摘要：碳纖維作為一種新型加固材料，正日益廣泛的應(yīng)用到工程項(xiàng)目中來(lái)。近幾年來(lái),日本和西方一些國(guó)家的研究人員進(jìn)行了大量的研究。對(duì)纖維類材料抗剪加固的研究,最早是由麻省理工學(xué)院的Berset教授負(fù)責(zé)進(jìn)行的,他所使用的材料是玻璃纖維。Berset教授對(duì)混凝土梁的加固方法是,在梁的剪彎區(qū)段內(nèi),用環(huán)氧類粘接劑將玻璃纖維織物粘貼到梁的兩個(gè)側(cè)面,從而達(dá)到抗剪加固的目的。Berset教授根據(jù)試驗(yàn),還提出了一個(gè)模型,他認(rèn)為纖維類材料對(duì)混凝土梁抗剪性能的作用與箍筋相類似,作用的大小取決于試驗(yàn)中纖維材料所能達(dá)到的最大應(yīng)變。
關(guān)鍵詞：碳纖維 混凝土 受剪承載力 桁架-拱模型
碳纖維作為一種新型加固材料，正日益廣泛的應(yīng)用到工程項(xiàng)目中來(lái)。近幾年來(lái),日本和西方一些國(guó)家的研究人員進(jìn)行了大量的研究。對(duì)纖維類材料抗剪加固的研究,最早是由麻省理工學(xué)院的Berset教授負(fù)責(zé)進(jìn)行的,他所使用的材料是玻璃纖維。Berset教授對(duì)混凝土梁的加固方法是,在梁的剪彎區(qū)段內(nèi),用環(huán)氧類粘接劑將玻璃纖維織物粘貼到梁的兩個(gè)側(cè)面,從而達(dá)到抗剪加固的目的。Berset教授根據(jù)試驗(yàn),還提出了一個(gè)模型,他認(rèn)為纖維類材料對(duì)混凝土梁抗剪性能的作用與箍筋相類似,作用的大小取決于試驗(yàn)中纖維材料所能達(dá)到的最大應(yīng)變。
此后,更多的人開始了這方面的研究,研究主要集中與以提高混凝土梁斜截面承載力為目的的斜截面加固。眾多的研究認(rèn)為,纖維類材料對(duì)鋼筋混凝土梁斜截面承載力的提高作用明顯,而且所起的作用與箍筋類似。
眾多文獻(xiàn)和試驗(yàn)結(jié)果均表明碳纖維布在混凝土構(gòu)件中的受剪承載力的發(fā)揮類似于箍
筋。以下將基于"桁架一拱"模型,從理論上推導(dǎo)鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪承載力公式,并分析外包碳纖維布所發(fā)揮的作用,從而得到碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件受剪承載力的建議公式。
1.桁架模型
桁架機(jī)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。AGF區(qū)為斜裂縫帶,存在有一定角度功的斜壓應(yīng)力場(chǎng)。由于外包碳纖維布的存在,對(duì)混凝土有約束的作用,所以在斜裂縫區(qū)域,桁架模型中混凝土壓桿實(shí)際受壓的有效面積增大,近似認(rèn)為全截面受壓。
定義桁架機(jī)構(gòu)的箍筋有效配箍率為：
(1)
碳纖維布的折算配箍率為：
(2)
是指穿過(guò) 
范圍內(nèi)碳纖維的橫截面積。
考慮到碳纖維布應(yīng)力發(fā)揮的不均勻性，碳纖維布強(qiáng)度折減系數(shù) 
,即取碳纖維布在發(fā)揮作用時(shí)的實(shí)際強(qiáng)度為 
。
在圖1中沿直線AG取剖面，取下半部分隔離體得到圖2，取上半部分得圖3，由圖2，桁架模式中承擔(dān)剪力 
為：
①
圖2 桁架模式的剪力平衡
由圖3,得：
②
由上兩式①+②解出 
，同時(shí)考慮到 
得到下式
(3)
考慮到 
較小時(shí)剪力傳導(dǎo)困難，取 
從而可以得到，由箍筋和碳纖維布即拉桿來(lái)衡量的桁架模式承擔(dān)的剪力由下式給出。
(4)
其中，
(5)
同時(shí)，由圖3的平衡條件可得，
(6)
其中，當(dāng)箍筋和碳纖維布均充分發(fā)揮作用時(shí)，桁架機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的混凝土斜向壓應(yīng)力為，
(7)
2、拱模型
拱模型的簡(jiǎn)化模型如圖4所示。
圖4 簡(jiǎn)化的拱模式
由平衡條件可得，拱模式承擔(dān)的剪力為，
(8)
(9)
對(duì)于 
的構(gòu)件，可以用下列進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，
(10)
二、受剪承剪力的計(jì)算公式
對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件而言，當(dāng)其達(dá)到極限受剪承載力時(shí)，混凝土中的壓應(yīng)力達(dá)到混凝土軟化抗壓強(qiáng)度。下面以此條件來(lái)確定桁架模式、拱模式在混凝土中所起的作用，從而推倒基于桁架－拱模型的受剪承載力計(jì)算公式。（不考慮軸力）
混凝土中的壓應(yīng)力由兩部分組成，即桁架模式中的壓應(yīng)力 
和拱模式中壓應(yīng)力 
。構(gòu)件的極限狀態(tài)由下式確定，
(11)
當(dāng)箍筋和碳纖維充分發(fā)揮作用時(shí)，由上面的分析知，桁架模式承擔(dān)的剪力為，
(12)
桁架模式中的壓應(yīng)力 
為
(13)
代入式（11），得到拱模式中的壓應(yīng)力 
為，
(14)
由式（8）和（14）可得，拱模式承擔(dān)的剪力為，
(15)
將桁架模式和拱模式合并，得到受剪承載力計(jì)算公式為，
(16)
整理得，
(17)
當(dāng)箍筋和碳纖維沒(méi)有充分發(fā)揮作用時(shí)，即僅桁架模式中的混凝土壓應(yīng)力就已達(dá)到軟化抗壓強(qiáng)度，即 
，拱的作用被認(rèn)為完全消失，受剪承載力由桁架模式單獨(dú)承擔(dān)。由式（6）可得，受剪承載力計(jì)算公式為，
(18)
故實(shí)際中構(gòu)件的受剪承載力由式（17）和式（18）的最小值確定。
以上關(guān)于碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件受剪承載力公式僅是從理論上進(jìn)行了推導(dǎo)，還需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以論證。另外，公式推導(dǎo)中未考慮軸壓比的影響，也需要進(jìn)一步的完善。
