郝源

摘 要 本文主要研究FRP（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）筋混凝土梁在抗剪時(shí)如何協(xié)調(diào)，平衡和結(jié)合本構(gòu)關(guān)系來(lái)真實(shí)反映實(shí)際受力狀態(tài)。采用基于裂縫分析理論來(lái)模擬含脆性材料的混凝土梁的剪切破壞。

關(guān)鍵詞 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;剪切破壞;分析理論

1塑性下限理論

目前有對(duì)鋼筋混凝土梁如何承受剪力的一些詳細(xì)闡述，但是梁的抗剪機(jī)理的描述還不足以預(yù)測(cè)梁的抗剪能力，剪力設(shè)計(jì)都是基于梁的平衡狀態(tài)的簡(jiǎn)化模型：采用固定支撐角或變角桁架模型，受壓區(qū)理論和壓力路徑理論。各個(gè)模型假設(shè)了梁內(nèi)的不同的平衡狀態(tài)。它們都不能反映真實(shí)的應(yīng)力分布。盡管如此，這些理論都可用于鋼筋混凝土梁的設(shè)計(jì)，并滿足安全性要求，都是基于塑性下限理論的設(shè)計(jì)[1]。

2無(wú)腹筋梁的抗剪分析

FRP筋混凝土梁的分析必須基于實(shí)際的應(yīng)力狀態(tài)，這種應(yīng)力狀態(tài)必須滿足協(xié)調(diào)性和平衡性，這與材料的本構(gòu)關(guān)系相聯(lián)系。因此深入了解剪力在梁內(nèi)的傳遞機(jī)理是非常必要的。不含抗剪筋的鋼筋混凝土梁通常都是脆性破壞，如FRP筋混凝土梁，就不能用塑性下限理論，許多研究者做了無(wú)腹筋梁的試驗(yàn)研究，得到了合理的結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載傳力機(jī)理，這對(duì)FRP梁的抗剪能力的檢驗(yàn)有極大的幫助。

3剪力傳遞機(jī)理

梁作用描述了通過(guò)改變受壓區(qū)混凝土和受拉鋼筋的相互作用大小時(shí)剪力的傳遞機(jī)理，而且內(nèi)力臂保持不變，荷載在兩者之間傳遞。在已開(kāi)裂的混凝土中，荷載在受拉鋼筋和受壓區(qū)混凝土之間的傳遞是通過(guò)裂縫處混凝土的咬合作用，需要混凝土和鋼筋之間的黏結(jié)作用?；炷疗茐臅r(shí)的撓度是根據(jù)咬合模型得到的。

拱作用發(fā)生在未開(kāi)裂混凝土梁的端部，荷載通過(guò)彎曲型壓力線向支座傳遞，受力狀態(tài)如拉桿拱。剪力通過(guò)拱的豎向應(yīng)力作用傳給支座，受拉鋼筋與拱上橫向拉應(yīng)力平衡。梁作用與拱作用可以發(fā)生在同一個(gè)區(qū)域。

4剪跨區(qū)的協(xié)調(diào)性

梁必須滿足協(xié)調(diào)性才能較好的符合咬合模型和剪壓模型。

4.1 裂縫擴(kuò)展

混凝土內(nèi)的裂縫增長(zhǎng)決定剪跨區(qū)的協(xié)調(diào)性。裂縫決定拱作用或梁作用的機(jī)理，裂縫是剪切破壞的組成部分。裂縫擴(kuò)展與梁內(nèi)各個(gè)部分是協(xié)調(diào)作用的。

由兩個(gè)不同的剪切破壞模型可觀察受壓區(qū)混凝土的破壞方式。

（1）剪壓破壞。受壓區(qū)混凝土的完整性取決于混凝土的三向約束狀態(tài)。如果混凝土處于無(wú)約束狀態(tài)，則受壓區(qū)混凝土?xí)蛎浐统霈F(xiàn)平行于梁頂纖維的微裂縫。這些微裂縫連通，導(dǎo)致受壓區(qū)混凝土的剪壓破壞，通常稱(chēng)為壓潰。受壓區(qū)混凝土受約束的程度和應(yīng)變大小取決于受壓區(qū)的三軸應(yīng)力狀態(tài)。模擬三軸應(yīng)力狀態(tài)很困難。由于剪切作用存在，受壓區(qū)混凝土受到的約束作用減小，但抗剪鋼筋的存在可以增加荷載作用點(diǎn)處混凝土所受的約束作用。

（2）斜拉破壞。受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫后，裂縫繼續(xù)成對(duì)角擴(kuò)展。如果不發(fā)生剪壓破壞，裂縫從支座處向荷載作用點(diǎn)擴(kuò)展。貫穿受壓區(qū)混凝土和受拉鋼筋的裂縫處不能傳遞荷載作用。因此不可能出現(xiàn)梁作用模式。梁斜拉破壞時(shí)，會(huì)被撕裂成兩部分。

4.2 受拉鋼筋的延性

受壓區(qū)混凝土的破壞很少是單純的剪壞。通常要考慮裂縫處受拉鋼筋和受壓混凝土的黏結(jié)作用。除了剪切裂縫，局部裂縫的開(kāi)展是由于箍筋受剪和縱筋受拉導(dǎo)致的。裂縫處鋼筋的協(xié)調(diào)性是由無(wú)黏結(jié)鋼筋的延性和鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)作用共同決定的。由于鋼筋的存在，滑移相對(duì)塑性變形來(lái)說(shuō)是可以忽略的。

對(duì)于FRP筋，彈性變形和滑移是不可忽略的。對(duì)于已開(kāi)展的裂縫，加強(qiáng)筋的拉應(yīng)力取決于鋼筋和混凝土的黏結(jié)特性，加強(qiáng)筋自身剛度和非黏結(jié)長(zhǎng)度。

4.3 鋼筋混凝土的黏結(jié)作用

對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)作用是控制剪切破壞的決定性因素。如果黏結(jié)作用很小，混凝土將會(huì)從梁中心剝落。這樣依賴(lài)于鋼筋與混凝土界面相互作用的梁作用模式就失效。

4.4 鋼筋的無(wú)黏結(jié)長(zhǎng)度

在脆性鋼筋混凝土中，裂縫兩表面的鋼筋無(wú)黏結(jié)長(zhǎng)度是非常重要的。對(duì)于一個(gè)固定寬度的裂縫，無(wú)黏結(jié)長(zhǎng)度的增加導(dǎo)致鋼筋應(yīng)變的減小和荷載傳遞。裂縫必須進(jìn)一步向梁的受壓區(qū)擴(kuò)展，梁截面才能重新達(dá)到平衡。

4.5 銷(xiāo)栓-劈裂

在鋼筋混凝土梁中裂縫處的縱向鋼筋的銷(xiāo)栓作用是可忽略的。而對(duì)于FRP筋，它的橫向強(qiáng)度很低，對(duì)于很小的荷載都需要考慮銷(xiāo)栓作用。銷(xiāo)栓作用可使混凝土沿著受拉鋼筋開(kāi)裂。突然導(dǎo)致混凝土無(wú)黏結(jié)長(zhǎng)度突然增加。而無(wú)黏結(jié)長(zhǎng)度的增加將使裂縫向受壓區(qū)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致梁的破壞。銷(xiāo)栓破壞是由于鋼筋在剪力和拉力共同作用下的破壞模式。鋼筋混凝土梁不發(fā)生銷(xiāo)栓破壞，由于FRP筋較低的彎曲強(qiáng)度使構(gòu)件易發(fā)生此類(lèi)破壞。

5含脆性材料的混凝土的抗剪設(shè)計(jì)

裂縫截面處的協(xié)調(diào)性由裂縫的水平和豎向投影長(zhǎng)度和裂縫的開(kāi)展角度反映。受拉鋼筋，剪切鋼筋和混凝土決定了裂縫的幾何尺寸。本構(gòu)關(guān)系反映了無(wú)黏結(jié)筋的延性，將鋼筋從周?chē)炷梁褪軌簠^(qū)混凝土分離出來(lái)后，在裂縫截面處建立平衡方程。裂縫截面必須與外加荷載平衡?；诹芽p的分析決定了隨著裂縫開(kāi)展?jié)M足平衡方程的協(xié)調(diào)能力的變化。這種分析決定了荷載—變形的關(guān)系和裂縫截面的承載力?；诹芽p的分析可以更廣泛地用于研究多條，彎曲型裂縫，不過(guò)，必須經(jīng)過(guò)做大量的試驗(yàn)才能給出梁承載能力的定量的分析。對(duì)含脆性材料的混凝土，可用單個(gè)的直線剪切裂縫模型。采用碳纖維復(fù)合材料作為受拉鋼筋和箍筋，裂縫處配有3肢箍筋。抗剪鋼筋增加了梁的抗剪能力。然而，在裂縫底部箍筋斷裂，發(fā)生脆性破壞。隨著裂縫的開(kāi)展，第2肢箍筋失效，彎矩變形曲線出現(xiàn)峰值（較第一次?。?。在受壓區(qū)混凝土破壞之前第3肢箍筋沒(méi)達(dá)到它的開(kāi)裂強(qiáng)度。這些箍筋靠近裂縫端部，它對(duì)裂縫截面處彎矩分擔(dān)作用不大。

6結(jié)束語(yǔ)

6.1 塑性下限理論適用范圍

塑性下限理論的重要性很少得到認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)者必須意識(shí)到用塑性下限理論研究FRP脆性鋼筋混凝土是否能保證設(shè)計(jì)安全。對(duì)于鋼筋混凝土梁，我們可假設(shè)平衡狀態(tài)，如假設(shè)在抗剪分析中箍筋和混凝土的疊合作用，但對(duì)于含脆性材料的混凝土，這種疊加原理偏于不安全。桁架理論中所提到的應(yīng)力重分布不可能是大面積的，而且只有在平截面假定和簡(jiǎn)化的材料本構(gòu)關(guān)系的前提下，才可能有小范圍的應(yīng)力重分布。

6.2 含脆性加強(qiáng)材料的混凝土抗剪設(shè)計(jì)的理想方法

含脆性加強(qiáng)材料的混凝土梁更切合實(shí)際的模型是以平衡條件，協(xié)調(diào)性和本構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ)?；诹芽p模型比現(xiàn)行規(guī)范更適于分析，因?yàn)樗紤]了協(xié)調(diào)作用。以前對(duì)FRP梁（如粘結(jié)和銷(xiāo)栓作用）的研究也可并入此分析模型。校準(zhǔn)和修正裂縫分析模型在分析脆性加強(qiáng)筋混凝土梁起著非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 康明睿，薛偉辰.配FRP箍筋混凝土梁的抗剪性能研究進(jìn)展[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，（02）：15-20.