配FRP箍筋混凝土梁的抗剪性能研究進(jìn)展

康明睿，薛偉辰

(同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092)

鋼筋腐蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素．我國上世紀(jì)80 年代初的調(diào)查表明，使用了10 ～30 a 的水工建筑物中近60%出現(xiàn)了鋼筋銹蝕破壞，使用了7 ～25 a 的海港碼頭中的水工建筑物近90%出現(xiàn)了鋼筋銹蝕破壞［1－3］．近年來，因結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生銹蝕造成的工程事故在我國接連發(fā)生． 如廣東海印大橋的拉索銹斷事故［4］，四川宜賓拱橋的鋼索腐蝕造成橋面墜落事故［5］，這兩座橋的使用年限均不到10 a．北京西直門立交橋因使用除冰鹽而導(dǎo)致橋面鋼筋銹蝕破壞和混凝土嚴(yán)重剝蝕，使用10 a后開始加固，僅使用了19 a 就報廢了［6］．

纖維增強(qiáng)塑料(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)耐腐蝕性強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度高，密度小，且抗疲勞性能好，能適用于處于腐蝕環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)． 采用FRP筋替代鋼筋被認(rèn)為是解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的行之有效的方法．根據(jù)纖維種類的不同，F(xiàn)RP 材料可分為玻璃纖維增強(qiáng)塑料(Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP)、碳纖維增強(qiáng)塑料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)和芳綸纖維增強(qiáng)塑料(Aramid Fiber Reinforced Polymer，AFRP)等．

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，箍筋作為鋼筋骨架最外層鋼筋，較縱向鋼筋更容易受到外部侵蝕環(huán)境的影響而發(fā)生腐蝕，從而削弱了構(gòu)件的橫向約束和抗剪性能，引發(fā)結(jié)構(gòu)性能退化．采用FRP 材料制作箍筋，能夠有效地防止箍筋受到腐蝕，從而提高結(jié)構(gòu)整體的耐久性．FRP箍筋是由FRP 直線筋在軟化狀態(tài)下彎折而形成的．由于目前常用的FRP 筋的拉擠成型制作工藝難以在保證強(qiáng)度的情況下制作出閉合的FRP 箍筋，因此常見的FRP 箍筋主要為U 型、搭接型及螺旋型．

同時采用FRP 縱筋及FRP 箍筋的混凝土結(jié)構(gòu)被稱為“全FRP 筋混凝土結(jié)構(gòu)”． 由于FRP 材料的塑性變形能力較弱，彈性模量較小，使得“全FRP 筋混凝土結(jié)構(gòu)”有著與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同的抗剪破壞模式和承載能力，因而有必要對“全FRP 混凝土梁”的抗剪機(jī)理及性能進(jìn)行系統(tǒng)研究．

20 世紀(jì)90 年代以來，許多學(xué)者對FRP 箍筋的彎拉性能及配FRP 箍筋混凝土梁抗剪性能進(jìn)行了試驗研究，并提出了一些理論模型和設(shè)計建議． 美國、加拿大、日本等國的相關(guān)規(guī)范中也給出了配FRP箍筋混凝土梁抗剪性能的設(shè)計方法．

1 FRP 箍筋彎拉強(qiáng)度計算

FRP 筋由各向異性材料組成，其受力性能與鋼筋有著很大區(qū)別． 試驗研究發(fā)現(xiàn)，將FRP 筋彎曲并形成箍筋，其彎曲段的強(qiáng)度會顯著降低，其值一般為直線段的30% ～80%［7－8］． 這主要由兩個原因造成:①箍筋在受力時，彎曲段同時受到混凝土的擠壓會產(chǎn)生橫向力和平行于纖維方向的縱向力，從而處于復(fù)雜受力狀態(tài)，由于FRP 筋橫向強(qiáng)度較低，所以彎曲段易先發(fā)生破壞;②FRP 筋彎曲會導(dǎo)致彎曲段內(nèi)側(cè)FRP 纖維發(fā)生褶皺和紐結(jié)，如圖1 所示，從而使應(yīng)力分布不均，外側(cè)纖維應(yīng)力集中［9］．

圖1 彎曲段纖維示意圖

影響FRP 筋彎曲段的彎拉強(qiáng)度的主要因素為彎曲半徑rb與FRP 筋直徑db的比值(rb/db)以及與彎曲段相連的錨固段長度lthf．Ehsani 等［10］通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)rb/db接近零時，F(xiàn)RP 箍筋在應(yīng)力很小時便發(fā)生斷裂;隨著比值的增大，彎曲段承載力也增大．根據(jù)試驗結(jié)果，他建議應(yīng)當(dāng)避免采用rb/db＜3的FRP 箍筋． 由于FRP 箍筋難以做成閉合矩形形式，因此一般需要一段直線錨固段將拉力傳遞給混凝土，該錨固段長度即為lthf，如圖2 所示．Ehsani 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)lthf＞12 db，箍筋將力傳遞給混凝土?xí)r不會發(fā)生滑移，也不會影響豎肢的抗拉強(qiáng)度，因此lthf項的影響可由構(gòu)造措施消除．此外，試驗結(jié)果表明彎曲段強(qiáng)度雖然也受混凝土強(qiáng)度影響，但影響較?。?/p>

圖2 箍筋彎曲段示意圖

針對FRP 箍筋彎曲段強(qiáng)度，日本規(guī)范JSCE(1997 年)［11］采用rb/db及直線段強(qiáng)度ffuv作為彎拉強(qiáng)度影響因素，提出了如下計算公式:

式中:ffb為彎曲段強(qiáng)度;ffuv為直線段強(qiáng)度;δ 為安全系數(shù)，JSCE(1997 年)取δ 值為1．3．

該公式被美國ACI 440．1R—06［12］規(guī)范及加拿大CAN/CSA—S6—06［13］規(guī)范采用，前者取δ 值為1．0，后者取δ 值為1．5．通過將試驗結(jié)果與上述規(guī)范公式進(jìn)行對比，EI-Sayed 等［14］發(fā)現(xiàn)，美國ACI 規(guī)范過高估計了彎曲段強(qiáng)度，而日本與加拿大規(guī)范則留有一定的安全儲備．

綜上可見，各國學(xué)者對FRP 箍筋彎拉強(qiáng)度的影響因素及計算方法已形成了較為統(tǒng)一的意見．然而，目前仍然缺乏關(guān)于纖維類型及纖維含量對FRP 箍筋彎拉強(qiáng)度影響的研究，因此設(shè)計中尚無法考慮這兩點因素．

2 配FRP 箍筋混凝土梁的抗剪性能試驗研究

國內(nèi)外相關(guān)研究中通常針對“全FRP 筋混凝土梁”進(jìn)行抗剪試驗研究． 與鋼筋混凝土梁類似，配FRP 箍筋混凝土梁抗剪機(jī)理中的抗剪承載力通常由6 部分共同組成［15］，包括:縱向受力筋的銷拴作用VDO，沿裂縫方向的混凝土咬合作用及摩擦力VAG，混凝土的拱作用VAR，未開裂混凝土受壓區(qū)抗剪承載力VCO，混凝土開裂處的殘留拉應(yīng)力VR，橫向筋的抗剪作用VS，如圖3 所示．

圖3 混凝土梁抗剪機(jī)理示意圖

在考慮采用FRP 箍筋與縱筋的混凝土梁的抗剪性能時，必須考慮到其與鋼筋混凝土梁的不同之處．主要表現(xiàn)在:FRP 具有較低的彈性模量;FRP 橫向剪切承載力較低;FRP 具有較高的抗拉強(qiáng)度，但缺少屈服平臺;FRP 箍筋彎曲段的彎拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于直線段抗拉強(qiáng)度．

試驗現(xiàn)象表明，配置FRP 箍筋的混凝土梁剪切破壞模式有兩種:一種是FRP 箍筋斷裂破壞，如圖4所示;另一種是梁腹部混凝土壓碎破壞［16］． 前者具有明顯的脆性特征，發(fā)生較為突然;相比之下，后者則具有更好的變形性能． 從試驗中混凝土梁裂縫發(fā)展情況看，發(fā)生兩種剪切破壞的混凝土梁在破壞前都符合桁架模型假定，裂縫角度在45°左右．

圖4 破壞源于FRP 箍筋斷裂的混凝土梁［18］

日本的長坂智也等［8］通過大量試驗研究發(fā)現(xiàn)，配置FRP 箍筋混凝土梁的抗剪破壞模式與配箍率ρfv和箍筋彈性模量Ef的乘積(ρfvEf)有關(guān)，且隨著ρfvEf的增大，破壞模式由箍筋斷裂轉(zhuǎn)為梁腹混凝土壓碎．試驗還顯示，梁的抗剪承載力與的值呈線性相關(guān)．一方面是因為較大的配箍率能使相同荷載下的箍筋應(yīng)力減小，增大箍筋整體的抗剪承載力．試驗結(jié)果［8］還表明，對于發(fā)生箍筋斷裂破壞的混凝土梁，抗剪承載力與ρfv呈線性正相關(guān);對于發(fā)生梁腹混凝土壓碎破壞的混凝土梁，抗剪承載力也隨ρfv增大而增大，但增大幅度不大． 另一方面，較大的配箍率和較高的箍筋彈性模量能減小箍筋應(yīng)變，起到提高箍筋對混凝土的橫向約束、控制裂縫寬度、增強(qiáng)混凝土骨料咬合效應(yīng)的作用，從而提高混凝土梁開裂后混凝土的抗剪貢獻(xiàn)，降低箍筋所要承擔(dān)的荷載．

除了FRP 箍筋以外，F(xiàn)RP 混凝土梁抗剪性能還與受力筋縱向剛度有關(guān)．縱向剛度由配筋率ρfl與彈性模量Ef的乘積表示，即ρflEf． Zhao［17］和El-Sayed［18］等的試驗結(jié)果表明，F(xiàn)RP 混凝土梁的抗剪承載力可以表示為ρflEf的函數(shù)，并隨著ρflEf的減小而減?。@主要是由于在相同配筋率下，F(xiàn)RP 筋的縱向剛度較鋼筋更低，縱筋應(yīng)變更大，使得混凝土受壓區(qū)高度減小及裂縫寬度變大，從而減小VAG，VAR，VCO，VR等項，并最終削弱混凝土的抗剪貢獻(xiàn)． 針對FRP 混凝土梁縱向配筋率ρfl對混凝土抗剪貢獻(xiàn)VC的影響，El-Sayed［18］及Gross［19］等發(fā)現(xiàn)，ρfl通過影響混凝土梁中性軸高度對VC產(chǎn)生非線性的影響，大致表現(xiàn)為VC與呈正相關(guān)． 而對于FRP 縱筋的銷拴作用，由于FRP 筋的橫向強(qiáng)度及剛度都較小，一般認(rèn)為由FRP 縱筋提供的銷拴作用對抗剪承載力VDO的貢獻(xiàn)比相同面積的鋼筋更?。?2］．

針對剪跨比對配置FRP 箍筋混凝土梁抗剪承載力的影響的研究較少． 長坂智也等［8］在對配置FRP 箍筋的縮尺梁的試驗研究中發(fā)現(xiàn)，與鋼筋混凝土梁類似，F(xiàn)RP 混凝土梁的抗剪承載力隨剪跨比的增大而減?。?Razaqpur 等［20］通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剪跨比較小時，混凝土通過拱作用可以直接將剪力傳給支座;但當(dāng)剪跨比大于2．5 時，F(xiàn)RP 混凝土的拱作用的抗剪貢獻(xiàn)VAR將變小到可以忽略不計．

目前對配置FRP 箍筋的混凝土梁抗剪性能的研究主要著眼于FRP 材料與鋼筋不同的特性上，包括箍筋及縱筋的彈性模量、配筋率對抗剪承載力以及破壞模式的影響，并且已經(jīng)在定性結(jié)論上形成一致意見，但在定量分析上存在試驗數(shù)據(jù)離散性過大的問題．對于其他抗剪影響因素，例如混凝土強(qiáng)度、尺寸效應(yīng)、銷拴作用、剪跨比等，目前的研究剛剛開始，仍不充分．此外，現(xiàn)有試驗所采用的FRP 箍筋多為復(fù)合箍，存在材料利用率不高，搭接錨固不穩(wěn)定的問題．對材料利用率高、性能穩(wěn)定的螺旋箍筋，尤其是較為經(jīng)濟(jì)的GFRP 矩形螺旋箍筋以及GFRP 閉合矩形箍筋的研究較少．

3 配FRP 箍筋混凝土梁斜截面抗剪強(qiáng)度理論研究

20 世紀(jì)90 年代以來，從日本規(guī)范JSCE［11］開始，美國、加拿大、英國、意大利、中國等陸續(xù)將FRP 箍筋混凝土梁抗剪計算列入設(shè)計規(guī)范中，有ACI 440．1R—06［12］、CSA—S6—09［13］，ISIS—M03—07［21］，BISE(1999)［22］，JSCE(1997)［11］規(guī)范等． 這些規(guī)范公式都基于桁架模型，并假設(shè)FRP 混凝土梁有著與普通鋼筋混凝土梁類似的抗剪機(jī)理．其中美國、英國和日本的規(guī)范采用傳統(tǒng)的45°桁架模型，而加拿大規(guī)范則采用了基于修正壓力場理論的變角桁架模型．各規(guī)范將梁抗剪承載力定義為混凝土抗剪承載力VC與FRP 箍筋抗剪承載力VFRP之和，并根據(jù)FRP筋與鋼筋材料性能上的不同作了修正． 下面歸納上述各規(guī)范中的抗剪設(shè)計公式． 公式中，下標(biāo)fl 代表FRP 縱筋;下標(biāo)fv 代表FRP 箍筋;ρ，E，A，σ，ε 分別代表配筋率、彈性模量、面積、應(yīng)力和應(yīng)變;b 為梁寬;d 為梁有效高度;f'c為混凝土抗壓強(qiáng)度．

3．1 JSCE(1997 年)規(guī)范中的抗剪設(shè)計公式

日本JSCE(1997 年)規(guī)范采用了45°桁架模型，其混凝土抗剪承載力VC的計算公式為

其中

FRP 箍筋抗剪承載力VFRP的計算公式為

其中

3．2 ACI 440．1R—06 規(guī)范中的抗剪設(shè)計公式

美國ACI 440．1R—06 設(shè)計規(guī)范中采用的也是45°桁架模型，其混凝土抗剪承載力VC的計算公式為

其中

FRP 箍筋抗剪承載力VFRP的計算公式為

并規(guī)定

3．3 CSA—S6—09 規(guī)范中的抗剪設(shè)計公式

加拿大CSA—S6—09 規(guī)范采用了變角桁架模型，其混凝土抗剪承載力VC的計算公式為

其中

FRP 箍筋抗剪承載力VFRP的計算公式為

其中

對于GFRP 箍筋，frp取0．50;而對于CFRP 箍筋，frp取0．75．

3．4 ISIS—M03—07 規(guī)范中的抗剪設(shè)計公式

與CSA—S6—09 一樣，加拿大的另一部FRP 規(guī)范ISIS—M03—07 同樣采用了變角桁架模型． 針對VC項的計算，該規(guī)范對混凝土梁的不同尺寸作了區(qū)分．

當(dāng)d≤300 mm 時，

當(dāng)d ＞300 mm 時，

對于箍筋抗剪承載力VFRP的計算公式，其規(guī)定:

其中

3．5 BISE(1999 年)規(guī)范中的抗剪設(shè)計公式

英國BISE(1999 年)規(guī)范也采用了45°桁架模型，其混凝土抗剪承載力VC的計算公式為

FRP 箍筋抗剪承載力VFRP計算公式為

為了避免混凝土梁抗剪失效時，由于過大的FRP 箍筋應(yīng)變而導(dǎo)致裂縫過寬，大部分規(guī)范對FRP箍筋的最大應(yīng)變值εfuc作了規(guī)定，見表1．

表1 各國規(guī)范中FRP 箍筋應(yīng)變最大容許值

目前各國相關(guān)規(guī)范對FRP 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度的限值一般為0．5 ～0．7 mm．從配FRP 箍筋混凝土梁抗剪試驗測得的結(jié)果看，當(dāng)裂縫寬度達(dá)到0．5 mm時，F(xiàn)RP 箍筋的應(yīng)變約為0．002 0 ～0．003 5［7，14］，因此部分學(xué)者建議偏保守地將應(yīng)變?nèi)菰S值取為0．002 5．然而，Ahmed 等［16］的試驗研究表明，箍筋應(yīng)變?yōu)?．002 5時達(dá)到的應(yīng)力僅為直線段強(qiáng)度的15%左右，并低于彎曲段強(qiáng)度的30%，箍筋達(dá)到該應(yīng)變時的外荷載為極限荷載的52% ～67%．按此限值設(shè)計會導(dǎo)致計算結(jié)果過度保守，使得FRP 箍筋的使用非常不經(jīng)濟(jì)．而當(dāng)箍筋最大應(yīng)變?nèi)?．004 0時，裂縫寬度并不會超過0．7 mm 限制，對應(yīng)荷載為極限荷載的62% ～75%，將使設(shè)計更加經(jīng)濟(jì)合理．考慮到上述因素，加拿大CSA—S6—09 規(guī)范在S6—06 版本的基礎(chǔ)上將限值由0．002 5 改為0．004 0．

在這些規(guī)范所采用的計算模型當(dāng)中，VFRP項的計算方法較為類似，但計算結(jié)果差異較大． El-Sayed等對比了上述各規(guī)范計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)［18］，發(fā)現(xiàn)各結(jié)果之間差異達(dá)260%． 這主要是因為各規(guī)范在箍筋抗拉強(qiáng)度的計算方法上作了不同規(guī)定． 相比于其他規(guī)范的規(guī)定，ISIS 及JSCE 規(guī)范中通過公式計算所得的箍筋應(yīng)變較小，導(dǎo)致其VFRP項試驗值與計算值比值在3 左右，過于保守．相比之下，ACI，CSA 及BISE 規(guī)范的計算結(jié)果較為合理．

對于VC項的計算，各規(guī)范給出的計算方法有很大不同，計算結(jié)果差異也較大，相互間差異達(dá)70%．這主要是因為這些規(guī)范所依據(jù)的鋼筋混凝土抗剪計算方法各不相同，并且對縱筋剛度變化所帶來的影響的考慮也不一樣．通過與無腹筋FRP 混凝土梁抗剪試驗結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)［18］，BISE 和JSCE 等采用項來考慮縱筋剛度影響的規(guī)范對試驗結(jié)果的預(yù)測較為準(zhǔn)確，但BISE 規(guī)范的計算結(jié)果中有1/3 左右偏于不安全．與此相反，ACI 440 規(guī)范對試驗結(jié)果的預(yù)測最為保守，試驗值與計算值的比值接近2，這主要是因為ACI 規(guī)范僅考慮中性軸以上未開裂混凝土的抗剪貢獻(xiàn)．

為了使計算公式對試驗結(jié)果的預(yù)測更為準(zhǔn)確，Nehdi 等［23］對配FRP 箍筋混凝土梁抗剪性能進(jìn)行了分析，并采用最優(yōu)化算法根據(jù)從文獻(xiàn)中收集到的168 根試驗梁的試驗結(jié)果通過擬合得到了計算公式．出于計算結(jié)果偏于安全的考慮，Nehdi 在VFRP及VC項中分別引入了安全因子0．78 及0．66．計算公式如下:

當(dāng)a/d≥2．5 時，

當(dāng)a/d ＜2．5 時，

由于該公式基于數(shù)據(jù)擬合，與其他基于鋼筋混凝土抗剪設(shè)計方法的設(shè)計理論相比，Nehdi 公式在數(shù)據(jù)分析方面具有更好的表現(xiàn)．

綜上可見，目前國外有關(guān)配FRP 箍筋混凝土梁的抗剪理論研究主要建立在鋼筋混凝土梁抗剪理論模型的基礎(chǔ)上，并存在以下問題:首先，現(xiàn)有理論公式對“全FRP 筋混凝土梁”抗剪承載力及剪切破壞模式的預(yù)測不夠精確;其次，現(xiàn)有研究所開展的配置FRP 箍筋混凝土梁試驗很少考慮剪跨比及預(yù)應(yīng)力度對梁抗剪性能的影響;最后，目前FRP 相關(guān)規(guī)范對尺寸效應(yīng)的考慮均采用了鋼筋混凝土梁的處理方法，而這些方法是否適用于“全FRP 筋混凝土梁”還有待驗證．

4 展 望

總結(jié)了20 多年來世界各國對FRP 箍筋及配FRP 箍筋混凝土梁的抗剪性能的試驗及理論研究．筆者認(rèn)為在下列幾個方面有待進(jìn)一步開展研究．

1)開發(fā)具有更高的材料利用率、能充分發(fā)揮FRP 箍筋的抗剪性能的箍筋模式．

2)研究剪跨比、FRP 縱筋銷栓作用、混凝土梁尺寸效應(yīng)等對抗剪性能的影響．

3)提出適于配置FRP 箍筋及縱筋的混凝土梁抗剪理論模型．

4)開展對配置FRP 箍筋的預(yù)應(yīng)力FRP 混凝土梁的抗剪性能的研究．

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