FRP筋混凝土梁抗剪性能理论解对比分析①

刘 畅

(安徽建筑大学土木工程学院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

钢筋混凝土结构是目前使用最为广泛的建筑结构,但是在混凝土结构在使用过程中,由于环境、年限、设计缺陷等一系列问题使得混凝土性能退化,具体表现为强度、刚度、延性以及承载能力的降低[1]。混凝土结构的承载能力和使用寿命可以通过不同的加固方案而获得大幅提升。纤维增强复合材料(FRP)由于其优良的强度与重量之比低和耐腐蚀性能而在近几年被大量应用为加固材料。依据不同的构成纤维和编制方式,FRP的强度可以达到钢材的2到10倍,而其重量仅为钢材的20%[1]。随着近年来FRP材料的成本大幅降低,FRP被大量应用在建筑加固行业。

普通混凝土梁的破坏形式一般分为弯曲破坏和剪切破坏模式。其中剪切破坏为没有明显预兆的脆性破坏,因而更容易产生严重的破坏后果。因此,国内外学者开展了许多FRP加固钢筋混凝土梁结构的抗剪性能试验以评估其加固后的抗剪强度,但一直无法获得统一的设计方法。因此,收集了204根无箍筋的FRP加固梁抗剪性能试验数据。将试验参数代入6个理论方程和国内外设计规范中。将试验所测FRP筋混凝土抗剪强度与理论计算抗剪强度进行了对比,并评估了所用规范理论模型的可靠程度。

1 现行混凝土构件抗剪承载力计算公式

1.1 混凝土抗剪承载力计算公式

1.1.1 美国规范(ACI-318-19)

美国规范(ACI-218-19)[2]的混凝土抗剪承载力计算公式如下:

其中E f为FRP杨氏模量;E s为混凝土杨氏模量;ρf为钢筋配筋率;f c'为混凝土抗压强度;b为梁宽;d为 梁 深。 其中因子应满足λs=,它是基于单向剪切下无剪力钢筋的非预应力构件的试验结果,符合断裂力学理论。

1.1.2 欧洲规范(2004)

欧洲规范[3]的混凝土抗剪承载力计算公式如下:

其中h为梁的高度,两个因子求解为

1.2 FRP筋混凝土抗剪承载力计算公式

1.2.1 ACI-440-15设计标准

计算可变界面的抗剪强度的ACI-440[4]是在对ACI-318进行修改的来的具体的方程如下:

1.2.2 加拿大标准CSA S6

《加拿大公路桥设计规范》(加拿大标准局/加拿大标准局S6[5])在钢筋混凝土剪切设计中使用了与加拿大标准局A23.3-4(2004)相同的基本方程,但在计算梁中间高度的纵向应变时,通过引入一个系数来考虑FRP相对于钢的较低弹性模量,对FRP进行了修改。为简单起见,本文选择了Ahmed H.对CSA S6-14的简化方程[8],该方法基于修正的压缩场论[9]。其中抗剪强度计算如下:

1.3 理论模型

1.3.1 K-模型

Kara[6]收集了来自15项研究的110个记录的数据库,使用(GEP)技术(K-模型)预测用无箍筋FRP筋混凝土梁的抗剪强度。

1.3.2 B-模型

B-模型[7]是基于修正压缩场论[8]的简化模型,其中计算混凝土剪切贡献,使得:

2 FRP筋混凝土梁抗剪承载力理论值和试验值的比较

基于对不同影响参数的分析和对可用数据库的批判性审查,发现一些参数对抗剪强度的总体贡献有影响。这些影响参数是(1)配筋率(ρf);(2)剪跨比()和(3)混凝土抗压强度的抗拉强度(f'c);和(4)试件的配筋率在0.22%～3.98%之间;(5)混凝土抗压强度在10～150MPa之间;(6)剪跨比介于1～6.5之间。

2.1 各参数对抗剪强度的影响

使用收集的数据库分析了无箍筋的FRP加固梁的混凝土抗剪设计方程的性能,包括CSA-S6,Eurocode,ACI-318,ACI-440,K-模型,B-模型,并合理分析各方程的性能。其中ACI-318,CSA-S6,Eurocode属于剪切设计方程,CSA-S6和B-模型是基于修正压缩场提出的[9]。以下为各参数对抗剪强度的影响。

2.2 剪跨比对抗剪强度的影响

剪跨比(a/d)对抗剪能力有较大影响,根据剪跨比(a/d)的不同,可以把钢筋混凝土梁分成两类,一类为细长梁(a/d同2.5),另一类为短梁或深梁(a/d＜2.5),在细长梁中,梁的作用以及拱的作用对梁的强度和刚度的影响是很微弱的,但对于深梁来说,剪力主要由拱作用去抵消[10],所搭建的数据库,剪跨比从1到6.5不等,图1可以观察出长试样,剪跨比对梁抗剪无明显的影响,反而当试样较短,剪跨比越大,试验值与理论值的比值就越小。如图1所示,相比与其他方程CSA-S6,K-模型表现出较好的合理性,大部分的点均落在试验值/理论值=1的直线上,相对而言ACI-318,ACI-440,Eurocode,B-模型则表现不佳。

图1 剪跨比对抗剪强度的影响

表1 本文各符号代表含义

2.3 混凝土抗压强度对抗剪强度的影响

此处分析了CSA-S6,Eurocode,ACI-318,ACI-440,K-模型,B-模型中混凝土抗压强度对抗剪强度的影响,无抗剪钢筋梁的剪切破坏发生在斜裂缝形成时[10],当混凝土的主拉应力超过混凝土的抗拉强度时,就会出现斜裂缝。混凝土的抗拉强度远远小于混凝土的抗压强度,所以混凝土的抗拉强度被认为是混凝土抗压强度的函数[11]。其中公式Eurocode,K-模型假定混凝土抗压强度为混凝土抗拉强度的1/3次方。而ACI-440,CSA-S6,ACI-318,B-模型则假定混凝土抗压强度为混凝土抗拉强度的1/2次方。由图像2可以看出假定抗压强度为抗拉强度的1/3次方要优于抗压强度为抗拉强度1/2次方。

2.4 配筋率对抗剪强度的影响

梁的抗剪强度随着纵向配筋率的降低而降低[12]。这主要是因为:与高配筋率的构件相比,低配筋率导致形成更宽和更深的裂缝[13]。较宽的裂纹通过降低残余拉应力和裂纹表面的骨料互锁来降低界面剪切。另一方面,较深的裂缝减少了未开裂混凝土受压区的深度,从而减少了未开裂混凝土对抗剪强度的贡献。此外,传力杆作用的贡献随着配筋率的减小而减小,这是由于裂纹形成更宽。图5显示了使用现有数据库时FRP钢筋的轴向刚度对抗剪强度的影响。此图中的纵轴代表试验与计算抗剪理论值之比,横轴代表FRP钢筋的配筋率。从图5中可以看出,所有的设计方法都提供了平均值大于1.0的保守预测。从图5可以看出,Eurocode和K-模型的设计方法考虑了纵向杆轴向刚度的影响,在它们的方程中提高到的幂,比其他方法给出了更准确的预测,因为这所得的结果与试验结果得到很好地匹配。

图2 混凝土抗压强度对抗剪强度的影响

图3 配筋率对抗剪强度的影响

表2 数据库

3 结 论

1)CSC S6设计方程对于FRP筋加固混凝土梁的抗剪能力提升相较于其他方程更准确、更明显。该方法考虑了剪跨比、纵向钢筋的轴向刚度,构件尺寸和混凝土强度的影响。

2)K型推荐的设计方程提供了合理但相当保守的结果。然而,与试验值相比,ACI440设计方法明显低估了抗剪强度。

3)Eurocode方法提供了非常保守的预测,因为对于整体,a/d≥2.5,a/d＜2.5的三种方法,试验结果相对于预测结果的平均值分别为2.129,2.149和2.032。

4)K型推荐的设计方程;提供了合理但相当保守的结果。然而,与试验值相比,ACI318,ACI 440设计方法明显低估了混凝土梁的抗剪强度。

5)对于混凝土抗压强度对FRP筋加固混凝土的影响中,假定抗压强度为抗拉强度的1/3次方要优于抗压强度为抗拉强度1/2次方。

6)对于配筋率对混凝土抗剪强度的影响中,考虑了纵向杆轴向刚度的影响的方程中提高到的幂,比其他方法给出了更准确的预测。