高强混凝土梁抗剪性能研究现状及展望.pdf
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1、2 0 1 2 年 第 7 期 (总 第 2 7 3 期) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 2 ( T o t a l N o 2 7 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEoRETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 7 0 1 6 高强混凝土梁抗剪性能研究现状及展望 蔡静。贾金青 ( 大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要: 改善高强混凝土梁的抗剪性能对提高结构安全性具有重要意义。 总结了近十
2、几年来国内外对高强混凝土梁、 型钢高强混凝土梁 及预应力高强混凝土梁抗剪性能的研究现状及存在且亟需解决的主要问题。 结合预应力钢筋、 型钢和超高强混凝土的优点, 对预应力型钢 超高强混凝土梁的可行性及优越性进行了展望。 关键词: 高强混凝土;型钢高强混凝土; 抗剪性能 中图分类号 : T U5 2 8 3 1 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 4 9 0 2 Res e ar ch s t a t us a nd pr os pe c t of s he a r b eha v i o r o f hi gh s t r
3、 en gt h r ei n f or c e d c onc r e t e be am CAIJ i n g, J I AJ i n - q i n g ( S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo f C o a s tal a n dOff s h o r eE n g i n e e r i n g , Da l i a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , D a l i a n 1 1 6 0 2 4 , C h i n a ) Ab s t r a c t : I mp r o ving t h
4、 e s h e a fin g p e rfo r m a n c e o f h i g h s tr e n g t h c o n c r e t e b e a m h a s s i g n i fic a n c e f o r i n c r e a s i n g th e s t r uc t u r a l s e c u r i t y S u mma r i z e s s tat u sq u o o fs t u d yo n s h e a r b e h a v i o ro f hi g h - s t r e n g t h r e i n f o r c
5、 e d c o n c r e t eb e a m , s t e e l r e i n f o r c e dh i g h - s tre n g t h c o n c r e t eb e a m an dp r e s t r e s s e d h i g h s t r e n g t h r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m o v e r the l ast d e c a d e Th e e x i s t i n g p r o bl e ms we r e a l s o p r e s e n t e d Ba
6、 e e d o n t h e a d v an tag e s o fp r e - s t r e s s e d s e c t i o n s t e e l and s u p e r h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e , the p r a c t i c a b i l i ty a n d the s u p e r i o ri ty o f t h e p r e s tr e s s e d and s t e e l r e i n f o r c e d s u p e r h i gh s tr e n g t h
7、 c o n cre t e b e am i s p r o s p e c t e d Ke vwo r d s : h i gh s tr e n g t h c o n c r e t e ; s t e e l r e i n f o rce dh i gh- s t r e n g t hc o n c r e t e ; s h e a r b e h a v i o r 0 引言 高强混凝土利用其强度高 、 早强性 、 变形小、 耐久性能好 、 经济效益显著等优点 , 被广泛的应用于高耸建筑和大跨重载等 结构体系中, 然而, 高强混凝土在受压时表现出明显的脆性 , 因 此如何提
8、高其延性及高性能化成为当代高强混凝土应用研究 的热点。 近几年通过对几次较大地震的震害分析发现: 在地震作 用下钢筋混凝土结构构件更容易发生剪切破坏。 鉴于目前高强 钢筋混凝土构件抗剪试验数据比较匮乏以及计算理论的不完 善 , 导致许多力学特性没有明确地解决, 因此各国仍沿用普通 强度钢筋混凝土构件抗剪承载力的设计原理。 为了确保使用该 种高强度材料的安全度, 采用了比普通强度钢筋混凝土构件更 大的安全系数或者是规定了材料强度的上限【1 】 , 但由于抗剪破 坏机理过于复杂、 影响因素较多 , 造成了各国规范关于抗剪承 载力计算方法难以形成统一的理论体系。 总结了高强混凝土 梁 、 型钢高强高
9、性能混凝土梁以及预应力高强混凝土梁抗剪性 能的研究现状 , 并结合以上各种形式的梁的优点分析了预应力 型钢超高强混凝土梁抗剪研究的意义和可行性。 1 高强钢筋混凝土梁抗剪性能的研究 高强混凝土具有高强度等优良的力学性能, 在工程中能够 减少混凝土的用量, 可节约大量不可再生的宝贵资源, 有利于 环境的保护, 具有十分可观的经济效益。 目前该材料已经在现代 收稿 日期 :2 0 1 2 - 0 1 - 2 7 基金项 目:国家 自然科 学基金项 目( 5 1 0 7 8 0 5 9 ) 工程领域中被广泛应用, 针对高强混凝土梁的抗剪性能的研究, 国内外学者做了大量工作。 重庆大学的李立仁等闭 ,
10、 做了 1 8根超高强混凝土有腹筋约 束梁集中荷载作用下的剪切试验, 定性的分析了试验中梁的抗 剪强度随混凝土强度和配箍特征值的增大而增大, 随剪跨比的 增大而减小。 由于当时缺少超高强混凝土无腹筋梁的对比试 验, 该公式的第一项, 沿用了 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ( 混凝土结构设 计规范 抗剪公式中的第一项, 而公式中混凝土强度的上限为 C 8 0 , 没有考虑混凝土强度的提高对抗剪承载力的影响, 因此该 公式不够准确 。 李欣3 进行了 1 8 根超高强混凝土无腹筋梁( 包括 9根简支 梁和 9 根约束梁) 在集中荷载下抗剪强度的试验研究, 在文献【 2 的基础
11、上讨论了约束情况对构件抗剪强度的影响。 结果表明, 简支梁抗剪强度高于约束梁, 但是随着剪跨 比增大 , 简支梁与 约束梁抗剪强度逐渐接近, 并依据对试验数据的回归分析分别 得出了集中荷载作用下强度范围在 C 8 0 - C1 1 0 超高强混凝土无 腹筋简支梁和约束梁的抗剪强度公式。 然而由于试件数量较少且 无腹筋梁在破坏时有很大的偶然性, 该公式的可靠度难以保证。 湖南大学的潘柏荣嗍 进行了 1 2根无腹筋梁和有腹筋梁的 剪切破坏试验, 其混凝土强度、 剪跨比等因素对梁抗剪性能的 影响与文献【 2 3 相同; 此外原文建立了考虑软化的压杆一拉杆 桁架模型的抗剪理论, 据该模型所推导的计算公
12、式能较好地符 合试验结果。 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m Y o o n等 做了 3 组混凝土圆柱体抗压强度分别为 3 6 、 6 7 、 8 7 MP a的 1 2 根有腹筋梁的剪切试验, 发现最小配箍率应随着 随着混凝土强度的增大而相应提高。 K o n g等6 1 进行了集中荷载 作用下高强混凝土有腹筋梁的剪切试验, 试验表明: 梁受剪承 载力随配箍率及纵向配筋率增加而增加 , 当剪跨 比在大于 2 5 后对抗剪强度影响较小等。 C l a d e r a tn 等在文献 5 6 】 的基础上进 一 步探讨了最小配箍率对高强混凝土抗剪承载力的影响
13、比普 通混凝土大, 给出了箍筋的最小配筋面积随混凝土强度变化的 计算公式 , 同时根据修正压力场理论对试验值进行对比, 结果 吻合良好, 从而进一步验证了修正压力场理论对抗剪承载力计 算的准确性 。 由于抗剪机理的复杂性、 统计分析法的局限性以及出于对 构件安全考虑的需要 , 随着计算机技术在土木工程领域的应用, 非线性有限元分析已经成为复杂结构分析的一种重要方法。 重 庆大学的冯宏【 对文献 2 的试验过程进行了模拟, 验证了非线 性有限元程序用于模拟超高强混凝土有腹筋梁抗剪试验过程 的可行性。 此外 , 哈尔滨工业大学的林懋1 根据修正压力场理 论, 用 Ma t l a b计算程序对混凝
14、土强度、 纵筋率、 截面有效高度的 表达式进行修正, 推导出超高强混凝土元腹筋梁受剪承载力计 算公式。 经过对比发现基于修正压力场理论的抗剪公式的精度 较高。 综上所述, 对于梁的抗剪因素的研究主要有: 混凝土强度、 剪跨 比、 腹筋和腹筋强度 、 纵筋配筋率、 截面尺寸等。 其中腹筋 和腹筋强度是诸多因素中的主要因素, 同时高强钢筋和高强混 凝土的配合使用逐步得到推广, 但是目前对于这方面的工作进 行的比较少9 _ 1 0 。 抗剪机理理论主要有 : 桁架模型 、 桁架一 拱模 型、 压力场理论 、 极限平衡理论、 统计分析法和有限元分析法 等, 其中压力场理论和桁架一 拱模型理论能够较准确
15、的反映抗 剪机理, 有限元分析法对于复杂结构的抗剪分析有其优越性, 但 因抗剪机理的复杂性, 仍难以形成统一的理论体系。 2 型钢高强钢筋混凝土梁抗剪性能的研究 高强高性能混凝土虽然在强度和耐久性等方面均优于普 通混凝土, 但存在脆性大、 延性差的缺点; 型钢混凝土组合结构 因其承载能力高、 刚度大、 截面尺寸小和良好的抗震性能 , 已在 大跨度桥梁与高层 、 超高层建筑等重要工程中得到广泛应用【1 1 】 。 型钢与普通混凝土之间的黏结力较小, 而将型钢混凝土与高强 高性能混凝土结合起来形成的型钢高强高性能混凝土梁, 能够 提高黏结力, 改善其承载力, 既能充分发挥型钢中钢材的力学 性能 ,
16、 又能克服高强混凝土延性差的缺点, 在工程上具有重要 的意义 。 西安建筑科技大学的郑山锁等【 2 1 进行了 1 0 榀型钢高强高 性能混凝土简支梁的抗剪试验 , 试验结果表明 : 型钢高强高性 能混凝土梁的受力破坏过程与普通型钢混凝土梁类似, 均分为 初裂、 裂缝开展和破坏 3个阶段 ; 梁的抗剪承载力在一定范围 内随着混凝土强度和含钢率的增加而提高, 随着剪跨比的增加 而降低 ; 提出了桁架一 拱模型作为梁斜截面计算的简化模型, 参 考我国现有的两本型钢规程 , 根据试验数据回归了型钢高强高 性能混凝土梁的抗剪公式。 该公式将 J G J 1 3 8 2 0 0 1 型钢混凝 土组合结构
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