劉 暢

(安徽建筑大學土木工程學院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

鋼筋混凝土結構是目前使用最為廣泛的建筑結構,但是在混凝土結構在使用過程中,由于環(huán)境、年限、設計缺陷等一系列問題使得混凝土性能退化,具體表現(xiàn)為強度、剛度、延性以及承載能力的降低[1]?；炷两Y構的承載能力和使用壽命可以通過不同的加固方案而獲得大幅提升。纖維增強復合材料(FRP)由于其優(yōu)良的強度與重量之比低和耐腐蝕性能而在近幾年被大量應用為加固材料。依據(jù)不同的構成纖維和編制方式,FRP的強度可以達到鋼材的2到10倍,而其重量僅為鋼材的20%[1]。隨著近年來FRP材料的成本大幅降低,FRP被大量應用在建筑加固行業(yè)。

普通混凝土梁的破壞形式一般分為彎曲破壞和剪切破壞模式。其中剪切破壞為沒有明顯預兆的脆性破壞,因而更容易產生嚴重的破壞后果。因此,國內外學者開展了許多FRP加固鋼筋混凝土梁結構的抗剪性能試驗以評估其加固后的抗剪強度,但一直無法獲得統(tǒng)一的設計方法。因此,收集了204根無箍筋的FRP加固梁抗剪性能試驗數(shù)據(jù)。將試驗參數(shù)代入6個理論方程和國內外設計規(guī)范中。將試驗所測FRP筋混凝土抗剪強度與理論計算抗剪強度進行了對比,并評估了所用規(guī)范理論模型的可靠程度。

1 現(xiàn)行混凝土構件抗剪承載力計算公式

1.1 混凝土抗剪承載力計算公式

1.1.1 美國規(guī)范(ACI-318-19)

美國規(guī)范(ACI-218-19)[2]的混凝土抗剪承載力計算公式如下:

其中E f為FRP楊氏模量;E s為混凝土楊氏模量;ρf為鋼筋配筋率;f c'為混凝土抗壓強度;b為梁寬;d為 梁 深。 其中因子應滿足λs=,它是基于單向剪切下無剪力鋼筋的非預應力構件的試驗結果,符合斷裂力學理論。

1.1.2 歐洲規(guī)范(2004)

歐洲規(guī)范[3]的混凝土抗剪承載力計算公式如下:

其中h為梁的高度,兩個因子求解為

1.2 FRP筋混凝土抗剪承載力計算公式

1.2.1 ACI-440-15設計標準

計算可變界面的抗剪強度的ACI-440[4]是在對ACI-318進行修改的來的具體的方程如下:

1.2.2 加拿大標準CSA S6

《加拿大公路橋設計規(guī)范》(加拿大標準局/加拿大標準局S6[5])在鋼筋混凝土剪切設計中使用了與加拿大標準局A23.3-4(2004)相同的基本方程,但在計算梁中間高度的縱向應變時,通過引入一個系數(shù)來考慮FRP相對于鋼的較低彈性模量,對FRP進行了修改。為簡單起見,本文選擇了Ahmed H.對CSA S6-14的簡化方程[8],該方法基于修正的壓縮場論[9]。其中抗剪強度計算如下:

1.3 理論模型

1.3.1 K-模型

Kara[6]收集了來自15項研究的110個記錄的數(shù)據(jù)庫,使用(GEP)技術(K-模型)預測用無箍筋FRP筋混凝土梁的抗剪強度。

1.3.2 B-模型

B-模型[7]是基于修正壓縮場論[8]的簡化模型,其中計算混凝土剪切貢獻,使得:

2 FRP筋混凝土梁抗剪承載力理論值和試驗值的比較

基于對不同影響參數(shù)的分析和對可用數(shù)據(jù)庫的批判性審查,發(fā)現(xiàn)一些參數(shù)對抗剪強度的總體貢獻有影響。這些影響參數(shù)是(1)配筋率(ρf);(2)剪跨比()和(3)混凝土抗壓強度的抗拉強度(f'c);和(4)試件的配筋率在0.22%～3.98%之間;(5)混凝土抗壓強度在10～150MPa之間;(6)剪跨比介于1～6.5之間。

2.1 各參數(shù)對抗剪強度的影響

使用收集的數(shù)據(jù)庫分析了無箍筋的FRP加固梁的混凝土抗剪設計方程的性能,包括CSA-S6,Eurocode,ACI-318,ACI-440,K-模型,B-模型,并合理分析各方程的性能。其中ACI-318,CSA-S6,Eurocode屬于剪切設計方程,CSA-S6和B-模型是基于修正壓縮場提出的[9]。以下為各參數(shù)對抗剪強度的影響。

2.2 剪跨比對抗剪強度的影響

剪跨比(a/d)對抗剪能力有較大影響,根據(jù)剪跨比(a/d)的不同,可以把鋼筋混凝土梁分成兩類,一類為細長梁(a/d同2.5),另一類為短梁或深梁(a/d＜2.5),在細長梁中,梁的作用以及拱的作用對梁的強度和剛度的影響是很微弱的,但對于深梁來說,剪力主要由拱作用去抵消[10],所搭建的數(shù)據(jù)庫,剪跨比從1到6.5不等,圖1可以觀察出長試樣,剪跨比對梁抗剪無明顯的影響,反而當試樣較短,剪跨比越大,試驗值與理論值的比值就越小。如圖1所示,相比與其他方程CSA-S6,K-模型表現(xiàn)出較好的合理性,大部分的點均落在試驗值/理論值=1的直線上,相對而言ACI-318,ACI-440,Eurocode,B-模型則表現(xiàn)不佳。

圖1 剪跨比對抗剪強度的影響

表1 本文各符號代表含義

2.3 混凝土抗壓強度對抗剪強度的影響

此處分析了CSA-S6,Eurocode,ACI-318,ACI-440,K-模型,B-模型中混凝土抗壓強度對抗剪強度的影響,無抗剪鋼筋梁的剪切破壞發(fā)生在斜裂縫形成時[10],當混凝土的主拉應力超過混凝土的抗拉強度時,就會出現(xiàn)斜裂縫?；炷恋目估瓘姸冗h遠小于混凝土的抗壓強度,所以混凝土的抗拉強度被認為是混凝土抗壓強度的函數(shù)[11]。其中公式Eurocode,K-模型假定混凝土抗壓強度為混凝土抗拉強度的1/3次方。而ACI-440,CSA-S6,ACI-318,B-模型則假定混凝土抗壓強度為混凝土抗拉強度的1/2次方。由圖像2可以看出假定抗壓強度為抗拉強度的1/3次方要優(yōu)于抗壓強度為抗拉強度1/2次方。

2.4 配筋率對抗剪強度的影響

梁的抗剪強度隨著縱向配筋率的降低而降低[12]。這主要是因為:與高配筋率的構件相比,低配筋率導致形成更寬和更深的裂縫[13]。較寬的裂紋通過降低殘余拉應力和裂紋表面的骨料互鎖來降低界面剪切。另一方面,較深的裂縫減少了未開裂混凝土受壓區(qū)的深度,從而減少了未開裂混凝土對抗剪強度的貢獻。此外,傳力桿作用的貢獻隨著配筋率的減小而減小,這是由于裂紋形成更寬。圖5顯示了使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫時FRP鋼筋的軸向剛度對抗剪強度的影響。此圖中的縱軸代表試驗與計算抗剪理論值之比,橫軸代表FRP鋼筋的配筋率。從圖5中可以看出,所有的設計方法都提供了平均值大于1.0的保守預測。從圖5可以看出,Eurocode和K-模型的設計方法考慮了縱向桿軸向剛度的影響,在它們的方程中提高到的冪,比其他方法給出了更準確的預測,因為這所得的結果與試驗結果得到很好地匹配。

圖2 混凝土抗壓強度對抗剪強度的影響

圖3 配筋率對抗剪強度的影響

表2 數(shù)據(jù)庫

3 結 論

1)CSC S6設計方程對于FRP筋加固混凝土梁的抗剪能力提升相較于其他方程更準確、更明顯。該方法考慮了剪跨比、縱向鋼筋的軸向剛度,構件尺寸和混凝土強度的影響。

2)K型推薦的設計方程提供了合理但相當保守的結果。然而,與試驗值相比,ACI440設計方法明顯低估了抗剪強度。

3)Eurocode方法提供了非常保守的預測,因為對于整體,a/d≥2.5,a/d＜2.5的三種方法,試驗結果相對于預測結果的平均值分別為2.129,2.149和2.032。

4)K型推薦的設計方程;提供了合理但相當保守的結果。然而,與試驗值相比,ACI318,ACI 440設計方法明顯低估了混凝土梁的抗剪強度。

5)對于混凝土抗壓強度對FRP筋加固混凝土的影響中,假定抗壓強度為抗拉強度的1/3次方要優(yōu)于抗壓強度為抗拉強度1/2次方。

6)對于配筋率對混凝土抗剪強度的影響中,考慮了縱向桿軸向剛度的影響的方程中提高到的冪,比其他方法給出了更準確的預測。