FRP‐混凝土組合結構剪力連接件抗剪承載力的研究

(湖南理工職業技術學院)

0 前言

Frp即纖維增強復合材料(firber reinforced Plastic)是由基體材料（如環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等）和高性能纖維材料(如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等)經過壓制纏繞最后通過拉擠等工藝成型的一種質量輕高強度復合型材。纖維增強復合材料中的基體樹脂和增強纖維是非金屬材料，而且比強度較高、耐腐蝕性強、耐久性高。并可以有效降低周圍環境給建筑結構帶來的安全方面的隱患和經濟方面的損失0，所以現階段FRP材料在土木行業中的應用越來越多。

FRP與混凝土組合的結構是把FRP纖維增強復合材料與混凝土有效連接組合而成，充分利用纖維增強復合材料與混凝土等材料的特性，綜合了混凝土結構和鋼—混凝土組合結構等結構的優點，還有質量輕、耐腐蝕性、絕緣性較好等許多優點。而 FRP—混凝土組合結構能否有效工作的關鍵部位是連接件，因此深入研究剪力連接件性能，不斷提高 FRP—混凝土組合結構協同工作能力，是能否應用這種結構的關鍵問題。

1 FRP-混凝土結構剪力鍵計算式研究現狀

由于PBL剪力鍵受力較為復雜，影響其抗剪承載力的因素很多，目前尚無統一的計算公式。國內外相關研究人員提出多種不同的抗剪承載力的計算公式，本文列出了以下有代表性的計算公式。

早在1987年德國Leonhardt等人0最先開始研究PBL連接件，Leonhardt等人研究了鋼板上開孔孔徑大小和不同的混凝土強度對連接件的影響，試驗結果是混凝土開裂剪切破壞，但是試驗過程中沒有考慮鋼筋的影響因素。并首次提出在組合結構中PBL連接件的計算式：

式中d為開孔直徑，fc為混凝土抗壓強度。

1994年Eurocode（歐洲規范4）0通過大量試驗數據，并分別考慮了開孔連接件孔內是否有鋼筋兩種情況，提出了兩種不同的計算式：

1996年加拿大Oguejiofor,Hosain等人0共做了三組梁式實驗和四十二組推出實驗，分析了連接件上開孔直徑、開孔數量、開孔位置、混凝土強度等級和開孔內是否有鋼筋等因素的影響。并在研究中發現孔洞之間的中心距離至少是2.25D，D是開孔直徑。推出實驗試件結果是混凝土開裂導致發生劈裂破壞，由試驗結果提出計算式：

式中Ac是混凝土的面積，Aty是鋼筋的面積，Abs是受剪的混凝土榫面積。

2002年加拿大的Hosaka0的研究主要考慮開孔板內是否有鋼筋和混凝土強度等級對連接件抗剪承載力的影響，發現試件破壞過程中混凝土塊發生了縱向劈裂破壞的同時開孔板內貫穿的鋼筋已經屈服，通過大量的試驗數據擬合提出了連接件的承載力計算式：

式中ds是開孔連接件中穿過鋼筋的直徑、fy是鋼筋的屈服強度。

后來加拿大的Hosian等人進一步深入研究了剪力鍵的厚度、高度、和孔內貫穿鋼筋與橫向構造鋼筋對剪力鍵承載力的影響，并提出計算公式：

式中h是 PBL鍵鋼板高度和t是鋼板厚度，Ats是橫向普通鋼筋和孔內貫通鋼筋的總面積。

國外的研究開始比較早，近幾年國內在國外研究的基礎上做了大量的實驗和對比分析，在PBL剪力連接件的研究上取得了許多成果。

1999年福州大學的宗周紅、車惠民等人0首次研究了鋼纖維混凝土和普通混凝土等不同類型混凝土對剪力鍵性能的影響，還發現橫向鋼筋對抗剪性能有一定的影響，根據實驗結果并提出抗剪承載力的計算式：

式中 1a為混凝土類型的影響系數，鋼纖維混凝土取1.25，普通混凝土取1.0；2a為橫向鋼筋的位置影響系數，通常情況下取1.0，當與受剪相反方向的橫向鋼筋較多時：取1.5； 1b， 2b為回歸系數；分別取0.0029和0.75；Ac為混凝土縱向面積減去鋼板面積；Atr，fy為橫向鋼筋的總面積和屈服強度。

2007年湖南大學的胡建華等人0共做了59個（共20組）推出實驗，重點研究了混凝土的強度等級、連接件開孔直徑大小、貫穿鋼筋直徑數量強和古今對PBL鍵承載力的影響，大部分試件的破壞首先在混凝土塊外表面底部靠近連接件位置出現裂縫，并往上延伸，孔內的鋼筋雖屈服但并未斷裂，并提出單孔抗剪極限承載力計算式：

2007年西南交大的張清華等人0，模擬已完工程等比例的縮小試件模型試驗，對7組試件做了對比分析實驗，并對比了PBL連接件和栓釘剪力鍵抗剪承載力，并提出PBL連接件強度計算式：

當貫穿鋼筋延性破壞時：

當貫穿鋼筋脆性破壞時：

式中 1a和 2a分別表示混凝土類型的影響系數和橫向鋼筋影響系數，建議取1.0； 1b和 2b均為回歸系數； 1m和 2m分別表示破壞類型系數，發生延性破壞時，發生脆性破壞時，m1=1.6，m2=1.2；fu為鋼筋的極限抗拉強度。

2009年同濟大學的薛偉辰等人0共做21個推出實驗，研究了PBL連接件上開孔面積和孔內貫通鋼筋對抗剪的影響，實驗發現開孔PBL連接件開孔的直徑增大其承載力增大，混凝土強度等級提高其承載力也會提高，而連接件上貫通鋼筋的直徑的變化，對其承載力影響較小。根據試驗結果提出連接件承載力計算式：為單孔極限承載力；fy為鋼筋的抗拉強度設計值；ft是混凝土的軸心抗拉強度設計值。

2010年揚州大學許燕等人0通過四組每組三個試件做推出實驗，分析研究不開孔但不貫穿鋼筋的連接件，并通過有限元軟件ANSYS分析對比，根據分析結果提出其承載力計算公式：

構件系數，一般取1.0。

2010年華中科技大學黃翔、李力等人0根據實際工程中某大跨徑斜拉橋重點研究分析連接件上開孔面積大小和連接件上貫通鋼筋等因素的影響，并提出承載力計算式：

式中fst為貫通鋼筋的抗拉強度。

2015年本人通過5組共15個FRP-混凝土組合結構試件的推出試驗，通過分析T形不開孔試件、矩形開孔試件、T形開孔試件、T形貫穿8根鋼筋試件、T形貫穿4根鋼筋試件的破壞形態和破壞過程，首次提出GFRP-混凝土組合結構的連接件抗剪承載力計算公式：

式中： 1a——孔洞截面系數，圓孔建議取 1.66； 2a——連接件截面形式系數，矩形連接件建議取1.0，當為T形連接件建議取取1.1～1.5；Ac——單個孔洞面積；fcu——混凝土立方體抗壓強度；n——孔洞數目；Vu1——單孔抗剪承載力。

式中：st——GFRP開孔板剪切強度；t——連接件的厚度；

3 結語

本人主要對國內外專家學者通過試驗數據推導的計算式進行對比分析，發現對剪力鍵抗剪承載力的影響主要從開孔形狀、開孔數量、混凝土類型、連接件強度、貫穿鋼筋等影響因素去分析研究，這些公式還需要大量的試驗數據和有限元模擬數據驗證分析，此外國內外對FRP連接件的研究不多，多數是研究鋼-混凝土連接件，新的FRP-混凝土組合結構有更好力學性能和耐久性是值得研究的方向。

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