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玻璃纤维筋混凝土结构的抗剪承载力计算为何需忽略筋材抗压贡献?

在玻璃纤维筋(GFRP筋)混凝土结构的抗剪承载力计算中,忽略筋材的抗压贡献主要基于以下原因:

1. 材料特性差异:GFRP筋抗压性能远弱于抗拉性能

玻璃纤维筋由树脂基体和玻璃纤维组成,其力学性能具有显著的各向异性

  • 抗拉强度高:GFRP筋的抗拉强度可达普通钢筋的1.5~2倍,这是其替代钢筋的主要优势。

  • 抗压强度低:其抗压强度仅为抗拉强度的20,且受压时易发生纵向劈裂或纤维屈曲破坏。

这种特性导致GFRP筋在受压时无法像钢筋那样通过屈服或硬化提供稳定的抗压承载力。

2. 破坏模式差异:GFRP筋混凝土结构抗剪破坏机制不同

钢筋混凝土结构的抗剪破坏通常伴随斜裂缝开展箍筋屈服,钢筋的抗压贡献通过销栓作用(Dowel Action)体现。但GFRP筋混凝土结构的破坏模式存在显著差异:

  • 斜裂缝开展更剧烈:GFRP筋弹性模量低(约为钢筋的1/4sim1/5),对裂缝开展的约束作用弱,斜裂缝宽度更大、分布更分散。

  • 筋材易剥离:GFRP筋与混凝土的粘结强度较低(约为钢筋的60),受压时易因界面剥离而失效。

  • 抗压贡献失效:即使GFRP筋未完全剥离,其受压时也难以通过屈服或硬化消耗能量,反而可能因脆性破坏加剧结构损伤。

3. 计算模型简化:忽略抗压贡献可提高安全性

现有抗剪承载力计算模型(如修正压力场理论、桁架-拱模型等)均基于以下假设:

  • 箍筋仅提供抗拉贡献:通过限制斜裂缝宽度和传递剪力。

  • 混凝土提供抗压贡献:通过斜压杆机制抵抗剪力。

若考虑GFRP筋的抗压贡献,需引入复杂参数(如筋材-混凝土界面粘结性能、筋材受压本构关系等),但这些参数的离散性极大,且缺乏足够的试验验证。为简化计算并保证安全性,规范通常直接忽略GFRP筋的抗压贡献。

4. 规范依据:国内外标准的一致性要求

中国《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB 50608-2020)、美国《ACI 440.1R-15》等标准均明确规定:

在GFRP筋混凝土结构的抗剪承载力计算中,仅考虑箍筋的抗拉贡献,忽略其抗压贡献。

这一规定基于大量试验研究和工程实践,旨在避免因高估GFRP筋抗压性能而导致结构安全储备不足。

5. 实际工程验证:忽略抗压贡献的合理性

通过对比试验与理论计算结果发现:

  • 试验值与计算值吻合良好:忽略GFRP筋抗压贡献的计算模型能准确预测结构抗剪承载力(误差通常在15以内)。

  • 考虑抗压贡献反而不安全:若强行引入GFRP筋抗压项,计算值可能偏高20,与实际破坏模式不符。

因此,从工程应用角度,忽略GFRP筋的抗压贡献是合理且必要的。