纤维增强筋(FRP筋)具有轻质高强、抗腐蚀性能优、抗电磁干扰能力强等特点,轻骨料混凝土是符合可持续发展需求的绿色建筑材料,将二者结合应用于大跨度预应力结构体系,可有效改善结构的跨越能力,尤其在高腐蚀性和高寒等复杂环境下,能够显著提高结构的耐久性能。目前,针对该类结构受力特征的探索尚处于起步阶段。从材料与构件两个层面揭示FRP筋与轻骨料混凝土的协同工作性能,探究FRP筋轻骨料混凝土梁服役阶段的刚度退化机制与裂缝发展规律,建立物理意义明晰的受弯计算方法,对于推广该类构件的工程应用具有重要的理论意义和实际价值。本文完成了15根FRP筋轻骨料混凝土梁与9根无粘结预应力FRP筋混凝土梁的受弯性能试验,系统研究了该类构件正常使用阶段性能(服役性能)与承载能力,重点分析纤维与施加预应力对各特征参数的影响,开发相应精细化有限元分析模型,建立该类构件受弯计算方法,主要研究内容包括:1.纤维增韧机理及FRP筋与轻骨料混凝土粘结性能。从微观与宏观两个尺度,研究轻骨料混凝土裂缝发展不同阶段纤维-水泥浆体传力特征与纤维阻裂机制,揭示纤维增强增韧机理,开展FRP筋与纤维轻骨料混凝土粘结–滑移行为全过程分析,建立相应本构修正模型。结果表明:钢纤维在拔出过程中通过与水泥浆体的粘结抑制裂缝的开展,进而起到增大延性的作用;碳纤维筋(CFRP筋)与玻璃纤维筋(GFRP筋)轻骨料混凝土粘结–滑移本构修正模型的预测结果与试验曲线吻合良好。2.FRP筋轻骨料混凝土梁与无粘结预应力FRP筋轻骨料混凝土梁受弯性能研究。完成了9根配GFRP筋、6根配CFRP筋和1根配钢筋的轻骨料混凝土梁与9根无粘结预应力CFRP筋混凝土梁受弯性能试验,观察其破坏过程与破坏形态,重点研究各特征参数对服役阶段刚度退化机制与裂缝开展规律的影响。结果表明:轻骨料混凝土压碎特征与普通混凝土显著不同,破坏面贯穿骨料,较为平整;增大FRP筋配筋率与施加预应力均能够提高构件刚度并减小裂缝宽度;掺入纤维有利于延缓构件刚度退化,抑制低荷载水平下裂缝宽度的开展;同跨度试件无粘结预应力FRP筋应力增量-挠度曲线发展趋势相近,弯矩相同时,无粘结预应力FRP筋应力增量随挠度的增大而降低。3.FRP筋轻骨料混凝土梁精细化有限元模型。开发了能够准确模拟FRP筋脆断特征的累积损伤模型,基于ABAQUS软件动态显式算法,通过嵌入轻骨料混凝土损伤塑性模型,实现对FRP筋轻骨料混凝土梁受力特性的精细化分析,为拓展该类构件受力性能数据库奠定了基础。结果表明:采用有限元模型计算得到的承载力与使用荷载下挠度均与试验结果吻合良好,引入的轻骨料混凝土受压本构模型能够合理描述受压区混凝土应力分布规律与压碎失效特征,修正的轻骨料混凝土损伤塑性模型较好地阐释了纵筋与混凝土粘结引起的受拉刚化作用,并合理地量化了纤维对构件开裂后变形规律的影响。4.承载力极限状态性能分析模型。通过引入基于细观力学的钢纤维轻骨料混凝土残余应力模型,明确承载力极限状态正截面薄弱区应力分布,改进了平衡与受压破坏试件的承载力公式;通过定量描述承载力状态下预应力与非预应力FRP筋的应变特征,实现了对无粘结预应力FRP筋受弯构件破坏模式的识别与控制;结合已建立的轻骨料混凝土受压本构模型与条带分析法,基于受弯试验与有限元模拟结果对正截面的轻骨料混凝土极限压应变进行校核,并给出了相应的等效矩形应力图系数。5.服役阶段变形与裂缝宽度计算方法。鉴于FRP筋应变分布特征是影响构件服役阶段刚度与裂缝开展的关键,引入轴拉构件受拉刚化分析模型,借鉴混凝土受压韧性指标定义,建立了考虑骨料、纤维和配筋量影响的FRP筋应变不均匀系数修正公式;针对无粘结预应力构件,从截面分解思想出发,建立了考虑预应力与非预应力FRP筋应变增长机制差异性的挠度与裂缝宽度模型,模型计算值与试验值吻合较好。此外,通过引入FRP筋纤维增韧轻骨料混凝土“低滑移”阶段粘结-滑移本构方程,建立了基于粘结的裂缝宽度计算模型。基于已建立的破坏模式判别准则以及服役阶段挠度与裂缝宽度模型,考虑破坏模式的安全性与配筋的经济性,以正常使用要求为控制指标,以破坏模式和承载能力作为验算条件,提出了FRP筋纤维增韧轻骨料混凝土梁受弯计算方法。本文建立了FRP筋纤维增韧轻骨料混凝土受弯构件服役阶段挠度与裂缝宽度分析模型,给出了破坏模式判别准则,完善了承载力计算方法,提出了基于服役性能的计算理论,为该类构件的设计与工程应用提供了技术支持。