铁路桥梁钢筋混凝土构件抗剪设计方法分析比较.pdf
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1、2 0 1 2年第 4期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 3 3 文章 编号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 3 3 0 4 铁 路桥 梁钢筋 混凝 土构 件抗 剪设计方 法分 析 比较 张园 园 , 贡金 鑫 , 刘晓光 , 张玉玲 ( 1 大连理工大学 土木工程 学院 , 辽 宁 大连1 1 6 0 2 4 ; 2 中 国铁道科学研究 院 铁 道建筑研究所 , 北京1 0 0 0 8 1 ) 摘 要 : 对我 国铁 路桥 涵设计 规 范 T B 1 0 0 0 2 3 2 o 0 5 , 美国铁路 工程
2、协会 标 准 A R E MA和 欧洲桥 梁设 计 规 范 E N 1 9 9 2 - 2 : 2 0 0 5中, 铁 路桥 梁钢 筋混凝 土 构件 受剪 承 载 力 设 计 方 法进 行 了比较 。 分析 表 明 , 我 国规 范和 A R E MA使 用荷 载 法的设 计 方法 与容许 应 力的 规 定基 本 相 同。A R E MA 荷 载 系数 法 采 用 定 角桁 架 模 型 , 剪应 力 由混凝 土和 箍 筋共 同承担 , 欧洲 规 范采 用 变 角桁 架模 型 , 受剪 承 载 力 由箍 筋 屈服 时剪 力 和 混凝 土压 杆压 碎 时剪 力的 较 小值 确 定 。按 美 国 A
3、 R E MA使 用荷 载设 计 法和荷 载 系数 设 计 法计 算 的构 件 受剪 承载 力基 本持 平 。 关键 词 : 铁 路桥 梁钢 筋混 凝 土 受剪设 计 方法规 范 中图 分类 号 : U 4 4 2 5文献 标 识码 : A 在剪力和弯矩共同作用下 , 钢筋混凝土受弯构件 可能会发生斜截面剪切破坏 , 因此斜截 面受剪承载力 设计非常重要。 目前 国内外规范采用的钢筋混凝土结 构设计理论 不 同 , 构 件受 剪承 载力计 算方 法也 不 同。了解 国外规范与我 国规范 的区别 , 对我 国铁路桥 梁设 计 方法 的发 展 和规 范 的修订 具有 重要 意义 。本 文 对 我
4、国铁 路 规 范 T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 , 美 国铁 路 工 程 协会标 准 A R E MA , 欧洲规 范 E N 1 9 9 1 1 1 : 2 0 0 4 4 3 和 E N 1 9 9 2 2 : 2 0 0 5 中, 钢筋混凝 土构件的受剪设计 方法 进行 了分析 和 比较 。 1 我 国规范容 许应 力法 与 美 国规范 使用 荷 载 法 的比较 钢筋混凝土构件的剪切破坏是弯矩和剪力共同作 用下 的破坏 。与受弯破坏相比, 具有脆性破坏的特点 , 因此构件受剪承载力的计算非常重要。对于受剪承载 力设计 , 我国规范采用容许应力 法 , 美 国标准 A R
5、 E M A 提供 了使用荷载法和荷载系数法两种方法 , 我 国规范 的容许应力法与美国标准的使用荷载法基本相同。美 国标准规定的混凝土容许剪应力 为 0 0 7 9 以 ( 不 大 于 0 6 6 MP a ) , 混 凝 土 与 箍 筋共 同 承 担 剪 应 力 时 不 超过 + 0 3 3 以 。 两规范规定的受剪承载力设计表 达式和容许应力如表 1所示 , 美 国标准混凝土强度 收稿 日期: 2 0 1 1 0 9 - 2 1 ; 修 回日期 : 2 0 1 1 1 2 2 3 基 金项 目: 铁道部科技 开发计 划项 目( 2 0 1 0 G O 0 1 - C ) 作者 简介 :
6、张园园( 1 9 8 7 一) , 女 , 山东济南人 , 硕士研究生 。 与立方体强度 的换算关 系见文献 6 。由表 1可见 , 我 国规范 和 美 国标 准 规 定 的 由混 凝 土 承 担 的 剪 应 力 ( o r , 与 u ) 及混凝土和箍筋共同承担的剪应力容 许值( 与 + 0 3 3 以 ) 均较为接近。不同点 是 : 计算混凝土剪应力时我 国规范只考虑内力偶之 间混凝土 的抗剪作用 , 美 国标准考虑混凝土受压外缘 到受拉钢筋中心之间混凝土的抗剪作用 , 荷载和截面 特性均相 同的情况下 , 按我 国规范计算的剪应力 大于 按美 国标准计算的值 ; 我 国规范规定 , 当构
7、件所有截 面应力均大于 or 时 , 需修改截面尺寸或提高混凝 土强度 ; 当构件所有截面应力均小于 or : 时, 可不 进行抗剪强度检算 , 按构造要求配置箍筋 , 否则剪应力 超过 , 的部分 由箍筋或斜 筋承担 。美 国标 准规 定 , 剪应力超过混凝土容许剪应力时 应 配置箍筋 , 需要 的箍 筋按 下式 计算 s ( s i n t +c o s ) 式中, 为箍筋面积 ; s 为箍筋间距 ; 为箍筋容许应 力 ; O t 为箍筋与梁轴线的夹角。 对于 T形截面受弯构件 , 我 国规范规定 还需验算 板与梗相交处 ( 图 1的截面 I I 和 I 一I ) 的剪应力 , 计 算公
8、式 如下 , C r =r J1 r ( 2 ) I l f 0 式 中, r 为梗 内中性轴处 的剪应力 ; r 为纯剪 时混 凝土的容许应力 ; h ; 为截面 I I 或 I 一I 处的翼缘高 度 ; S 为截面 II 和 I 一I 以外部分面积对 中性轴的 面积矩 ; S为中性轴 以上部分面积对 中性轴的面积矩。 3 4 铁道建筑 A p r i l , 2 0 1 2 注 : V为计 算 剪力 ; 6为截 面 宽度 ; 为 内力偶 的力 臂 ; d为受压 外缘 至受 拉钢 筋 中心 的距 离 ; 也 可 由公 式详 细计 算 : V = o 0 7 5 + 7 5 o V d , 式
9、中 , M为同 一截面的 剪力和弯矩,p 为纵筋配筋率。 受剪承载力取拉杆箍筋屈服时的剪力和混凝土压杆压 碎时剪力的较小值 , 设 计 中可假定 0的值或取 = V R 求得 0的值 。 欧洲规范要求考虑剪力在受拉钢筋中产生的附加 图 1 上翼 缘应力检算示意 2美国标准荷 载 系数法 与 欧洲规 范极 限状 态 法的 比较 美 国标 准 荷载 系数法 和 欧洲规 范抗 剪设计 均是 以 桁架模型为基础 的。美 国标准采用 的是定角 桁架模 型, 假定混凝土斜压杆倾角为 4 5 。 , 而欧洲规范采用 的 是变角桁架模 型, 混 凝土斜 压杆倾 角在 2 2 5 。 0 4 5 0 。 范围内
10、取值 。两规范采用的桁架模型如 图 2 所示 , 受剪承载力计算公式见 表 2 。美 国标准荷载系 数法中规定 的构件受剪承载力分为两部分 , 由混凝土 承担的剪力和由箍筋承担 的剪力 ; 欧洲规范规定构件 拉力 , 见 图2 , 附加拉力 F 按下式计算 A F =0 5 V e d ( c o t Oc 0 t ) ( 3 ) 该 拉力 由构 件上 部 的 受压 钢筋 平 衡 , 而受 拉 钢 筋 应 满足 + 一 M E d , m a x ( 4 ) 式 中, 为与 对应的弯矩 ; 为构件承受的 最 大弯 矩 。 另外 , 同我 国规范 一 样 ( 式 2 ) , 对 于 T形 截 面
11、 , 欧 洲规范要求对腹板和翼缘交界处进行抗剪验算 。一边 的翼缘 与腹 板 的纵 向剪应力 按 下式 确定 Y E d= A F ( , ) ( 5 ) 单位长度内的横 向钢筋面积 A r s , 按下式计算 s =V E d h s ( 厶 c o t O ) ( 6 ) 受压翼缘 2 l ( a ) 美国标准 ( b ) 欧洲 规范 图 2 美国标准和欧洲规范采用的受剪承载力桁架模型 寸 引 2 0 1 2年 第 4期 铁 路桥梁钢筋混凝 土构件抗剪设计方法分 析 比较 3 5 表 2 美国标 准荷载 系数法和 欧洲规范规定 的受 剪承 载力计算公式 注 : V 为截 面乘系数的剪力 ;
12、 咖为强度折减 系数 ; b 为压杆 和拉杆的最小宽度 ; 为 内力 臂 , 近似取 为0 9 d ; 0 为混凝土压杆 的水 平 夹角 ; a为纵筋的水平夹角 ; d 为系数 , 对钢筋混凝土构件取 1 0 ; 。=0 6 ( 1 一 厶 2 5 0 ) ; A 为箍筋 截面面积 为箍筋屈服强度 设计值 ; s 为箍筋间距 ; 其 它参数定义见表 1 。 为防止翼缘压坏 , 还应满足下列条件 Ed d s i n 0 c o s 0 ( 7 ) 式 中, , 为翼缘与腹板交界处的翼缘厚度 ; A x为所考 虑 的 长度 , 见 图 3 ; F 为沿 翼 缘 长 A x内法 向 力 的 变 化
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