FRP 筋混凝土梁斜截面破坏机理探讨

侯黎黎，杨明伟，梁帅涛，王晓晴

（1 黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2 开封市黄河土木工程实验中心，河南 开封 475004）

0 引言

与钢筋相比，纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer／Fiber Reinforced Plastic，简称FRP）筋具有轻质量、高强度、不生锈、耐腐蚀等诸多优点［1］。 用FRP 筋替代钢筋用于混凝土梁中，能够彻底解决钢筋混凝土梁因钢筋锈蚀而引起的耐久性病害和承载力不足的问题。相关研究成果表明［2－7］，FRP 筋混凝土梁在集中荷载作用下的破坏属于没有明显预兆的脆性破坏； 在混凝土中掺入纤维能够起到明显的增强、阻裂、增韧作用；在混凝土梁中掺入FRP 能够显著改善其斜截面脆性破坏特征；FRP 筋混凝土梁的斜截面延性差、破坏呈明显脆性。 为了揭示FRP 筋纤维混凝土梁的斜截面受力性能，笔者分析了集中荷载作用下的FRP 筋混凝土梁斜截面的破坏机理和破坏形态， 并基于数据的统计拟合， 研究了FRP 筋纤维混凝土梁斜截面承载力的计算方法， 以期对FRP 筋纤维混凝土梁的设计提供参考。

1 受剪破坏机理

FRP 筋混凝土梁由混凝土和FRP 筋两种材料组成， 其斜截面受剪承载力也主要来自混凝土和FRP 筋。 FRP 筋混凝土梁斜截面的极限受剪承载力与混凝土的抗剪能力、 混凝土开裂区的残余抗剪能力、斜裂缝处纤维的作用、纵向FRP 筋的销栓作用、箍筋的作用有关。

1.1 剪跨区混凝土的抗剪作用

剪跨区混凝土的抗剪作用主要体现在混凝土的拱效应、未开裂混凝土的作用两个方面。在四点对称加载情况下，随着荷载的增加，与加载点对应的梁段混凝土能够发挥出“拱效应”，该效应有效抵抗着不断增大的外部荷载。当外部荷载增加到一定程度时，剪跨区（集中荷载加载点和对应支座之间的梁段）出现斜向裂缝，并逐步发展。 此时，未开裂的混凝土能够承担绝大部分外部荷载。

1.2 斜裂缝处的残余抗剪能力

梁的斜截面开裂后，混凝土尚存残余承载能力。斜裂缝出现之后，一方面，斜裂缝处的粗骨料彼此咬合，提高了斜截面的抗剪能力；另一方面，斜裂缝处细骨料之间的摩擦力适应着外荷载的变化。 粗骨料咬合作用的大小取决于斜裂缝处粗骨料的数量、粗骨料的最大粒径以及粗骨料的分布情况等［3］。 而斜裂缝面与面之间的摩擦力的大小与其糙率、 外部荷载的大小密切相关。

1.3 斜裂缝处纤维的作用

在混凝土中掺入纤维，能够起到增强、阻裂、增韧的作用［1］。 乱向分布的纤维对混凝土结构起着“微钢筋”效应。 斜裂缝出现后，与斜裂缝相交的纤维的“桥架”作用一方面延缓了混凝土内部微裂缝出现的时间， 另一方面起着阻止并限制斜裂缝进一步展开的作用，从而起到增强斜截面抗剪能力的作用。

1.4 纵向FRP 筋的销栓作用

纵向FRP 筋的销栓作用是FRP 筋梁斜截面抗剪承载力的重要组成部分，FRP 筋销栓作用的大小取决于FRP 筋的剪切刚度、配筋率。 现有研究成果表明， 梁中纵筋的销栓作用随着一定范围内配筋数量的增加而提高［4－5］。

1.5 箍筋的抗剪作用

对于配置箍筋的FRP 筋混凝土梁来说，斜截面承载力主要包括混凝土的抗剪作用和箍筋的抗剪作用。箍筋的抗剪能力取决于梁中箍筋的配筋数量（配箍率）和箍筋的抗拉强度。

2 FRP 筋混凝土梁斜截面破坏形态

与普通钢筋混凝土梁斜截面破坏形态类似，FRP筋混凝土梁斜截面破坏形态也有斜压破坏、斜拉破坏和剪压破坏3 种主要形态。 就承载力大小而言，斜拉破坏的最小，剪压破坏的次之，斜压破坏的最大。就破坏的性质而言，斜拉破坏的脆性最大，剪压破坏的延性最大，而斜压破坏也较为突然，属于脆性破坏。破坏形态的发生条件主要取决于剪跨比λ 的大小。 对于顶部只作用有集中荷载的梁来说，剪跨比λ 是指剪跨与截面有效高度的比值。

2.1 斜压破坏

当剪跨比λ 较小时，梁多发生斜压破坏。 在这种破坏形态中，随着外部荷载的增加，首先在靠近支座的梁腹部位出现几条大致平行的斜裂缝， 它们将梁腹分割成几条倾斜的受压混凝土棱柱体。 伴随着荷载的继续增大，混凝土棱柱体被压碎，从而宣告梁发生斜压破坏，如图1 所示。 相对于普通混凝土梁，FRP 筋混凝土梁中纤维的抗裂、阻裂及增强等作用一方面延缓了斜裂缝的出现， 使得梁的初裂承载力有所提高； 另一方面与斜裂缝相交的纤维阻止了斜裂缝的开展宽度和发展速度， 从而使发生斜压破坏的FRP 筋混凝土梁的斜截面发生斜压破坏的承载力有所提高。

图1 斜压破坏Fig.1 Damage of oblique pressure

2.2 斜拉破坏

当剪跨比λ 较大时，梁多发生斜拉破坏。在这种破坏形态中，斜裂缝一旦出现，很快就扩展成为临界斜裂缝， 并由支座附近梁腹部开裂处迅速延伸到集中荷载作用处，梁截面被斜向拉开，如图2所示。由于这种破坏非常突然，纤维的阻裂和增强作用不是特别明显， 所以具有 “一裂即坏” 的特征。 发生斜拉破坏的根本原因是未开裂混凝土截面上的剪应力迅速攀升， 并超过混凝土的抗拉强度。

图2 斜拉破坏Fig.2 Damage of oblique tension

2.3 剪压破坏

当剪跨比λ 适当的情况下， 梁多发生剪压破坏。 发生剪压破坏时，首先是支座附近的梁腹部混凝土出现几条细微的斜裂缝，随着荷载的增大，其中一条斜裂缝生长成为临界斜裂缝 （如图3 所示），但这条临界裂缝并未将梁分成两部分，随着外荷载的继续增加， 临界斜裂缝的末端混凝土在剪应力和压应力共同作用下被压碎。 这种破坏过程比斜拉破坏缓慢， 斜截面承载力明显高于斜裂缝的初裂荷载。 在混凝土中掺入纤维，不仅增加了预留斜截面上混凝土的强度， 还延缓了斜裂缝的开展。

图3 剪压破坏Fig.3 Damage of shearing strength

3 考虑剪跨比的FRP 筋混凝土梁斜截面承载力计算

3.1 梁斜截面承载力计算模式拟合分析

式中：Vc为集中荷载作用下FRP 筋混凝土梁的斜截面承载力，N；λ 为剪跨比；ρ 为配筋率，%；Ef和Ec分别为FRP 筋和钢筋的弹性模量，GPa；fcu为混凝土的立方体抗压强度，N／mm2；b 为梁的腹板宽度，mm；h0为梁截面的有效高度，mm。

文献 fcu/（N/mm2） b/mm h0/mm λ=a/h0 ρ/% Ef/GPa Ec/GPa Vc/kN文献[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文献[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文献[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文献[12] 41～64 200 260～360 1.11～2.02 0.77～1.16 51.3 27.11～33.87 83.8～255文献[13] 40～50.2 200 260 2.1～3.7 1.21～2.42 60.8 26.77～29.99 84～289.8文献[14] 50.8～81.6 100～170 270～416 0.5～0.75 1.16～1.75 40 30.16～38.25 30～300文献[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文献[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文献[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文献[17] 61.3 152 202～305 2.5～3.3 0.31～1.52 50 33.13 17～31.6文献[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文献[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文献[20] 44.9 300 15～170 5.65～7.0 0.8～4.0 48～53 28.36 29.3～51.5

3.2 拟合公式结果评价

为了分析拟合公式与试验结果的吻合程度，采用公式（1）计算FRP 筋混凝土梁斜截面的受剪承载力，并绘制其概率分布曲线，如图5 所示。 由图5 可知，拟合结果与试验值的比值服从对数正态分布规律。 这说明拟合公式能够与样本库的试验数据较好地吻合。

4 结语

综上所述，纤维的掺入能够明显改善集中荷载作用下FRP 筋混凝土梁斜截面的脆性破坏特征。FRP 筋混凝土梁斜截面破坏形态与剪跨比有密切关系。通过对试验数据进行拟合分析，得到了考虑剪跨比、FRP 筋纵筋配筋率、弹性模量、混凝土强度、截面尺寸等因素的FRP 筋混凝土梁斜截面受剪承载力计算公式。