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小跨高比连梁受剪承载力分析方法讨论

时间:2022-11-03 百科知识 版权反馈
【摘要】:目前最常用的计算混凝土梁极限抗剪强度的方法有:桁架模型、断裂力学方法、经验方法、塑性理论模型、扩展的修正压力场理论和拉-压杆模型等。该方法忽略开裂混凝土的拉应力,假设裂缝在单元中均匀分布且腹杆倾角为45°,由平衡条件求解。按塑性理论精确计算连梁受剪承载力是比较困难的,一般只能按塑性理论计算其上限解和下限解。因此,压力场理论忽略了混凝土开裂后拉应力的贡献,高估了构件的变形,低估了构件的强度。

(1)钢筋混凝土梁受剪承载力计算方法

钢筋混凝土梁剪切破坏经历混凝土开裂、斜裂缝扩展和破坏等过程。

在混凝土开裂前,梁腹板中最大剪应力可用经典的匀质、弹性理论计算[3]

式中,V为梁上作用的剪力;I为截面惯性矩;S为截面对中性轴的面积矩;b为计算处梁截面宽度。

在混凝土开裂后,钢筋混凝土梁的剪切破坏非常复杂,混凝土结构抗剪仍是一个需要不断深入研究的课题。目前最常用的计算混凝土梁极限抗剪强度的方法有:桁架模型、断裂力学方法、经验方法、塑性理论模型、扩展的修正压力场理论和拉-压杆模型等。

①桁架模型

桁架模型是钢筋混凝土梁抗剪分析最早采用的模型。该模型认为在斜向拉应力作用下,实体混凝土梁开裂后可简化为静定桁架。即:桁架受压上弦杆代表受压区混凝土,下弦杆代表受拉区钢筋,腹杆代表梁腹箍筋及斜裂缝间的混凝土。该方法忽略开裂混凝土的拉应力,假设裂缝在单元中均匀分布且腹杆倾角为45°,由平衡条件求解。在此基础上,Ramirez等[4]提出了考虑腹杆倾斜角度和混凝土贡献的变角桁架模型,忽略了应变协调,并仅需满足平衡条件。以上桁架模型均只需满足平衡条件,因此又可称为塑性桁架模型。与仅满足平衡条件的塑性桁架模型相比,软化桁架模型考虑了混凝土压杆的软化现象,并通过引入摩尔应变圆和应力圆建立了平衡条件和应变协调条件,通过材料受拉、受压应力—应变本构确定了不同剪力下钢筋及混凝土受力状态,实现了梁失效模式的判别。

②拉—压杆模型

桁架模型将实体的钢筋混凝土梁简化为静定桁架,以裂缝在单元中均匀分布的假定为前提,通过分析桁架的内力,确定梁的抗剪强度。因此,桁架模型只能用于细长梁的分析才能达到足够的精确度,对于梁局部受力的抗剪强度分析有较大的出入。在此基础上,桁架模型进一步发展成为了可用来解决应力场较为复杂的问题的拉—压杆模型。

拉—压杆模型由分别代表构件中的主压应力流和主拉应力流的压杆和拉杆组成。严格来说,拉—压杆模型是一种基于塑性下限理论的平衡模型,其设计结果与选择的荷载传递路径相关。设计时应保证结构任一部分应力不超过其强度,在荷载分布满足平衡条件的前提下,保证所选用材料和局部构造是合适的,从而避免破坏之前发生过度变形、脆性断裂及钢筋锚固破坏等。

在拉—压杆模型中,将钢筋混凝土构件分为梁之类的区域和扰乱区(不连续区)两类。梁之类的区域被称为“B区”(Beam或Bernoulli),可应用弯曲理论中的平截面假定进行分析;扰乱区被称为“D区”(Disruption或Discontinue),该区域在几何形状上有突变,或者集中荷载处或支座反力处应力场和应变场是受到扰动的或者不连续的,这时平截面假定不再适用,如图4.2所示。“D区”在实际结构中多见于深梁、牛腿、节点、桩帽等问题。

③塑性理论模型方法

塑性理论方法将混凝土理想化为“屈服台阶”为fc=υfc′的刚塑性材料,式中υ为反映混凝土脆性影响的强度折减系数,fc′为混凝土棱柱体抗压强度。按塑性理论精确计算连梁受剪承载力是比较困难的,一般只能按塑性理论计算其上限解和下限解。按照塑性理论,下限解根据梁在外力作用下的平衡条件和屈服条件求解;上限解根据能量守恒原理,令外荷载做功与消耗能量相等求解。若上限解与下限解结果相同,则在所做的假定下得到的为“精确解”。

图4.2 拉—压杆模型示意图

④压力场理论

压力场理论中,构件需要满足平衡条件、变形条件和应力—应变关系。与塑性理论的极限分析相比,压力场理论描述了混凝土结构从开裂到剪切破坏的整个过程,认为开裂后混凝土主应力与主应变方向相同,而试验研究表明主应力和主应变角度并不完全一致。因此,压力场理论忽略了混凝土开裂后拉应力的贡献,高估了构件的变形,低估了构件的强度。在压力场理论基础上,Collins等[5]提出了修正压力场理论。修正压力场理论通过裂缝间力的平衡和跨越裂缝的力的平衡方程考虑了混凝土拉应力的贡献。压力场理论和修正压力场理论实际上是针对纯剪状态的,适用于纯剪作用下钢筋混凝土板剪切分析和设计。对于混凝土梁,一般作用有弯矩,截面上存在沿截面高度变化的正应力。Reineck等[6]提出了考虑变应力时用修正场理论计算梁受剪承载力的方法,但非常复杂,不适合工程设计。在此基础上,Collins等[7]提出了简化的修正压力场计算方法。该方法需要根据外加剪应力、纵向应变和有效裂缝间距确定相关参数,比较麻烦。因此,Bentz等[8]又在此方法的基础上,对构件抗剪计算做了进一步简化,该方法成为加拿大规范CSA A23.3-04[9]的基础。

⑤经验方法

由于从力学理论出发建立的计算模型一般较为复杂,用起来比较麻烦,特别对于工程设计而言。因此,规范中常采用经验公式来进行工程设计。经验方法是基于试验或所提出模型建立的经验表达式,建立经验公式时应反映影响梁抗剪强度的主要因素。

(2)我国规范中小跨高比连梁受剪承载力计算方法

①我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[10]中的方法

各抗震等级的剪力墙及洞口连梁,当配置普通箍筋,且ln/h≤2.5时,其截面限制条件及斜截面受剪承载力应符合下列规定:

a)受剪截面应符合下列要求:

b)连梁的斜截面受剪承载力应符合下列要求:

对于一、二级抗震等级的连梁,当ln/h≤1.5时,除普通箍筋外宜另配置斜向交叉钢筋,其截面限制条件及斜截面受剪承载力应符合下列规定:

a)受剪截面应符合下列要求:

b)连梁的斜截面受剪承载力应符合下列要求:

对集中对角斜筋配筋或对角暗撑配筋,其截面限制条件符合式(4-4),其斜截面受剪承载力应符合下列要求:

②《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[11]中的方法

我国《高层建筑混凝土结构技术规程》中各抗震等级的剪力墙及洞口连梁,当ln/h≤2.5时,其截面限制条件及斜截面受剪承载力规定与《混凝土结构设计规范》[10]中对配置普通箍筋小跨高比连梁规定相同,没有建议配置斜向交叉钢筋、集中对角斜筋配筋和对角交叉暗撑等配筋方式。

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