FRP 筋混凝土梁斜截面破壞機(jī)理探討

侯黎黎，楊明偉，梁帥濤，王曉晴

（1 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2 開封市黃河土木工程實(shí)驗(yàn)中心，河南 開封 475004）

0 引言

與鋼筋相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer／Fiber Reinforced Plastic，簡(jiǎn)稱FRP）筋具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、不生銹、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)［1］。 用FRP 筋替代鋼筋用于混凝土梁中，能夠徹底解決鋼筋混凝土梁因鋼筋銹蝕而引起的耐久性病害和承載力不足的問題。相關(guān)研究成果表明［2－7］，F(xiàn)RP 筋混凝土梁在集中荷載作用下的破壞屬于沒有明顯預(yù)兆的脆性破壞； 在混凝土中摻入纖維能夠起到明顯的增強(qiáng)、阻裂、增韌作用；在混凝土梁中摻入FRP 能夠顯著改善其斜截面脆性破壞特征；FRP 筋混凝土梁的斜截面延性差、破壞呈明顯脆性。 為了揭示FRP 筋纖維混凝土梁的斜截面受力性能，筆者分析了集中荷載作用下的FRP 筋混凝土梁斜截面的破壞機(jī)理和破壞形態(tài)， 并基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)擬合， 研究了FRP 筋纖維混凝土梁斜截面承載力的計(jì)算方法， 以期對(duì)FRP 筋纖維混凝土梁的設(shè)計(jì)提供參考。

1 受剪破壞機(jī)理

FRP 筋混凝土梁由混凝土和FRP 筋兩種材料組成， 其斜截面受剪承載力也主要來自混凝土和FRP 筋。 FRP 筋混凝土梁斜截面的極限受剪承載力與混凝土的抗剪能力、 混凝土開裂區(qū)的殘余抗剪能力、斜裂縫處纖維的作用、縱向FRP 筋的銷栓作用、箍筋的作用有關(guān)。

1.1 剪跨區(qū)混凝土的抗剪作用

剪跨區(qū)混凝土的抗剪作用主要體現(xiàn)在混凝土的拱效應(yīng)、未開裂混凝土的作用兩個(gè)方面。在四點(diǎn)對(duì)稱加載情況下，隨著荷載的增加，與加載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的梁段混凝土能夠發(fā)揮出“拱效應(yīng)”，該效應(yīng)有效抵抗著不斷增大的外部荷載。當(dāng)外部荷載增加到一定程度時(shí)，剪跨區(qū)（集中荷載加載點(diǎn)和對(duì)應(yīng)支座之間的梁段）出現(xiàn)斜向裂縫，并逐步發(fā)展。 此時(shí)，未開裂的混凝土能夠承擔(dān)絕大部分外部荷載。

1.2 斜裂縫處的殘余抗剪能力

梁的斜截面開裂后，混凝土尚存殘余承載能力。斜裂縫出現(xiàn)之后，一方面，斜裂縫處的粗骨料彼此咬合，提高了斜截面的抗剪能力；另一方面，斜裂縫處細(xì)骨料之間的摩擦力適應(yīng)著外荷載的變化。 粗骨料咬合作用的大小取決于斜裂縫處粗骨料的數(shù)量、粗骨料的最大粒徑以及粗骨料的分布情況等［3］。 而斜裂縫面與面之間的摩擦力的大小與其糙率、 外部荷載的大小密切相關(guān)。

1.3 斜裂縫處纖維的作用

在混凝土中摻入纖維，能夠起到增強(qiáng)、阻裂、增韌的作用［1］。 亂向分布的纖維對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)起著“微鋼筋”效應(yīng)。 斜裂縫出現(xiàn)后，與斜裂縫相交的纖維的“橋架”作用一方面延緩了混凝土內(nèi)部微裂縫出現(xiàn)的時(shí)間， 另一方面起著阻止并限制斜裂縫進(jìn)一步展開的作用，從而起到增強(qiáng)斜截面抗剪能力的作用。

1.4 縱向FRP 筋的銷栓作用

縱向FRP 筋的銷栓作用是FRP 筋梁斜截面抗剪承載力的重要組成部分，F(xiàn)RP 筋銷栓作用的大小取決于FRP 筋的剪切剛度、配筋率。 現(xiàn)有研究成果表明， 梁中縱筋的銷栓作用隨著一定范圍內(nèi)配筋數(shù)量的增加而提高［4－5］。

1.5 箍筋的抗剪作用

對(duì)于配置箍筋的FRP 筋混凝土梁來說，斜截面承載力主要包括混凝土的抗剪作用和箍筋的抗剪作用。箍筋的抗剪能力取決于梁中箍筋的配筋數(shù)量（配箍率）和箍筋的抗拉強(qiáng)度。

2 FRP 筋混凝土梁斜截面破壞形態(tài)

與普通鋼筋混凝土梁斜截面破壞形態(tài)類似，F(xiàn)RP筋混凝土梁斜截面破壞形態(tài)也有斜壓破壞、斜拉破壞和剪壓破壞3 種主要形態(tài)。 就承載力大小而言，斜拉破壞的最小，剪壓破壞的次之，斜壓破壞的最大。就破壞的性質(zhì)而言，斜拉破壞的脆性最大，剪壓破壞的延性最大，而斜壓破壞也較為突然，屬于脆性破壞。破壞形態(tài)的發(fā)生條件主要取決于剪跨比λ 的大小。 對(duì)于頂部只作用有集中荷載的梁來說，剪跨比λ 是指剪跨與截面有效高度的比值。

2.1 斜壓破壞

當(dāng)剪跨比λ 較小時(shí)，梁多發(fā)生斜壓破壞。 在這種破壞形態(tài)中，隨著外部荷載的增加，首先在靠近支座的梁腹部位出現(xiàn)幾條大致平行的斜裂縫， 它們將梁腹分割成幾條傾斜的受壓混凝土棱柱體。 伴隨著荷載的繼續(xù)增大，混凝土棱柱體被壓碎，從而宣告梁發(fā)生斜壓破壞，如圖1 所示。 相對(duì)于普通混凝土梁，F(xiàn)RP 筋混凝土梁中纖維的抗裂、阻裂及增強(qiáng)等作用一方面延緩了斜裂縫的出現(xiàn)， 使得梁的初裂承載力有所提高； 另一方面與斜裂縫相交的纖維阻止了斜裂縫的開展寬度和發(fā)展速度， 從而使發(fā)生斜壓破壞的FRP 筋混凝土梁的斜截面發(fā)生斜壓破壞的承載力有所提高。

圖1 斜壓破壞Fig.1 Damage of oblique pressure

2.2 斜拉破壞

當(dāng)剪跨比λ 較大時(shí)，梁多發(fā)生斜拉破壞。在這種破壞形態(tài)中，斜裂縫一旦出現(xiàn)，很快就擴(kuò)展成為臨界斜裂縫， 并由支座附近梁腹部開裂處迅速延伸到集中荷載作用處，梁截面被斜向拉開，如圖2所示。由于這種破壞非常突然，纖維的阻裂和增強(qiáng)作用不是特別明顯， 所以具有 “一裂即壞” 的特征。 發(fā)生斜拉破壞的根本原因是未開裂混凝土截面上的剪應(yīng)力迅速攀升， 并超過混凝土的抗拉強(qiáng)度。

圖2 斜拉破壞Fig.2 Damage of oblique tension

2.3 剪壓破壞

當(dāng)剪跨比λ 適當(dāng)?shù)那闆r下， 梁多發(fā)生剪壓破壞。 發(fā)生剪壓破壞時(shí)，首先是支座附近的梁腹部混凝土出現(xiàn)幾條細(xì)微的斜裂縫，隨著荷載的增大，其中一條斜裂縫生長(zhǎng)成為臨界斜裂縫 （如圖3 所示），但這條臨界裂縫并未將梁分成兩部分，隨著外荷載的繼續(xù)增加， 臨界斜裂縫的末端混凝土在剪應(yīng)力和壓應(yīng)力共同作用下被壓碎。 這種破壞過程比斜拉破壞緩慢， 斜截面承載力明顯高于斜裂縫的初裂荷載。 在混凝土中摻入纖維，不僅增加了預(yù)留斜截面上混凝土的強(qiáng)度， 還延緩了斜裂縫的開展。

圖3 剪壓破壞Fig.3 Damage of shearing strength

3 考慮剪跨比的FRP 筋混凝土梁斜截面承載力計(jì)算

3.1 梁斜截面承載力計(jì)算模式擬合分析

式中：Vc為集中荷載作用下FRP 筋混凝土梁的斜截面承載力，N；λ 為剪跨比；ρ 為配筋率，%；Ef和Ec分別為FRP 筋和鋼筋的彈性模量，GPa；fcu為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，N／mm2；b 為梁的腹板寬度，mm；h0為梁截面的有效高度，mm。

文獻(xiàn) fcu/（N/mm2） b/mm h0/mm λ=a/h0 ρ/% Ef/GPa Ec/GPa Vc/kN文獻(xiàn)[8] 43.4～60.0 150 150～350 1.41～2.33 1.13～2.26 40.8～134 27.88～32.79 57.8～468.2文獻(xiàn)[9] 50.3～85.6 300～310 257～891 1.07～2.06 1.47～2.13 37.9～42.3 29.9～39.17 96～622文獻(xiàn)[10-11] 43.3～81.3 200 230～260 1～2.02 0.77～1.84 51～62.2 27.86～33.8 113.3～237.4文獻(xiàn)[12] 41～64 200 260～360 1.11～2.02 0.77～1.16 51.3 27.11～33.87 83.8～255文獻(xiàn)[13] 40～50.2 200 260 2.1～3.7 1.21～2.42 60.8 26.77～29.99 84～289.8文獻(xiàn)[14] 50.8～81.6 100～170 270～416 0.5～0.75 1.16～1.75 40 30.16～38.25 30～300文獻(xiàn)[15] 16.3～41.9 130 196～200 2.3～3.0 0.3～0.91 51.5 17.07～27.39 12.7～39.4文獻(xiàn)[4] 46.7～58.7 200 260 1.11～2.02 0.77～1.16 61.3～62.2 28.93～35.09 113.3～218.4文獻(xiàn)[16] 37.5 150～200 213.5～215.5 1.5～4.5 0.33～0.79 48.1～147.9 25.92 16.6～85.1文獻(xiàn)[17] 61.3 152 202～305 2.5～3.3 0.31～1.52 50 33.13 17～31.6文獻(xiàn)[18] 43.1～110.4 250～300 291～731 1.5～3.5 0.18～1.43 46.5～145.1 27.8～44.48 43～155.8文獻(xiàn)[19] 43.1～55.9 250～300 305～774 2.4～2.5 0.4～0.91 46.5～146.5 27.8～31.64 61～155.7文獻(xiàn)[20] 44.9 300 15～170 5.65～7.0 0.8～4.0 48～53 28.36 29.3～51.5

3.2 擬合公式結(jié)果評(píng)價(jià)

為了分析擬合公式與試驗(yàn)結(jié)果的吻合程度，采用公式（1）計(jì)算FRP 筋混凝土梁斜截面的受剪承載力，并繪制其概率分布曲線，如圖5 所示。 由圖5 可知，擬合結(jié)果與試驗(yàn)值的比值服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布規(guī)律。 這說明擬合公式能夠與樣本庫(kù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，纖維的摻入能夠明顯改善集中荷載作用下FRP 筋混凝土梁斜截面的脆性破壞特征。FRP 筋混凝土梁斜截面破壞形態(tài)與剪跨比有密切關(guān)系。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到了考慮剪跨比、FRP 筋縱筋配筋率、彈性模量、混凝土強(qiáng)度、截面尺寸等因素的FRP 筋混凝土梁斜截面受剪承載力計(jì)算公式。