含脆性材料的混凝土抗剪能力分析

郝源

摘 要 本文主要研究FRP（纖維增強復合材料）筋混凝土梁在抗剪時如何協調，平衡和結合本構關系來真實反映實際受力狀態。采用基于裂縫分析理論來模擬含脆性材料的混凝土梁的剪切破壞。

關鍵詞 纖維增強復合材料;剪切破壞;分析理論

1塑性下限理論

目前有對鋼筋混凝土梁如何承受剪力的一些詳細闡述，但是梁的抗剪機理的描述還不足以預測梁的抗剪能力，剪力設計都是基于梁的平衡狀態的簡化模型：采用固定支撐角或變角桁架模型，受壓區理論和壓力路徑理論。各個模型假設了梁內的不同的平衡狀態。它們都不能反映真實的應力分布。盡管如此，這些理論都可用于鋼筋混凝土梁的設計，并滿足安全性要求，都是基于塑性下限理論的設計[1]。

2無腹筋梁的抗剪分析

FRP筋混凝土梁的分析必須基于實際的應力狀態，這種應力狀態必須滿足協調性和平衡性，這與材料的本構關系相聯系。因此深入了解剪力在梁內的傳遞機理是非常必要的。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，許多研究者做了無腹筋梁的試驗研究，得到了合理的結構內部荷載傳力機理，這對FRP梁的抗剪能力的檢驗有極大的幫助。

3剪力傳遞機理

梁作用描述了通過改變受壓區混凝土和受拉鋼筋的相互作用大小時剪力的傳遞機理，而且內力臂保持不變，荷載在兩者之間傳遞。在已開裂的混凝土中，荷載在受拉鋼筋和受壓區混凝土之間的傳遞是通過裂縫處混凝土的咬合作用，需要混凝土和鋼筋之間的黏結作用。混凝土破壞時的撓度是根據咬合模型得到的。

拱作用發生在未開裂混凝土梁的端部，荷載通過彎曲型壓力線向支座傳遞，受力狀態如拉桿拱。剪力通過拱的豎向應力作用傳給支座，受拉鋼筋與拱上橫向拉應力平衡。梁作用與拱作用可以發生在同一個區域。

4剪跨區的協調性

梁必須滿足協調性才能較好的符合咬合模型和剪壓模型。

4.1 裂縫擴展

混凝土內的裂縫增長決定剪跨區的協調性。裂縫決定拱作用或梁作用的機理，裂縫是剪切破壞的組成部分。裂縫擴展與梁內各個部分是協調作用的。

由兩個不同的剪切破壞模型可觀察受壓區混凝土的破壞方式。

（1）剪壓破壞。受壓區混凝土的完整性取決于混凝土的三向約束狀態。如果混凝土處于無約束狀態，則受壓區混凝土會膨脹和出現平行于梁頂纖維的微裂縫。這些微裂縫連通，導致受壓區混凝土的剪壓破壞，通常稱為壓潰。受壓區混凝土受約束的程度和應變大小取決于受壓區的三軸應力狀態。模擬三軸應力狀態很困難。由于剪切作用存在，受壓區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處混凝土所受的約束作用。

（2）斜拉破壞。受拉區混凝土出現裂縫后，裂縫繼續成對角擴展。如果不發生剪壓破壞，裂縫從支座處向荷載作用點擴展。貫穿受壓區混凝土和受拉鋼筋的裂縫處不能傳遞荷載作用。因此不可能出現梁作用模式。梁斜拉破壞時，會被撕裂成兩部分。

4.2 受拉鋼筋的延性

受壓區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作用。除了剪切裂縫，局部裂縫的開展是由于箍筋受剪和縱筋受拉導致的。裂縫處鋼筋的協調性是由無黏結鋼筋的延性和鋼筋和混凝土之間的黏結作用共同決定的。由于鋼筋的存在，滑移相對塑性變形來說是可以忽略的。

對于FRP筋，彈性變形和滑移是不可忽略的。對于已開展的裂縫，加強筋的拉應力取決于鋼筋和混凝土的黏結特性，加強筋自身剛度和非黏結長度。

4.3 鋼筋混凝土的黏結作用

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

4.4 鋼筋的無黏結長度

在脆性鋼筋混凝土中，裂縫兩表面的鋼筋無黏結長度是非常重要的。對于一個固定寬度的裂縫，無黏結長度的增加導致鋼筋應變的減小和荷載傳遞。裂縫必須進一步向梁的受壓區擴展，梁截面才能重新達到平衡。

4.5 銷栓-劈裂

在鋼筋混凝土梁中裂縫處的縱向鋼筋的銷栓作用是可忽略的。而對于FRP筋，它的橫向強度很低，對于很小的荷載都需要考慮銷栓作用。銷栓作用可使混凝土沿著受拉鋼筋開裂。突然導致混凝土無黏結長度突然增加。而無黏結長度的增加將使裂縫向受壓區擴展，最終導致梁的破壞。銷栓破壞是由于鋼筋在剪力和拉力共同作用下的破壞模式。鋼筋混凝土梁不發生銷栓破壞，由于FRP筋較低的彎曲強度使構件易發生此類破壞。

5含脆性材料的混凝土的抗剪設計

裂縫截面處的協調性由裂縫的水平和豎向投影長度和裂縫的開展角度反映。受拉鋼筋，剪切鋼筋和混凝土決定了裂縫的幾何尺寸。本構關系反映了無黏結筋的延性，將鋼筋從周圍混凝土和受壓區混凝土分離出來后，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。基于裂縫的分析決定了隨著裂縫開展滿足平衡方程的協調能力的變化。這種分析決定了荷載—變形的關系和裂縫截面的承載力。基于裂縫的分析可以更廣泛地用于研究多條，彎曲型裂縫，不過，必須經過做大量的試驗才能給出梁承載能力的定量的分析。對含脆性材料的混凝土，可用單個的直線剪切裂縫模型。采用碳纖維復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，發生脆性破壞。隨著裂縫的開展，第2肢箍筋失效，彎矩變形曲線出現峰值（較第一次小）。在受壓區混凝土破壞之前第3肢箍筋沒達到它的開裂強度。這些箍筋靠近裂縫端部，它對裂縫截面處彎矩分擔作用不大。

6結束語

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識。設計者必須意識到用塑性下限理論研究FRP脆性鋼筋混凝土是否能保證設計安全。對于鋼筋混凝土梁，我們可假設平衡狀態，如假設在抗剪分析中箍筋和混凝土的疊合作用，但對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力重分布不可能是大面積的，而且只有在平截面假定和簡化的材料本構關系的前提下，才可能有小范圍的應力重分布。

6.2 含脆性加強材料的混凝土抗剪設計的理想方法

含脆性加強材料的混凝土梁更切合實際的模型是以平衡條件，協調性和本構關系為基礎。基于裂縫模型比現行規范更適于分析，因為它考慮了協調作用。以前對FRP梁（如粘結和銷栓作用）的研究也可并入此分析模型。校準和修正裂縫分析模型在分析脆性加強筋混凝土梁起著非常重要的作用。

參考文獻

[1] 康明睿，薛偉辰.配FRP箍筋混凝土梁的抗剪性能研究進展[J].華北水利水電大學學報（自然科學版），2015，（02）：15-20.