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（纤维增强复合材料）筋混凝土梁在抗剪时如何协调，平衡和结合本构关系来真实反映实际受力状态。采用基于裂缝分析理论来模拟含脆性材料的混凝土梁的剪切破坏。

关键词 纤维增强复合材料;剪切破坏;分析理论

1塑性下限理论

目前有对钢筋混凝土梁如何承受剪力的一些详细阐述，但是梁的抗剪机理的描述还不足以预测梁的抗剪能力，剪力设计都是基于梁的平衡状态的简化模型：采用固定支撑角或变角桁架模型，受压区理论和压力路径理论。各个模型假设了梁内的不同的平衡状态。它们都不能反映真实的应力分布。尽管如此，这些理论都可用于钢筋混凝土梁的设计，并满足安全性要求，都是基于塑性下限理论的设计[1]。

2无腹筋梁的抗剪分析

FRP筋混凝土梁的分析必须基于实际的应力状态，这种应力状态必须满足协调性和平衡性，这与材料的本构关系相联系。因此深入了解剪力在梁内的传递机理是非常必要的。不含抗剪筋的钢筋混凝土梁通常都是脆性破坏，如FRP筋混凝土梁，就不能用塑性下限理论，许多研究者做了无腹筋梁的试验研究，得到了合理的结构内部荷载传力机理，这对FRP梁的抗剪能力的检验有极大的帮助。

3剪力传递机理

梁作用描述了通过改变受压区混凝土和受拉钢筋的相互作用大小时剪力的传递机理，而且内力臂保持不变，荷载在两者之间传递。在已开裂的混凝土中，荷载在受拉钢筋和受压区混凝土之间的传递是通过裂缝处混凝土的咬合作用，需要混凝土和钢筋之间的黏结作用。混凝土破坏时的挠度是根据咬合模型得到的。

拱作用发生在未开裂混凝土梁的端部，荷载通过弯曲型压力线向支座传递，受力状态如拉杆拱。剪力通过拱的竖向应力作用传给支座，受拉钢筋与拱上横向拉應力平衡。梁作用与拱作用可以发生在同一个区域。

4剪跨区的协调性

梁必须满足协调性才能较好的符合咬合模型和剪压模型。

4.1 裂缝扩展

混凝土内的裂缝增长决定剪跨区的协调性。裂缝决定拱作用或梁作用的机理，裂缝是剪切破坏的组成部分。裂缝扩展与梁内各个部分是协调作用的。

由两个不同的剪切破坏模型可观察受压区混凝土的破坏方式。

（1）剪压破坏。受压区混凝土的完整性取决于混凝土的三向约束状态。如果混凝土处于无约束状态，则受压区混凝土会膨胀和出现平行于梁顶纤维的微裂缝。这些微裂缝连通，导致受压区混凝土的剪压破坏，通常称为压溃。受压区混凝土受约束的程度和应变大小取决于受压区的三轴应力状态。模拟三轴应力状态很困难。由于剪切作用存在，受压区混凝土受到的约束作用减小，但抗剪钢筋的存在可以增加荷载作用点处混凝土所受的约束作用。

（2）斜拉破坏。受拉区混凝土出现裂缝后，裂缝继续成对角扩展。如果不发生剪压破坏，裂缝从支座处向荷载作用点扩展。贯穿受压区混凝土和受拉钢筋的裂缝处不能传递荷载作用。因此不可能出现梁作用模式。梁斜拉破坏时，会被撕裂成两部分。

4.2 受拉钢筋的延性

受压区混凝土的破坏很少是单纯的剪坏。通常要考虑裂缝处受拉钢筋和受压混凝土的黏结作用。除了剪切裂缝，局部裂缝的开展是由于箍筋受剪和纵筋受拉导致的。裂缝处钢筋的协调性是由无黏结钢筋的延性和钢筋和混凝土之间的黏结作用共同决定的。由于钢筋的存在，滑移相对塑性变形来说是可以忽略的。

对于FRP筋，弹性变形和滑移是不可忽略的。对于已开展的裂缝，加强筋的拉应力取决于钢筋和混凝土的黏结特性，加强筋自身刚度和非黏结长度。

4.3 钢筋混凝土的黏结作用

对于钢筋混凝土构件，钢筋与混凝土之间的黏结作用是控制剪切破坏的决定性因素。如果黏结作用很小，混凝土将会从梁中心剥落。这样依赖于钢筋与混凝土界面相互作用的梁作用模式就失效。

4.4 钢筋的无黏结长度

在脆性钢筋混凝土中，裂缝两表面的钢筋无黏结长度是非常重要的。对于一个固定宽度的裂缝，无黏结长度的增加导致钢筋应变的减小和荷载传递。裂缝必须进一步向梁的受压区扩展，梁截面才能重新达到平衡。

4.5 销栓-劈裂

在钢筋混凝土梁中裂缝处的纵向钢筋的销栓作用是可忽略的。而对于FRP筋，它的横向强度很低，对于很小的荷载都需要考虑销栓作用。销栓作用可使混凝土沿着受拉钢筋开裂。突然导致混凝土无黏结长度突然增加。而无黏结长度的增加将使裂缝向受压区扩展，最终导致梁的破坏。销栓破坏是由于钢筋在剪力和拉力共同作用下的破坏模式。钢筋混凝土梁不发生销栓破坏，由于FRP筋较低的弯曲强度使构件易发生此类破坏。

5含脆性材料的混凝土的抗剪设计

裂缝截面处的协调性由裂缝的水平和竖向投影长度和裂缝的开展角度反映。受拉钢筋，剪切钢筋和混凝土决定了裂缝的几何尺寸。本构关系反映了无黏结筋的延性，将钢筋从周围混凝土和受压区混凝土分离出来后，在裂缝截面处建立平衡方程。裂缝截面必须与外加荷载平衡。基于裂缝的分析决定了随着裂缝开展满足平衡方程的协调能力的变化。这种分析决定了荷载—变形的关系和裂缝截面的承载力。基于裂缝的分析可以更广泛地用于研究多条，弯曲型裂缝，不过，必须经过做大量的试验才能给出梁承载能力的定量的分析。对含脆性材料的混凝土，可用单个的直线剪切裂缝模型。采用碳纤维复合材料作为受拉钢筋和箍筋，裂缝处配有3肢箍筋。抗剪钢筋增加了梁的抗剪能力。然而，在裂缝底部箍筋断裂，发生脆性破坏。随着裂缝的开展，第2肢箍筋失效，弯矩变形曲线出现峰值（较第一次小）。在受压区混凝土破坏之前第3肢箍筋没达到它的开裂强度。这些箍筋靠近裂缝端部，它对裂缝截面处弯矩分担作用不大。

6结束语

6.1 塑性下限理论适用范围

塑性下限理论的重要性很少得到认识。设计者必须意识到用塑性下限理论研究FRP脆性钢筋混凝土是否能保证设计安全。对于钢筋混凝土梁，我们可假设平衡状态，如假设在抗剪分析中箍筋和混凝土的叠合作用，但对于含脆性材料的混凝土，这种叠加原理偏于不安全。桁架理论中所提到的应力重分布不可能是大面积的，而且只有在平截面假定和简化的材料本构关系的前提下，才可能有小范围的应力重分布。

6.2 含脆性加强材料的混凝土抗剪设计的理想方法

含脆性加强材料的混凝土梁更切合实际的模型是以平衡条件，协调性和本构关系为基础。基于裂缝模型比现行规范更适于分析，因为它考虑了协调作用。以前对FRP梁（如粘结和销栓作用）的研究也可并入此分析模型。校准和修正裂缝分析模型在分析脆性加强筋混凝土梁起着非常重要的作用。

参考文献

[1] 康明睿，薛伟辰.配FRP箍筋混凝土梁的抗剪性能研究进展[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2015，（02）：15-20.