FRP鋼骨混凝土梁抗剪性能

周 樂，王曉初，劉曉星

（沈陽大學(xué)a.建筑工程學(xué)院；b.遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室，遼寧沈陽 110044）

FRP鋼骨混凝土梁抗剪性能

周 樂a，b，王曉初a，b，劉曉星a

（沈陽大學(xué)a.建筑工程學(xué)院；b.遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室，遼寧沈陽 110044）

對FRP布加固鋼骨混凝土梁斜截面受力特點進行研究，在對已有FRP抗剪加固的相關(guān)文獻分析的基礎(chǔ)上，提出了修正的FRP鋼骨混凝土梁的斜截面抗剪承載力計算公式，并通過實驗數(shù)據(jù)驗證其正確性.關(guān) 鍵 詞：受力特點；抗剪加固；承載力

FRP由于其良好的力學(xué)性能，在混凝土結(jié)構(gòu)加固補強工程中得到了廣泛的應(yīng)用［1］.FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要用于抗彎加固和抗剪加固，但用于加固鋼骨混凝土抗剪的應(yīng)用較少，為此本文研究鋼骨混凝土構(gòu)件的抗剪加固.

1 抗剪加固FRP粘貼方法

FRP布加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)已成為土木工程界廣為接受的一種加固方法［2-3］，大多都是抗彎加固，而抗剪加固方面的研究不多，加固的有效性問題還有待進一步研究.但隨著近年來國內(nèi)外抗彎加固的成功，抗剪加固問題越來越突出，因為混凝土梁的抗彎破壞遲于抗剪破壞時，就不能保證梁為延性破壞.不同的粘貼方式，加固效果不一樣，不同的粘貼位置，加固效果也不一樣，本文提出了相應(yīng)的計算公式.在建筑結(jié)構(gòu)加固中，F(xiàn)RP常用的抗剪加固粘貼方式主要有以下三種：

1.1 側(cè)面粘貼

即將FRP布僅粘貼在梁的側(cè)面.由于FRP是一種單向受力材料，因此FRP纖維方向與斜裂縫的角度越大，加固效果越好.另外，在反復(fù)載荷作用下，剪力方向可能會發(fā)生變化，粘貼FRP布能約束兩個方向的斜裂縫的開展.在結(jié)構(gòu)加固中，常用的粘貼方式有豎向粘貼（圖1a，F(xiàn)RP纖維方向和梁底面的夾角α＝90°）、斜向粘貼（圖1b， FRP纖維方向和梁底面的夾角α＜90°）、雙向斜向粘貼（圖1c，F(xiàn)RP纖維方向和梁底面的有2個小于90°夾角）.

圖1 不同側(cè)面的FRP粘貼方式Fig.1 Pasted way of FRP in different aspects

粘貼FRP布的施工工藝按《碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn).

1.2 U型粘貼

即將FRP布粘貼在梁的側(cè)面和底面，截面形成U字形，見圖2.這種粘貼方式與側(cè)面粘貼方式進行對比，其優(yōu)勢是受力后能夠很好地延緩FRP布剝離，并且當(dāng)梁要在底面粘貼FRP布進行抗彎加固時，這種粘貼方式還有利于提高抗彎承載力.但是，這種加固方式的缺點是纖維的粘貼方向與梁底面的方向只能垂直，其纖維的粘貼方向受到限制，沒有梁的側(cè)面粘貼方式靈活.另外在施工工藝上，U形粘貼必須將梁拐角打磨圓滑，不能有尖角，受力時能避免拐角處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.

圖2 U型粘貼Fig.2 U-type paste

1.3 封閉包裹粘貼

即用FRP布纏繞在構(gòu)件外側(cè)并封閉包裹粘貼起來，見圖3.這種加固方式在梁的抗剪加固中很少使用，因為結(jié)構(gòu)中大部分梁的上部是樓板，要實現(xiàn)封閉包裹粘貼必然破壞樓板.在柱子受剪加固中就不存在這種情況，但同樣為避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在拐角處也需打磨出光滑的拐角.

圖3 封閉包裹粘貼Fig.3 Closed paste

2 抗剪加固的兩種基本破壞模式

FRP布加固梁斜截面有兩種基本破壞模式［3］：

（1）FRP拉斷破壞，是指構(gòu)件因纖維達到其拉伸極限后斷裂所引起的破壞.實際工程加固中，大部分采用封閉粘貼進行斜截面加固的構(gòu)件，其破壞模式是FRP拉斷破壞，還有極少U型粘貼進行斜截面加固的構(gòu)件，其破壞也是FRP拉斷破壞.其受力過程為：加載初期，F(xiàn)RP布中纖維參與工作的程度特別低，其纖維應(yīng)變變化很慢，直到出現(xiàn)第一道斜裂縫.隨后，與裂縫開展方向相交的纖維應(yīng)變變化速度明顯增快，其纖維的抗拉作用也比較明顯，很大程度上控制了裂縫的發(fā)展.同時，由于裂縫處應(yīng)力集中導(dǎo)致裂縫周圍的纖維布開始出現(xiàn)局部剝離現(xiàn)象，隨著載荷繼續(xù)增加，纖維局部剝離的區(qū)域擴大，直到延伸致整個粘貼面纖維應(yīng)變也隨之迅速增加，這時構(gòu)件已經(jīng)有明顯裂縫.因為有纖維封閉的約束作用，梁側(cè)粘貼的FRP布雖然剝離了，但被加固的構(gòu)件仍能繼續(xù)受力，最終由于纖維達到極限抗拉強度導(dǎo)致纖維拉斷，即FRP布失去加固效果.

（2）FRP剝離破壞，是指粘貼的纖維還未達到極限抗拉強度之前，因為外力的作用效果，引起FRP布與構(gòu)件之間的粘結(jié)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致粘貼的纖維脫離構(gòu)件而失去加固效果，最終構(gòu)件破壞.試驗表明，絕大部分梁側(cè)粘貼和一部分U型粘貼加固的構(gòu)件破壞是由于纖維與構(gòu)件之間失去粘結(jié)能力引起的，即剝離破壞.

3 FRP抗剪承載力計算公式

FRP的抗剪作用機理與箍筋抗剪的作用機理特別類似［4-5］，為簡化計算，計算模型可以將混凝土、鋼骨、箍筋和FRP四者承擔(dān)的抗剪承載力直接疊加，即：

式中，Vu為抗剪極限抗剪承載力；Vc為混凝土抗剪承載力；Vs為箍筋抗剪承載力；Vss為鋼骨抗剪承載力；Vf為FRP抗剪承載力.

3.1 計算基本假定

為了簡化計算基本假定為：①梁截面符合平截面假定；②混凝土本構(gòu)關(guān)系采用Hognestad模型，F(xiàn)RP采用線彈性本構(gòu)關(guān)系；③不考慮混凝土與鋼骨、混凝土與FRP布之間的滑移效應(yīng)；④不考慮受壓鋼筋作用和受拉混凝土的抗拉作用.

3.2 修正后的計算模型

根據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會制定的《碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（ECS 146—2003）規(guī)定FRP在加固中貢獻的抗剪承載力為：

我國的《碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》明確指出加固的是鋼筋混凝土，而本文研究的是加固鋼骨混凝土，因為公式不能直接使用，與此相比，前者沒考慮到有鋼骨抗剪作用，而本文有鋼骨加入抗剪作用，因此需對碳纖維材料承擔(dān)的剪力進行修正，引入影響系數(shù)K，（εcu＋εsu）＝K2εcfu，移項得：

并考慮纖維的分項系數(shù)μ，加拿大（ISIS）規(guī)范中認(rèn)為碳纖維應(yīng)計算材料分項系數(shù)，應(yīng)取0.7～0.78；在考慮到影響系數(shù)和材料分項系數(shù)的情況下，F(xiàn)RP在加固中貢獻的抗剪承載力為

式中，Vf為碳纖維材料承擔(dān)的剪力；εcfv為達到受剪承載能力極限狀態(tài)時碳纖維材料的應(yīng)變，計算公式與剪跨比有關(guān)，公式：εcfv＝2（0.2＋0.12λ）εcfu／3，εcfu為碳纖維材料的極限拉應(yīng)變；φ為碳纖維材料受剪加固形式系數(shù)，對封閉粘貼取1.0，對U形粘貼取0.85，對側(cè)面粘貼取0.70；λ為梁受剪計算截面的剪跨比，對于集中載荷作用情況取a／h0，當(dāng)λ大于3.0時，取3.0，當(dāng)λ小于1.5時，取1.5，a為集中載荷作用點到支座邊緣的距離；對于均布載荷作用情況，取3.0；ncf為碳纖維材料的粘貼層數(shù)；hcf為側(cè)面粘貼碳纖維材料的高度；scf為纖維材料條帶的凈間距；tcf為單層碳纖維材料的厚度；wcf為碳纖維材料條帶的寬度.

4 計算值與試驗值對比分析

碳纖維布加固梁的承載力計算采用疊加的方法，為了便于分析，這里僅將碳纖維所能承擔(dān)的抗剪力通過修正的公式（4）進行計算.為了驗證計算公式的正確性，將其計算值和試驗值進行對比，其相關(guān)曲線見圖4所示.

圖4 試驗值與計算值對比圖Fig.4 Experimental and calculated values comparison chart

在圖4中，曲線為計算值連成的曲線，四邊形散點為試驗值，從圖中可以看出計算結(jié)果與試驗值吻合得比較好.U型粘貼時，Vexp／Vcal（即抗剪承載力的試驗值與計算值之比）平均值為1.04，偏于安全.全封閉□型粘貼時，Vexp／Vcal平均值為1.06，偏于安全.可以認(rèn)為全封閉□型粘貼比U型粘貼可靠度更高.總的Vexp／Vcal平均值為1.05，說明計算值的平均值小于試驗值的平均值，即說明修正計算公式是偏安全的，并證明了本文的修正公式是合理可靠的，其一般性仍需大量試驗進行驗證.

5 結(jié) 論

（1）分析已有計算模型，在此基礎(chǔ)上提出了一個修正的FRP抗剪承載力計算公式.

（2）通過試驗數(shù)據(jù)驗證了計算公式，證實了修正后的公式是切實可行的.

（3）本文通過試驗分析與理論分析相結(jié)合的方法，不僅為實際工程提供理論基礎(chǔ)，并為后續(xù)深入研究做了鋪墊.

［1］薛建陽.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007：105-120.

［2］江見鯨，李杰，金偉良.高等混凝土結(jié)構(gòu)理論［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：89-180.

［3］曹雙寅，潘建伍，邱洪興.外貼纖維加固梁抗剪承載力計算方法分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2002（5）：766-770.

［4］Chen J F，Teng J G.Shear capacity of fiber-reinforced polymer strengthened reinforced concrete beams：fiber reinforced polymer rupture［J］.Journal of Structural Engineering，2003（5）：615-625.

［5］周樂，劉曉星.FRP約束鋼骨高強混凝土短柱抗剪承載力計算［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2010（S1）：352-355.

Shear Performance of FRP Steel Reinforced Concrete Beam

ZHOU Lea，b，WHANG Xiaochua，b，LIU Xiaoxinga

（a.Architectural and Civil Engineering College；b.Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering of Liaoning Province，Shenyang University，Shenyang 110044，China）

The force characteristics of of the FRP plates SRC beam are studied.Research was done on the basis of the analysis of the literature on existing FRP shear reinforcement.Amended FRP reinforced concrete beams inclined shear strength formula is put forward，the correctness of it was verified by experimental data.

force characteristics；shear reinforcement；capacity

TU 973＋2

A

1008-9225（2012）03-0067-03

2011-12-15

遼寧省教育廳基金資助項目（Ld010381）；國家支撐計劃（2011BAJ06B04）；國家住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部基金資助項目（2010-K2-41）；遼寧省博士啟動基金資助項目（20111018）.

周 樂（1978-），女，遼寧沈陽人，沈陽大學(xué)副教授，博士；王曉初（1967-），男，山東諸城人，沈陽大學(xué)教授，博士.

祝 穎】