FRP钢骨混凝土梁抗剪性能

周 乐，王晓初，刘晓星

（沈阳大学a.建筑工程学院；b.辽宁省环境岩土工程重点实验室，辽宁沈阳 110044）

FRP钢骨混凝土梁抗剪性能

周 乐a，b，王晓初a，b，刘晓星a

（沈阳大学a.建筑工程学院；b.辽宁省环境岩土工程重点实验室，辽宁沈阳 110044）

对FRP布加固钢骨混凝土梁斜截面受力特点进行研究，在对已有FRP抗剪加固的相关文献分析的基础上，提出了修正的FRP钢骨混凝土梁的斜截面抗剪承载力计算公式，并通过实验数据验证其正确性.关 键 词：受力特点；抗剪加固；承载力

FRP由于其良好的力学性能，在混凝土结构加固补强工程中得到了广泛的应用［1］.FRP加固钢筋混凝土结构主要用于抗弯加固和抗剪加固，但用于加固钢骨混凝土抗剪的应用较少，为此本文研究钢骨混凝土构件的抗剪加固.

1 抗剪加固FRP粘贴方法

FRP布加固混凝土结构的技术已成为土木工程界广为接受的一种加固方法［2-3］，大多都是抗弯加固，而抗剪加固方面的研究不多，加固的有效性问题还有待进一步研究.但随着近年来国内外抗弯加固的成功，抗剪加固问题越来越突出，因为混凝土梁的抗弯破坏迟于抗剪破坏时，就不能保证梁为延性破坏.不同的粘贴方式，加固效果不一样，不同的粘贴位置，加固效果也不一样，本文提出了相应的计算公式.在建筑结构加固中，FRP常用的抗剪加固粘贴方式主要有以下三种：

1.1 侧面粘贴

即将FRP布仅粘贴在梁的侧面.由于FRP是一种单向受力材料，因此FRP纤维方向与斜裂缝的角度越大，加固效果越好.另外，在反复载荷作用下，剪力方向可能会发生变化，粘贴FRP布能约束两个方向的斜裂缝的开展.在结构加固中，常用的粘贴方式有竖向粘贴（图1a，FRP纤维方向和梁底面的夹角α＝90°）、斜向粘贴（图1b， FRP纤维方向和梁底面的夹角α＜90°）、双向斜向粘贴（图1c，FRP纤维方向和梁底面的有2个小于90°夹角）.

图1 不同侧面的FRP粘贴方式Fig.1 Pasted way of FRP in different aspects

粘贴FRP布的施工工艺按《碳纤维材料加固混凝土结构技术规程》标准.

1.2 U型粘贴

即将FRP布粘贴在梁的侧面和底面，截面形成U字形，见图2.这种粘贴方式与侧面粘贴方式进行对比，其优势是受力后能够很好地延缓FRP布剥离，并且当梁要在底面粘贴FRP布进行抗弯加固时，这种粘贴方式还有利于提高抗弯承载力.但是，这种加固方式的缺点是纤维的粘贴方向与梁底面的方向只能垂直，其纤维的粘贴方向受到限制，没有梁的侧面粘贴方式灵活.另外在施工工艺上，U形粘贴必须将梁拐角打磨圆滑，不能有尖角，受力时能避免拐角处出现应力集中现象.

图2 U型粘贴Fig.2 U-type paste

1.3 封闭包裹粘贴

即用FRP布缠绕在构件外侧并封闭包裹粘贴起来，见图3.这种加固方式在梁的抗剪加固中很少使用，因为结构中大部分梁的上部是楼板，要实现封闭包裹粘贴必然破坏楼板.在柱子受剪加固中就不存在这种情况，但同样为避免出现应力集中现象，在拐角处也需打磨出光滑的拐角.

图3 封闭包裹粘贴Fig.3 Closed paste

2 抗剪加固的两种基本破坏模式

FRP布加固梁斜截面有两种基本破坏模式［3］：

（1）FRP拉断破坏，是指构件因纤维达到其拉伸极限后断裂所引起的破坏.实际工程加固中，大部分采用封闭粘贴进行斜截面加固的构件，其破坏模式是FRP拉断破坏，还有极少U型粘贴进行斜截面加固的构件，其破坏也是FRP拉断破坏.其受力过程为：加载初期，FRP布中纤维参与工作的程度特别低，其纤维应变变化很慢，直到出现第一道斜裂缝.随后，与裂缝开展方向相交的纤维应变变化速度明显增快，其纤维的抗拉作用也比较明显，很大程度上控制了裂缝的发展.同时，由于裂缝处应力集中导致裂缝周围的纤维布开始出现局部剥离现象，随着载荷继续增加，纤维局部剥离的区域扩大，直到延伸致整个粘贴面纤维应变也随之迅速增加，这时构件已经有明显裂缝.因为有纤维封闭的约束作用，梁侧粘贴的FRP布虽然剥离了，但被加固的构件仍能继续受力，最终由于纤维达到极限抗拉强度导致纤维拉断，即FRP布失去加固效果.

（2）FRP剥离破坏，是指粘贴的纤维还未达到极限抗拉强度之前，因为外力的作用效果，引起FRP布与构件之间的粘结出现问题，导致粘贴的纤维脱离构件而失去加固效果，最终构件破坏.试验表明，绝大部分梁侧粘贴和一部分U型粘贴加固的构件破坏是由于纤维与构件之间失去粘结能力引起的，即剥离破坏.

3 FRP抗剪承载力计算公式

FRP的抗剪作用机理与箍筋抗剪的作用机理特别类似［4-5］，为简化计算，计算模型可以将混凝土、钢骨、箍筋和FRP四者承担的抗剪承载力直接叠加，即：

式中，Vu为抗剪极限抗剪承载力；Vc为混凝土抗剪承载力；Vs为箍筋抗剪承载力；Vss为钢骨抗剪承载力；Vf为FRP抗剪承载力.

3.1 计算基本假定

为了简化计算基本假定为：①梁截面符合平截面假定；②混凝土本构关系采用Hognestad模型，FRP采用线弹性本构关系；③不考虑混凝土与钢骨、混凝土与FRP布之间的滑移效应；④不考虑受压钢筋作用和受拉混凝土的抗拉作用.

3.2 修正后的计算模型

根据中国工程建设标准化协会制定的《碳纤维材料加固混凝土结构技术规程》（ECS 146—2003）规定FRP在加固中贡献的抗剪承载力为：

我国的《碳纤维材料加固混凝土结构技术规程》明确指出加固的是钢筋混凝土，而本文研究的是加固钢骨混凝土，因为公式不能直接使用，与此相比，前者没考虑到有钢骨抗剪作用，而本文有钢骨加入抗剪作用，因此需对碳纤维材料承担的剪力进行修正，引入影响系数K，（εcu＋εsu）＝K2εcfu，移项得：

并考虑纤维的分项系数μ，加拿大（ISIS）规范中认为碳纤维应计算材料分项系数，应取0.7～0.78；在考虑到影响系数和材料分项系数的情况下，FRP在加固中贡献的抗剪承载力为

式中，Vf为碳纤维材料承担的剪力；εcfv为达到受剪承载能力极限状态时碳纤维材料的应变，计算公式与剪跨比有关，公式：εcfv＝2（0.2＋0.12λ）εcfu／3，εcfu为碳纤维材料的极限拉应变；φ为碳纤维材料受剪加固形式系数，对封闭粘贴取1.0，对U形粘贴取0.85，对侧面粘贴取0.70；λ为梁受剪计算截面的剪跨比，对于集中载荷作用情况取a／h0，当λ大于3.0时，取3.0，当λ小于1.5时，取1.5，a为集中载荷作用点到支座边缘的距离；对于均布载荷作用情况，取3.0；ncf为碳纤维材料的粘贴层数；hcf为侧面粘贴碳纤维材料的高度；scf为纤维材料条带的净间距；tcf为单层碳纤维材料的厚度；wcf为碳纤维材料条带的宽度.

4 计算值与试验值对比分析

碳纤维布加固梁的承载力计算采用叠加的方法，为了便于分析，这里仅将碳纤维所能承担的抗剪力通过修正的公式（4）进行计算.为了验证计算公式的正确性，将其计算值和试验值进行对比，其相关曲线见图4所示.

图4 试验值与计算值对比图Fig.4 Experimental and calculated values comparison chart

在图4中，曲线为计算值连成的曲线，四边形散点为试验值，从图中可以看出计算结果与试验值吻合得比较好.U型粘贴时，Vexp／Vcal（即抗剪承载力的试验值与计算值之比）平均值为1.04，偏于安全.全封闭□型粘贴时，Vexp／Vcal平均值为1.06，偏于安全.可以认为全封闭□型粘贴比U型粘贴可靠度更高.总的Vexp／Vcal平均值为1.05，说明计算值的平均值小于试验值的平均值，即说明修正计算公式是偏安全的，并证明了本文的修正公式是合理可靠的，其一般性仍需大量试验进行验证.

5 结 论

（1）分析已有计算模型，在此基础上提出了一个修正的FRP抗剪承载力计算公式.

（2）通过试验数据验证了计算公式，证实了修正后的公式是切实可行的.

（3）本文通过试验分析与理论分析相结合的方法，不仅为实际工程提供理论基础，并为后续深入研究做了铺垫.

［1］薛建阳.钢与混凝土组合结构［M］.武汉：华中科技大学出版社，2007：105-120.

［2］江见鲸，李杰，金伟良.高等混凝土结构理论［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007：89-180.

［3］曹双寅，潘建伍，邱洪兴.外贴纤维加固梁抗剪承载力计算方法分析［J］.东南大学学报：自然科学版，2002（5）：766-770.

［4］Chen J F，Teng J G.Shear capacity of fiber-reinforced polymer strengthened reinforced concrete beams：fiber reinforced polymer rupture［J］.Journal of Structural Engineering，2003（5）：615-625.

［5］周乐，刘晓星.FRP约束钢骨高强混凝土短柱抗剪承载力计算［J］.防灾减灾工程学报，2010（S1）：352-355.

Shear Performance of FRP Steel Reinforced Concrete Beam

ZHOU Lea，b，WHANG Xiaochua，b，LIU Xiaoxinga

（a.Architectural and Civil Engineering College；b.Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering of Liaoning Province，Shenyang University，Shenyang 110044，China）

The force characteristics of of the FRP plates SRC beam are studied.Research was done on the basis of the analysis of the literature on existing FRP shear reinforcement.Amended FRP reinforced concrete beams inclined shear strength formula is put forward，the correctness of it was verified by experimental data.

force characteristics；shear reinforcement；capacity

TU 973＋2

A

1008-9225（2012）03-0067-03

2011-12-15

辽宁省教育厅基金资助项目（Ld010381）；国家支撑计划（2011BAJ06B04）；国家住房与城乡建设部基金资助项目（2010-K2-41）；辽宁省博士启动基金资助项目（20111018）.

周 乐（1978-），女，辽宁沈阳人，沈阳大学副教授，博士；王晓初（1967-），男，山东诸城人，沈阳大学教授，博士.

祝 颖】