钢筋混凝土构件受剪承载力对比分析.pdf
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1、第 2 7卷 第 2 期 2 O 1 0年 6月 建 筑科 学与 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d C i v i 1 En g i n e e r i n g Vo 1 2 7 No 2 J u n e 2 0 1 O 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 O ) 0 2 0 0 2 5 1 3 钢 筋混凝土构件 受剪承载 力对 比分析 魏 巍 巍 , 贡金 鑫 , 田 磊 ( d r 连理工大学 建设工程学部 , 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘 要 : 对 比分 析 了剪跨 比 、
2、混凝 土 强度 、 纵 筋 配筋率 、 构 件 高度等 因素对 中国 混凝 土 结构设 计规 范 ( G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) 、 美国规 范 A C I 3 1 8 0 8 、 欧 洲规 范 E N 1 9 9 2 - 1 1 : 2 0 0 4和加 拿 大规 范 C S A A 2 3 3 - 0 4 中无腹 筋和 有腹 筋钢 筋混 凝 土构件 抗 剪 强度 的影 响 ; 基 于各 国钢 筋混 凝 土 梁 受剪承 载 力 的试 验 结 果 , 对规 范中的受剪承载力计算公式进行对比分析 , 并采用一次二 阶矩方法对其进行可靠度分析; 对各规范中的最大、 最小配箍率
3、及箍筋间距要求进行 了对比分析 。结果表 明: 对于无腹筋和有腹筋 构件 , 中国规范受剪承载力的平均可靠指标均大于加拿大规 范, 小于美国和 欧洲规范; 欧洲规 范的 最小配箍率最大, 稍 大于中国规 范, 美国和加拿大规 范接近, 小于中国和欧洲规 范; 截面高度较小时 各规范规定的最大箍筋间距相差不大, 随着截面高度增加 , 欧洲规 范的最大箍筋间距大于加拿大和 美 国规 范 , 中 国规 范 最 小。 关键词: 钢筋混凝土构件; 抗剪强度 ; 受剪承载力; 可靠度分析 中 图分类 号 : TU3 7 5 I 文献 标 志码 : A Co m p a r a t i v e An a l
4、 y s i s o f S he a r Ca pa c i t y f o r Re i nfo r e e d Co nc r e t e M e m b e r s W EI W e i we i ,GONG J i n x i n,TI AN L e i ( Fa c u l t y of I nf r a s t r uc t u r e Engi ne e r i ng,Dal i a n Uni ve r s i t y o f Te c h no l o gy,Da ha n 1 1 6 02 4,Li a o ni ng,Chi na ) Abs t r a c t :Th
5、e e f f e c t s o f t he s he a r s pa n r a t i o,c on c r e t e s t r e ng t h,l on gi t u di n a l r e i n f o r c e m e nt r a t i o, m e m b e r h e i gh t a nd o t he r f a c t o r s on s h e a r s t r e ng t h of r e i n f o r c e d c on c r e t e me mbe r s wi t hou t or wi t h s t i r r up
6、s ba s e d o n GB 5 00 1 0- 2 00 2,ACI 31 8 - 0 8,EN 1 9 92 1 1: 2 0 04,a s we l l a s CSA A23 3 04 we r e c o mpa r a t i v e l y a na l y z e d Ba s e d on a l o t of e x pe r i m e nt a l r e s u l t s a b ou t s he a r c a p a c i t y o f r e i nf7 or c e d c onc r e t e be a m s, s he a r c a p
7、a c i t y c alc ul a t i o n f o r m u l a s we r e s t ud i e d, t he n r e l i ab i l i t y a na l y s i s p e r f o r m e d b y m e t ho d o f f i r s t o r d e r s e c on d mo m e n t W3 S pr e s e n t e d The m a x i m u m or m i n i m u m s t i r r up r a t i o a nd s t i r r up s p a c i n g
8、r e q ui r e m e n t s we r e c o mpa r a t i ve l y a n a l y z e d The r e s ul t s s ho w t ha t a v e r a g e r e l i a b i l i t y i nd e xe s o f s he a r s t r e n gt h f or r e i n f o r c e d c on c r e t e me mbe r s wi t ho u t or wi t h s t i r r u ps de s i g ne d a c c or d i ng t o Ch
9、i ne s e c od e a r e g r e a t e r t ha n t h os e of Ca n a d i a n c od e, bu t S F l l a l l e r t ha n ACI c od e a nd Eu r op e a n c o de Fo r t he m i ni mum r a t i os of s t i r r ups ,Eur o pe a n c o d e i s a l i t t l e g r e t t e r t ha n Chi ne s e c o de, a nd i s g r e a t e r t h
10、a n ACI c od e a n d Ca na d i a n c o de Fo r t he m a x i mum s p a c i n g o f s t i r r up s,t he f o ur c o de s a r e mos t l y t he s a me whe n t h e me mbe r s e c t i o n h e i g ht i s s ma l l , wi t h m e mbe r s e c t i on he i gh t i n c r e a s i ng, Eur o pe a n c o de i s gr e a t
11、e r t h a n ACI c o de a nd Ca n a di a n c o de,a nd C h i ne s e c o d e i S t he s mall e s t , Ke y wo r d s:r e i n f o r c e d c o nc r e t e m e m be r;s h e a r s t r e ng t h;s he a r c a pa c i t y;r e l i a bi l i t y a na l y s i s 收 稿 E t 期 : 2 0 1 0 0 5 1 0 基金项 目: “卜一五” 国家科技支撑计划项 目( 2
12、0 0 6 B AJ 0 1 B 0 6 一 o 6 ) 作者简介 : 魏巍巍( 1 9 8 2 一 ) , 女 , 辽宁锦州人 , 工学博士研究生 , E ma i l : 3 1 3 4 5 8 6 we i we i we i g ma i l c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 建筑科 学与 工程 学报 2 0 1 0血 O 引 言 对于受剪力和弯矩共 同作用 的钢筋混凝土构 件 , 支座 附近 区段 内可 能会 发 生 沿斜 向裂 缝 的斜 截 面剪切破坏 , 所 以设 计 中保 证 构 件 的受 剪 承 载力 非 常重要。钢筋混凝
13、土构件剪切破坏机理非常复杂, 影响因素众多 , 至今仍是一个需要不断深入研究的 课题 。到 目前为止 , 已提 出的 分 析模 型 和理 论 有桁 架模型、 变角桁架模型、 压力场理论、 修正压力场理 论、 压杆一 拉杆方法等 , 这些模 型已被各国不 同的混 凝 土结 构设计 规范 采 用 , 或 采 用这 些 理论 提 出了简 化 的设计方 法 。由于不 同国家规 范 的受剪承 载力计 算采用的模型不同, 设计结果差别很大, 所以有必要 对不同规范采用的模型和计算方法进行对比分析。 本文 中笔者选取 了中国 混凝土结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) E 1
14、 3 、 美 国混 凝 土 规 范 AC I 3 1 8 08 E 、欧洲 规 范 E N 1 9 9 2 1 1 : 2 0 0 4 l 3 和加 拿 大混 凝 土 规 范 C S A A2 3 3 - 0 4 l 4 作 对 比分 析 。美 国 AC I 3 1 8 - 0 8规范 是 国际上 比较 先进 的规 范 , 为 世界 很 多 规范的编制和修订所参考 , 甚至有的国家直接采用 ; 欧 洲规范是 欧洲标 准化 协会组 织编 写 的系列 结构设 计规范之一 , 在欧共体范围内使用, 目前尚处于与欧 洲国家规范的共存期 , 2 0 1 0年 1 0月取代欧洲国家 的设 计规 范 ; 加
15、 拿 大规 范 C S A A2 3 3 - 0 4的受 剪承 载力计算 自 1 9 9 4年开 始 使用 了压 力 场 理论 和修 正压力 场理论 l 6 , 后来 几经简化 , 成 为 C S A A2 3 3 - 0 4 的形 式 , 具 有一 定 的先进 性 。受 其 影 响 , 从 1 9 9 4年 至今 , 美国桥梁设计规范 AAs HTO L R F Dl 7 的受 剪承载力计算也采用了修正压力场理论。 1 无腹筋构件 的受剪承载 力 无 腹 筋构 件指 不 配 置箍 筋 和弯 起钢 筋 的构 件 , 其 斜截 面破坏是 以斜 裂缝 的 出现 与发 展 为 特征 的 , 斜裂 缝
16、 的走 向基 本 沿着 主 压应 力 轨 迹线 , 如 图 1所 示 。在斜裂 缝 出现前 , 剪力 由构件全 截面 承担 , 斜 裂 缝出现后 , 裂缝上部的剪力 由斜裂缝顶部的残余截 面抵抗 , 主压 应力 还 能继 续 沿斜 裂 缝 之 问 的混 凝 土 块体传递。但是 , 斜裂缝下部的拱形混凝土块体( 非 支座附近) 所传递的主压应力, 不能直接而是通过纵 筋的销栓作用才能传递到支座上。然而 , 纵筋所受 剪力稍大就会使混凝土沿纵筋发生撕裂破坏 , 故纵 筋 销栓作 用不 能充分发 挥 , 因此 , 该 拱形混 凝土块 体 传力很小, 主要依靠支座处的块体来传递主压应力。 当构 件受力
17、 变形 时 , 斜裂 缝 两 侧 混凝 土 块体 将 产 生 错 动或 相对位 移 。 由于裂 缝并 非光滑 而是 凹凸不平 的, 所以, 在错动或发生相对位移时, 若裂缝宽度不 大 , 就会在裂缝两侧产生机械咬合力。此时 , 构件可 看作是一个设有拉杆的拱结构 , 斜裂缝顶部的残余 截 面为拱顶 , 纵 筋为拉 杆 , 拱 顶至 支座 间的斜 向受 压 混凝土为拱体。当拱顶或拱体强度不足时, 就会发 生斜 截面破 坏 。因此 , 无 腹 筋 构 件受 剪 承 载力 主 要 是由剪压区混凝土、 骨料机械咬合作用和纵筋销栓 作用 来 提 供 。 无 腹 筋 梁 剪 切 破 坏 的 形 式 如 图
18、 1 所示 。 图 1 无 腹 筋 梁 的 剪 切破 坏 Fi g 1 S h e a r Fa i l u r e f o r Be a m W i t ho u t S t i r r u p s 1 1 计 算模型 由于无 腹筋 钢筋混 凝 土构件斜 截面 受剪破坏 过 程非常复杂 , 其受剪承载力 的计算 尚无统一 的理论 模式 , 目前主要根据试验结果进行回归分析 , 得出经 验计算公式。加拿大规范采用的是基于修正压力场 理论 的简化公 式 , 纯粹 的修 正压 力 场 理论 是 针 对均 匀受 剪钢 筋混 凝土 板 的 , 分 析梁 的受 剪 承载 力 时近 似用 于梁 的受拉 区
19、 , 并 认为 受压 区很小 , 对受剪 承载 力的影响可忽略。中国、 美国、 欧洲和加拿大规范中 无腹筋构件受剪承载力的计算公式如下 : ( 1 ) 中国规范 集 中荷 载 一 b h 。 ( 1 ) 均布荷 载 V 一0 7 厂 b h 。 ( 2 ) 式 中 : 为无腹 筋构 件 的受 剪承 载 力 ; 为剪 跨 比, 当 3时 取 一3 ; f t 为混 凝 土抗 拉强 度 ; b为 截 面 宽 度 ; h 。为 截 面有 效 高度 ; 为截 面 高 度影 响 系 数, 一 ( ) 4 , 当 h 。 2 0 0 0 mm 时取 一 2 00 0 mm 。 规 范条 文 说 明 中指
20、出 , 无 腹 筋梁 受 剪承 载力 受 拉钢 筋配 筋率 P的影 响 可 通过 乘 以影 响系 数 来 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 魏巍 巍 , 等 : 钢 筋混 凝土 构件 受 剪承 载 力对 比分析 2 7 体 现 , 一0 7 +2 0 p 。 ( 2 ) 美 国规 范 一 般公 式 为 Vc O 1 + 1 7 2 P w ) b w 9 ( 0 2 9 1 2 _ 厂 6 ) ( 3 ) 简化 公式 为 V 一9 ( 0 1 6 6 2 , 6 ) ( 4 ) 式中: 为普通混凝土修正系数 , 取 1 0 ; 为强度 折减 系数 , 取
21、 0 7 5 ; f c 为混 凝土 抗压 强 度 ; P 为纵 筋配 筋 率 ; Mu 、 V 分 别 为计 算 截 面 的 弯 矩 和 剪 力 ; b 为 截 面 宽 度 ; d 为 截 面 有 效 高 度 ; M ( V d ) 1 0。 ( 3 ) 欧洲 规范 K d 1 一 C R d , c k ( 1 0 0 p f k ) 。 +尼 l 。 6 d ( 5 ) 最小 值为 V R d l 一( o 0 3 5 k k +尼 1 ) b w d ( 6 ) 式 中 : C R d = = = 0 1 8 7 , 7 为混 凝 土材 料 各 项 系数 , 7 取 1 5 ; k一1
22、 + 2 O 0 2 0 ; 系数 k 建 议值 为 0 1 5 ; f c 为混凝土抗压强 度特征值 ; P 为纵筋配筋 率 。 一N A d 0 2 f o , N 为 由荷 载 或 预应 力 产 生 的轴力 ; A 为混 凝 土截 面面 积 。 当荷载 到 支座边 缘 的距 离 n 在 0 5 d a 2 时 , 对 荷 载设 计 值 乘 以 系 数 卢 , p n ( 2 d ) , 当 日 0 5 d时 , 取 a =0 5 d。 ( 4 ) 加拿 大 规范 V 一 J f b w d ( 7 ) 一 Q : 兰 Q 1 P H 5 0 0 e x l O 0 0 + s xo l
23、( 8 ) M +V 3 5 s I 2 E 。 A 。 4 - 1 5 式 中 : 为混凝 土 强度折 减 系数 , 取 0 6 5 ; 对 于 普通 混 凝土 , 一1 0 ; 为考 虑 混 凝 土 开裂 对 抗 剪 承 载力 影 响 的系数 为荷 载 作 用 下 构 件 中高 处 的纵 向应 变 ; d 为截 面有 效受 剪高 度 , 取 0 9 d或 0 7 2 h的较 大值 , h为截 面高 度 ; E。 为钢 筋 弹性 模量 ; A。 为受 拉 钢 筋面 积 ; S 为 考虑 骨 料 粒 径 影 响 的 有 效 裂缝 间距 参数 ; S 为裂 缝 间距 参 数 , 与纵 筋 的裂
24、缝 控 制 有 关 ; 为骨料粒径。 1 2对 比分 析 无腹 筋 构 件 受 剪承 载 力 主 要 与混 凝 土 强 度 、 剪 跨 比 、 纵筋 配筋 率 及构 件 高度 ( 尺 寸 效 应 ) 等 因素 有 关 , 这在各 规 范 的表 达 式 中均 得 以体 现 。为 比较 上 述因素对各规范抗剪强度 的影 响, 选取截 面尺寸为 2 5 0 mm5 0 0 mm, 纵筋配筋率为 1 5 , 混凝土立 方体抗压强度标准值为 3 0 MP a , 剪跨 比为 1 7 5的 标准 简 支梁进 行 分析 。当研究 其 中一个 因素 的影 响 时 , 将 该 因素视 为 变量 , 其 他 因素
25、取 上述值 。 由于 中 国 、 美 国、 欧洲 和加 拿大 混 凝土规 范 采用 的混 凝土 强 度 标 准试 件不 同 , 定 量 对 比时 需 进 行换 算 。按 中国 规 范 以 混 凝 土 立 方 体 ( 1 5 0 I n r n 1 5 0 mI n 1 5 0 ram) 抗压强度标准值 , 为基准 , 分别按式 ( 9 ) 将混凝土立方体抗压强度标准值换算为美国规范中 的圆柱体抗压强度 规定值 和欧洲规范中的圆柱 体抗 压 强度 特 征 值 , , 换 算 考 虑 了试 件 形 状 、 尺 寸 和保 证率 的不 同 , 即 厂 c 一 u Ik ( 1 2 5 l L ( 9
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