含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构设计探讨

摘要：大量室内实验与工程实践表明，普通钢筋混凝土结构的使用性能不佳和适用范围受限与裂纹不加限制地发展有着直接关系，要想改善普通钢筋混凝土结构的使用性能，就必须寻求有效的裂纹控制方法。本文对此进行了探讨。

关键词：裂纹；钢筋混凝土；含阻裂增强层

一、裂纹对钢筋混凝土结构的危害

裂纹是固体材料中的某种不连续现象。主要有骨料与水泥石的粘结面上的粘结裂纹、水泥浆中的裂纹以及骨料裂纹。近代的混凝土的微观研究表明：微裂纹的扩展是材料破损程度的标志，同时，微裂纹的存在也是一种材料本身固有的物理性质。因而，裂纹在钢筋混凝土结构中的存在有其必然性。但是如果裂纹不加限制地发展，不仅会导致结构的最终破坏，还会对结构的正常使用也会产生诸多不利影响。主要表现在：
1、钢筋、混凝土受力状态的变化
钢筋混凝土结构开裂比较严重后，钢筋和混凝土的粘结在裂纹附近遭到严重破坏。粘结破坏的结果：一方面，使裂纹处的混凝土由原来的一个整体变为破碎的联系不强的各部分；另一方面，使钢筋在局部范围拉长很多，钢筋应力的增长很大。同时，由于裂纹的过渡发展，使得上部混凝土受压区高度很小，混凝土压应力值较高。
2、抗剪能力降低
钢筋混凝土结构的抗剪能力很大程度上取决于结构中混凝土的整体性，当钢筋混凝土结构开裂比较严重后，混凝土被裂纹分割成许多支离破碎的独立部分，混凝土的整体性明显下降，对于结构截面而言，参与抗剪的混凝土的净面积减小，因此，结构的抗剪能力也随之下降。
3、结构刚度的变化
钢筋混凝土结构开裂比较严重后，其薄弱截面处的中性轴位置明显上移，而结构的变形很大程度上取决于其薄弱截面，因此，此时结构的总体下挠将迅速增加，并随着裂纹的发展而继续增加。
4、结构疲劳性能的变化
裂纹不加限制地发展不仅降低了结构的静力强度，对结构疲劳性能的影响也十分显著。过多的裂纹使得很多局部位置的钢筋、混凝土应力长期处于高应力区，降低了材料的疲劳寿命。另外，裂纹发展必然造成对钢筋与混凝土的粘结力的退化，相对滑动增长，有可能发生粘结性能本质的改变，甚至造成锚固失效，因此整个结构疲劳强度的降低都是不可避免的。
此外，裂纹不加限制地发展还会使得构件中的钢筋和混凝土面临恶劣的外界环境考验。外界具有腐蚀作用的介质通过裂纹侵入混凝土内部，引起混凝土性质的改变，降低其强度；同时，也会沿裂纹渗透到钢筋表面，与钢筋发生化学反应，削弱钢筋截面，使得混凝土、钢筋应力都会较大的增长，构件的裂纹也会进一步发展。

二、含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构的优势分析

传统预应力混凝土结构成功解决了混凝土过早开裂的问题，提高了结构的抗裂度和刚度；同时有效地利用了高强材料。但是传统预应力结构存在一些缺点：①工艺较复杂，对施工质量要求甚高。②需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。③预应力混凝土结构的开工费用较大，对于跨径小、构件少的工程，成本较高。那么是否有其他简单、经济的方法，既能提高钢筋混凝土结构的抗裂性能，同时又能充分发挥高强材料的优势？大量实验结果表明，同等条件下，含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构与普通钢筋混凝土结构相比，具有更加优越的力学性能，具体表现在以下几个方面：1、含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构具有更高的开裂荷载新结构中由于阻裂增强层参与结构的整体受力，能够分担一部分混凝土承受的拉应力，减小了受拉区混凝土的拉应力，从而推迟了混凝土拉应变达到极限拉应变的时间。因此，新结构的开裂荷载会有所提高。而从断裂力学角度来说，混凝土是一种内部含有许多微裂纹的材料，由于阻裂增强层提供的一对集中闭合力能够有效的降低微裂纹端部的应力强度因子，抑制微裂纹失稳扩展，从而使得新结构中的混凝土材料表现出更好的名义抗弯拉强度，因此新结构较普通钢筋混凝土结构具有更高的开裂荷载。2、含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构具有更好的阻裂性能。在普通钢筋混凝土结构中，一旦混凝土出现开裂现象，那么开裂截面处混凝土原来承受的那部分拉应力将由钢筋承担。而在新结构中，开裂截面处的拉应力除了由纵向钢筋承受外，外边的粘贴层也承受部分的拉应力，而外贴的阻裂增强层的阻裂作用表现为降低了裂纹端部的应力强度因子，阻止了裂纹的进一步扩展。显然，由于阻裂增强层的作用，新结构的裂纹不会像普通钢筋混凝土结构中的裂纹那样向上迅速发展、裂纹的宽度急剧增加。因此，新结构具有更好的阻裂性能。

三、 含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构的设计

1、混凝土材料的选择
高强混凝土相比普通混凝土具有强度高、变形小的特点，在相同荷载条件下，可减少构件截面尺寸，降低结构自重。由于恒载的显著减轻，较长的跨度在技术、经济上就成为可能。除了上述优点外，高强混凝土还具有密实性好、耐久性好等优点。因此，复合钢筋混凝土结构中的混凝土应尽可能的选用高强混凝土。
2、钢筋材料的选择
预应力混凝土之所以具有魅力，不仅是因为由于通过控制裂纹和变形改善了结构在使用荷载下的工作特性，更是因为其可以有效的利用高强钢筋，充分发挥高强材料的优势，从而可以使用小而轻的构件。这样，混凝土结构的应用范围也就大大扩大了。而对于我们所研究的新结构来说，由于裂纹的发展得到有效控制，使得高强钢筋的应用得以实现，从而可以减小新结构自重，恒载与活载比例减小，跨度就可以增大。因此，复合钢筋混凝土结构在选择钢筋类型时宜选用高强钢筋。
3、阻裂增强层的选择
混凝土的弹性模量一般为23～36GPa,CFRP的弹性模量一般为210GPa左右。因此，阻裂增强层选用玻纤维增强塑料（CFRP）时，由于混凝土与CFRP相差一个数量级，相互之间的弹模极不匹配，使得两者之间的变形不协调，界面剪力过大，容易发生端部混凝土保护层剥离破坏和端部界面剥离破坏。这里首先介绍两个概念。界面连结也就是指界面粘结情况。界面强连结是指界面连结强度（粘结强度）高于被连结的两物体中任一物体的剪切强度（若界面为剪切破坏）或拉伸强度（若界面为拉伸破坏），界面强连结的破坏特征表现为被连结的物体（或者其中之一）在连结界面附近的破坏，而不是界面本身的破坏；界面弱连结是指界面连结强度低于被连结的两物体的强度（剪切强度或拉伸强度），界面弱连结的破坏特征表现为界面本身的破坏。对于梁底粘有CFRP材料的新结构而言，混凝土与CFRP板端的粘结界面往往存在较大的剪应力与正应力，特别是CFRP的板端切断点处，存在明显的应力集中。当剪应力超过粘结剂的剪切强度时（剪切破坏）或正应力超过粘结剂的抗拉强度时（拉伸破坏）将会发生界面剥离，形成界面裂纹，端部界面裂纹的扩展通常会导致两种破坏模式。第一种破坏模式：端部混凝土保护层的剥离。当界面裂纹遭遇强连结时，界面裂纹将斜向侵入混凝土保护层，发展至纵筋高度后又会沿纵筋位置水平开展，最终导致混凝土保护层的剥离。第二种破坏模式：CFRP端部界面剥离破坏，当界面裂纹遭遇弱连结时，界面裂纹将沿CFRP与混凝土的界面发展，产生端界面剥离破坏。破坏发生时，剥落下来的CFRP板上往往会粘附一薄层混凝土。而GFRP的弹性模量一般为23GPa左右,与混凝土材料的弹性模量正好相当，两者变形相互协调，能够很好地避免这两种破坏模式的发生，同时，玻纤维价格低廉、经济；并且选用GFRP作为阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构具有更好的延性。因此，新结构中的阻裂增强层宜选用弹模与混凝土相当、价格经济的GFRP。
4、粘结剂的选择
树脂兼作FRP复合材料的基体和FRP与混凝土间的粘结剂。对于新结构而言，树脂的粘结作用非常重要，一般选用环氧树脂作为粘结剂。为了保证FRP和混凝土之间能够很好地共同工作，要求用于粘贴FRP的粘结剂的抗剪强度满足一定要求。在新结构的实际应用中可以用混凝土的剪切强度来对粘结剂的粘结强度进行控制，使粘结剂的抗剪强度大于混凝土的剪切强度即可。这样，在产生界面破坏时，是混凝土材料的受剪破坏，而非粘结剂粘结失效。混凝土的抗剪强度一般约为12MPa，因此，新结构中选用的粘结剂的抗剪强度应大于12MPa。另一方面，如果粘结剂在保证剪切强度的同时，具有足够大的剪切应变能力，将有利于粘贴材料和混凝土之间的共同工作，而不致于使阻裂增强层和混凝土剥离，有利于结构的整体受力。粘结剂在满足抗剪要求的同时也需要满足一定的抗拉要求。对于承受外载作用的混凝土简支梁而言，按弹性理论计算，梁底不存在正应力。但粘贴一层FRP材料后，板端会存在较大的拉应力。因此，为了避免板端界面拉坏，粘结剂的抗拉强度需满足一定要求，这里初步定位粘结剂的抗拉强度不小于40MPa。根据以上分析，新结构中选用的粘结剂的力学指标为：抗拉强度不小于40MPa，抗剪强度不小于12MPa。

参考文献：
1、赵国藩，高等钢筋混凝土结构，中国建筑工业出版社，2007
2、江见鲸、陆新征等，混凝土结构有限元分析，清华大学出版社，2007