摘要：在定義FRP筋混凝土梁兩種破壞模式的基礎上，給出了界限配筋率及極限彎矩的計算公式，建立了FRP筋混凝土梁的正截面計算方法。
    為了解決普通鋼筋的銹蝕問題，近年來使用FRP筋來替代普通鋼筋成為研究的熱點，國內外許多研究成果已證明將FRP筋運用于實際工程應用中是可靠的。但由于FRP筋具有線彈性的應力－應變關系，在使用目前的普通鋼筋混凝土規范的有關計算公式時其“屈服強度”的取值問題是一大障礙，必須定義FRP筋的“等價屈服強度”或“名義屈服強度”。雖然Navvy及Neuwerth、Faza及GangaRao等人均進行了大量的研究，并提出了有關建議，但所建議的方法中均需要通過試驗獲取鋼筋的實際應力值，不利于直接設計。另外，從延性的角度出發，對于FRP筋混凝土梁正截面破壞模式的確定也還存在爭議，考慮的影響因素也不夠全面。
    本文在定義FRP筋混凝土梁兩種破壞模式的前提下，參考國外的有關規范及研究成果，對FRP筋混凝土梁正截面承載力的設計計算方法進行了研究，給出了具體的設計建議。
1  基本假定及破壞模式
    假定：①FRP筋與混凝土之間的粘結完好；②不考慮剪切變形，可通過設置足夠的抗剪鋼筋來防止出現早期的剪切破壞。其余假定與現行普通鋼筋混凝土規范相同。
    本文建議FRP筋混凝土梁兩種可能的破壞模式為:混凝土壓環前FRP筋先拉斷及FRP筋拉斷前混凝土先壓碎，雖然許多人更傾向于混凝土先壓碎的破壞模式，但大量研究成果證明，上述兩種破壞模式都是可以接受的。
2  界限配筋率的計算
    所謂“界限配筋率”，即，當FRP筋混凝土梁出現FRP筋拉斷及混凝土壓碎同時發生時的截面配筋率。對于雙筋截面：
   
    其中，為雙筋截面梁中的FRP筋的界限配筋率，；h0為從CFRP筋合力作用點計算的截面有效高度。參照我國現行混凝土設計規范，P_b可按下式計算：
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    其中，fc為混凝土的軸心抗壓強度；ffu為FRP筋的極限抗拉強度；Ef為受拉FRP筋的彈性模量；Ecu為混凝土的極限壓應變，取0.003；al、B1，的取值參照現行混凝土結構設計規范。
    為受壓FRP筋的應力值，可通過下式計算：
   
    如果受壓FRP筋的破壞先于整個截面的破壞，即：，則計算時可忽略受壓FRP筋的。其中，為截面受壓邊緣至受壓筋合力點的距離；為受壓FRP筋的極限應變；E_fu為受拉FRP筋的極限應變。
3  極限彎矩計算的建議公式
3.1  出現混凝土先壓碎時的極限彎矩計算(破壞模式1)
    當P時，破壞模式為混凝土的壓碎先于FRP筋拉斷，如圖1所示。如果受壓筋在構件達到極限承載力前沒有破壞，則受壓區高度x可通過平衡方程及變形協調條件得到：
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    當x值確定后，MR即可求得：
   
    式中，Y為Park and Paulay提出的受壓混凝土合力點位置系數，即：
   
    如果受壓的FRP筋在混凝土壓碎前已破壞，則公式(4)和公式（5)中有關受壓FRP筋的參數可忽略。
3.2  出現FRP筋先拉斷時的極限彎矩計算(破壞模式2)
    根據應變協調關系，如果出現FRP拉斷的破壞模式，則受壓筋及梁受壓外側纖維的混凝土的應變值是與FRP筋受拉極限應變有關的，如圖2所示。
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    如果受拉筋拉斷時FRP受壓筋未發生受壓破壞，則受壓區高度x可通過下式計算：
   
    受壓區高度x確定后，Mn即可計算：
   
    若受壓FRP筋在受拉FRP筋拉斷前先破壞，則公式（7）及(8)中與受壓筋相關的參數可忽略。
4  計算值與試驗值的對比
    為了驗證上述極限彎矩計算建議公式的正確性，選用了本課題組及文獻所完成的各兩根FRP筋單筋非預應力梁的試驗結果，并與按上述建議公式的計算值進行了對比。試驗梁的配筋以及截面尺寸如表1所示，計算結果與試驗結果的對比如表2所示。
   
    
    可以看出，無論是本文試驗梁還是文獻試驗梁，其按建議公式的計算值與試驗值之間吻合均較好，故使用建議設計公式進行實際工程的設計是合適的。
5  小 結
    在明確FRP筋混凝土梁兩種破壞模式的基礎上，提出了“界限配筋率”的定義”及計算公式，從而進一步給出了FRP筋混凝土梁正截面承載力的設計計算方法，對工程實際有著具體的指導意義。