体系看成是由两部分组合而成：其一是承担预应力荷载P及锚固段与岩土体相互作用的侧阻力荷载P_s=[t₁，t₂，t₃，L，t_n]T的锚固段；其二是承担侧阻力荷载P_t= [t₁，t₂，t₃，L，t_n]T的稳定岩土体(图 2)。当然，这两者之间要通过锚固段与岩土体之间相互作用的侧阻力荷载、变形协调关系统一起来。

这样分解的目的在于根据锚固段与岩土体的各自受力特点及各自的本构关系分别采用不同的方法进行研究，计算各自的荷载、变形关系。最后，通过两者荷载、变形协调关系将其联系起来，从而获得问题的最终解答。

固段周围岩土体应力分布研究

为研究岩土体内由于侧阻力荷载作用下沿锚固段与岩土体接触面上任意点处的应力分布规律，本文采用基于Mindlin应力解进行计算。均布矩形侧阻力下应力计算简图见图3。

荷载作用下沿锚固段与岩土体接触面上任意点处的附加应力计算公式可通过积分获得，与常规问题有所不同的是，本文问题的荷载作用方向是沿z轴的负方向。

固段荷载传递特性研究

锚固段的变形分析可以采用荷载传递法进行，首先推导锚索锚固段的荷载传递微分方程，然后，根据锚固段的侧阻力分布模式，并利用边界条件即可求得锚固段上任意点处的变形量。通过前面几节的分析，可以确定岩土体在给定侧阻力荷载作用下与锚固段接触面上任意点处的沉降量，以及在给定外加预应力荷载和锚固段侧阻力荷载共同作用锚固段的变形量。下面通过锚固段与周围岩土体荷载、变形协调关系来对预应力锚索体系进行整体分析。

从理论上来说，在锚固段与周围岩土体之间不产生滑移的情况下，任何位置处都应该变形协调，即变形应相等。

研究结论

从理论上对2次灌浆型预应力锚索锚固段侧阻力分布规律、锚固段荷载、变形特性进行了系统研究，归纳起来做了以下工作：

(1)将预应力锚索体系分解成承受侧阻力荷载作用的岩土体部分及锚固段部分并分别加以研究。

(2)岩土体部分采用基于Mindlin应力解及应力叠加原理计算岩土体内任意点处的应力分布，并根据修正分层总和法计算预应力荷载下锚固段稳定岩土体内任意点处的变形值。

(3)将锚固段进行离散化处理，并根据锚索锚固段荷载传递特性来计算其变形量，推导了锚固段荷载传递微分方程。

(4)根据两者荷载、变形协调关系建立联立方程组来进行锚索体系的整体分析，并采用迭代法求解，给出了具体的迭代步骤。

(5)通过一工程实例的分析比较，说明本文理论是合理的。

第一章 现代桥梁预应力和索力

第一节 预应力混凝土桥梁与预应力技术

第二节 缆索承重桥梁与索力张拉调整

第二章 预应力和索力与桥梁病害

第一节 预应力混凝土桥梁和缆索承重桥梁常见病害案例

第二节 桥梁病害与预应力及索力张拉施工的关联

第三章 预应力、索力张拉施工技术现状分析与对策

第一节 张拉施工技术现状

第二节 传统张拉施工技术存在的问题

第三节 传统张拉施工过程常见质量隐患

第四节 对传统张拉施工工艺的评价

第五节 预应力及索力张拉施工智能化测控体系的提出

第四章 预应力及索力张拉智能测控技术体系组成

第一节 核心技术

第二节 系列软硬件成套产品2100433B

本书以我国首座CFRP 索斜拉桥为工程背景，论述了碳纤维增强复合材料的主要性质及其在工程结构中的应用。全书主要内容如下：碳纤维增强复合材料的发展及应用现状、碳纤维增强复合材料的基本物理力学特性；CFRP 筋用黏结式、夹持式及复合式锚具的研制及性能分析；碳纤维复合材料的热性能、电性能及磁性能等主要功能特性；CFRP 斜拉索非线性静动力特性分析、CFRP 索斜拉试验桥静力学试验研究与分析、CFRP 索长大跨斜拉桥静动力学分析；碳纤维混凝土材料及其结构的智能特性等。这些研究成果为进一步拓展CFRP 材料在土木工程中的应用提供了很好的技术支持，也为相关规范与规程的修订与完善作出了宝贵贡献。