(湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

0 前言

Frp即纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(firber reinforced Plastic)是由基體材料（如環(huán)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(jīng)過(guò)壓制纏繞最后通過(guò)拉擠等工藝成型的一種質(zhì)量輕高強(qiáng)度復(fù)合型材。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的基體樹脂和增強(qiáng)纖維是非金屬材料，而且比強(qiáng)度較高、耐腐蝕性強(qiáng)、耐久性高。并可以有效降低周圍環(huán)境給建筑結(jié)構(gòu)帶來(lái)的安全方面的隱患和經(jīng)濟(jì)方面的損失0，所以現(xiàn)階段FRP材料在土木行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多。

FRP與混凝土組合的結(jié)構(gòu)是把FRP纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與混凝土有效連接組合而成，充分利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與混凝土等材料的特性，綜合了混凝土結(jié)構(gòu)和鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，還有質(zhì)量輕、耐腐蝕性、絕緣性較好等許多優(yōu)點(diǎn)。而 FRP—混凝土組合結(jié)構(gòu)能否有效工作的關(guān)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(jié)構(gòu)協(xié)同工作能力，是能否應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 FRP-混凝土結(jié)構(gòu)剪力鍵計(jì)算式研究現(xiàn)狀

由于PBL剪力鍵受力較為復(fù)雜，影響其抗剪承載力的因素很多，目前尚無(wú)統(tǒng)一的計(jì)算公式。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員提出多種不同的抗剪承載力的計(jì)算公式，本文列出了以下有代表性的計(jì)算公式。

早在1987年德國(guó)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(qiáng)度對(duì)連接件的影響，試驗(yàn)結(jié)果是混凝土開裂剪切破壞，但是試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有考慮鋼筋的影響因素。并首次提出在組合結(jié)構(gòu)中PBL連接件的計(jì)算式：

式中d為開孔直徑，fc為混凝土抗壓強(qiáng)度。

1994年Eurocode（歐洲規(guī)范4）0通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分別考慮了開孔連接件孔內(nèi)是否有鋼筋兩種情況，提出了兩種不同的計(jì)算式：

1996年加拿大Oguejiofor,Hosain等人0共做了三組梁式實(shí)驗(yàn)和四十二組推出實(shí)驗(yàn)，分析了連接件上開孔直徑、開孔數(shù)量、開孔位置、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和開孔內(nèi)是否有鋼筋等因素的影響。并在研究中發(fā)現(xiàn)孔洞之間的中心距離至少是2.25D，D是開孔直徑。推出實(shí)驗(yàn)試件結(jié)果是混凝土開裂導(dǎo)致發(fā)生劈裂破壞，由試驗(yàn)結(jié)果提出計(jì)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(nèi)是否有鋼筋和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)連接件抗剪承載力的影響，發(fā)現(xiàn)試件破壞過(guò)程中混凝土塊發(fā)生了縱向劈裂破壞的同時(shí)開孔板內(nèi)貫穿的鋼筋已經(jīng)屈服，通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合提出了連接件的承載力計(jì)算式：

式中ds是開孔連接件中穿過(guò)鋼筋的直徑、fy是鋼筋的屈服強(qiáng)度。

后來(lái)加拿大的Hosian等人進(jìn)一步深入研究了剪力鍵的厚度、高度、和孔內(nèi)貫穿鋼筋與橫向構(gòu)造鋼筋對(duì)剪力鍵承載力的影響，并提出計(jì)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(nèi)貫通鋼筋的總面積。

國(guó)外的研究開始比較早，近幾年國(guó)內(nèi)在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上做了大量的實(shí)驗(yàn)和對(duì)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(xué)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(duì)剪力鍵性能的影響，還發(fā)現(xiàn)橫向鋼筋對(duì)抗剪性能有一定的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并提出抗剪承載力的計(jì)算式：

式中 1a為混凝土類型的影響系數(shù)，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(shù)，通常情況下取1.0，當(dāng)與受剪相反方向的橫向鋼筋較多時(shí)：取1.5； 1b， 2b為回歸系數(shù)；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(qiáng)度。

2007年湖南大學(xué)的胡建華等人0共做了59個(gè)（共20組）推出實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、連接件開孔直徑大小、貫穿鋼筋直徑數(shù)量強(qiáng)和古今對(duì)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(xiàn)裂縫，并往上延伸，孔內(nèi)的鋼筋雖屈服但并未斷裂，并提出單孔抗剪極限承載力計(jì)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(yàn)，對(duì)7組試件做了對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)，并對(duì)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(qiáng)度計(jì)算式：

當(dāng)貫穿鋼筋延性破壞時(shí)：

當(dāng)貫穿鋼筋脆性破壞時(shí)：

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

2009年同濟(jì)大學(xué)的薛偉辰等人0共做21個(gè)推出實(shí)驗(yàn)，研究了PBL連接件上開孔面積和孔內(nèi)貫通鋼筋對(duì)抗剪的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開孔PBL連接件開孔的直徑增大其承載力增大，混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高其承載力也會(huì)提高，而連接件上貫通鋼筋的直徑的變化，對(duì)其承載力影響較小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出連接件承載力計(jì)算式：為單孔極限承載力；fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ft是混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2010年揚(yáng)州大學(xué)許燕等人0通過(guò)四組每組三個(gè)試件做推出實(shí)驗(yàn)，分析研究不開孔但不貫穿鋼筋的連接件，并通過(guò)有限元軟件ANSYS分析對(duì)比，根據(jù)分析結(jié)果提出其承載力計(jì)算公式：

構(gòu)件系數(shù)，一般取1.0。

2010年華中科技大學(xué)黃翔、李力等人0根據(jù)實(shí)際工程中某大跨徑斜拉橋重點(diǎn)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(jì)算式：

式中fst為貫通鋼筋的抗拉強(qiáng)度。

2015年本人通過(guò)5組共15個(gè)FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)試件的推出試驗(yàn)，通過(guò)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(tài)和破壞過(guò)程，首次提出GFRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)的連接件抗剪承載力計(jì)算公式：

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

式中：st——GFRP開孔板剪切強(qiáng)度；t——連接件的厚度；

3 結(jié)語(yǔ)

本人主要對(duì)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)的計(jì)算式進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)剪力鍵抗剪承載力的影響主要從開孔形狀、開孔數(shù)量、混凝土類型、連接件強(qiáng)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(yàn)數(shù)據(jù)和有限元模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析，此外國(guó)內(nèi)外對(duì)FRP連接件的研究不多，多數(shù)是研究鋼-混凝土連接件，新的FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)有更好力學(xué)性能和耐久性是值得研究的方向。

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