源于纵筋面混凝土劈裂的无腹筋板冲切模型.pdf
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1、第 3 3卷 第 z期 Z 0 1 1年 4月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a 1 o f Ci v i l ,Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo1 33 No 2 Apr 2 01 1 源于纵筋 面混凝土劈裂 的无腹筋板 冲切模 型 任 达 , 刘 坚 , 焦楚杰 ( 1 广州大学 土木x - 程学院 , 广州 5 1 0 0 0 6 ; 2 中南大学 , 土木建筑学院, 长 沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘 要 : 以_ r - 程 中常见 的配 筋
2、率较 大( 0 8 5 ) 、 厚度 较 小( 1 2 0 mm) 的板 为对 象, 通过 对 冲切破 坏 特征 的观 察分析 , 假 定 沿纵 向钢 筋 平 面 , 混 凝 土劈 裂 所致 的 纵 筋销栓 失效 为连 锁破 坏 源 , 建 立 了新 的错动 冲切模 型 并推 导 了上 限解 。研 究发 现 , 与 按搜 集到 的构 件 样 本 总体 分 析 结 果 相 比 ( 均 值 为 1 0 7 2 , 变异 系数 为 0 2 5 0 ) , 符 合上 述特征 的试件 组 , 其冲切 承栽 力理论计 算值 和试验 观测 值之 比的 均值 变化不 大( 为 1 0 1 7 ) , 而变异
3、系数 有 显著 降低 ( 为 0 1 8 4 ) , 说 明所 作假 定 及 所建模 型 用 于描 述 该类板 的受 力行 为是 合适 的 。 关键 词 : 混凝 土板 ; 冲切 ; 模 型 ; 腹 筋 ; 承 载力 中图分类 号 : T U3 7 5 2 文献标 志码 : A 文章编 号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 O l 1 ) 0 2 0 0 2 4 0 4 M o d e l i n g o f Pu n c h i n g Fa i l u r e I ni t i a t e d b y Co n c r e t e S p l i t t i ng a t Lo
4、n g i t u di n a l Ba r Le v e l f o r S l a b s wi t h o u t s he a r r e i nf o r c e m e n t 尺E v Da 。 Lf U J i a n , J I A0 Ch u J i e ( 1 Sc h o ol of Ci v i l En gi ne e r i ng,Gu a ng z ho u Uni v e r s i t y,Gu a ng z h ou 5 1 00 06,P R Chi n a; 2 Sc ho ol o f Ci vi l a nd Ar c hi t e c t ur
5、 a l En gi ne e r i n g,Ce nt r a l s ou t h Uni v e r s i t y,Cha n gs h a 41 00 75,P RCh i n a ) Ab s t r a c t : A n e w p u n c h i n g f a i l u r e mo d e l h a s b e e n d e v e l o p e d f o r t h i n n e r s l a b s( 1 2 0 mm t h i c k )y e t wi t h a l a r g e r r e i n f o r c e me n t r
6、a t i o ( O 8 5 ) On t h e a s s u mp t i o n t h a t t h e t r i g g e r o f u l t i ma t e f a i l u r e i s t h e l o s s o f d o we l a c t i o n c a u s e d b y c o n c r e t e s pl i t t i n g a l o n g t he h o r i z o n t a l s ur f a c e a t l o n g i t ud i n a l b a r l e v e l ,a n e q u
7、 i l i b r i u m e q u a t i o n wa s e s t a b l i s h e d a nd a n u p p e r - b o u n d s ol u t i o n wa s o bt a i n e d Th e c o mp u t a t i o n o f p u n c h i n g s h e a r c a p a c i t y s h o ws t h a t f o r a t o t a l o f 1 9 4 s p e c i me n s c o l l e c t e d,t he me a n a n d t he
8、 c o e ffi e i e n t o f v a r i a t i o n a r e 1 0 7 2 a n d 0 2 5 0 r e s pe c t i v e l y As f o r t h e 1 1 6 me mb e r s( o u t o f a l l 1 9 4 o n e s ) wi t h t h e a b o v e c h a r a c t e r ,i t i s f o u n d t ha t t h e r e i s l i t t l e c h a n g e o f t h e me a n( e q u a l t o 1 0
9、 1 7 )y e t a n a p p a r e n t d e c r e a s e i n t h e c o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n( e q u a l t o 0 1 8 4 ) ,wh i c h j u s t i f i e s t h e p r o p o s e d hy p o t h e s i s a n d r e f i n e d mo d e i n e s t i ma t i n g p u nc hi n g r e s i s t a n c e o f s u c h me mb e
10、r s Ke y wo r d s: c o nc r e t e s l a bs ;pun c h i ng;m o d e l ;s he a r r e i nf or c e me n t ;s t r e n gt h 混 凝土板 主要 用 于传 递 面 上 的荷 载 , 其 承 载 力 一 般可从 弯 曲和剪切 两方 面来考 虑 。相对 于板 的弯 曲而言 , 人们对 于剪 切 问题 的认 识 还 很 不 足 。从 上 世纪初 Ta l b o t 基 础板 试验起 , 板 的 剪切 研 究持 续 了 百 年 。早 先 的研 究 多 以试 验 为主 , 涉 及 的 参 量 范 围
11、 较广 , 包括 混凝 土强度 、 配筋 率 、 构 件尺 寸 、 控制 截 面 周长 、 轻骨料 、 钢纤 维等 等 , 其后 还 出现 了借 助钢 板 、 高性 能纤 维增 强复合 材料 ( F R P ) 等对 板进 行抗 冲切 加 固方 面 的探 索口 , 但 多 限 于定 性 分 析 , 或 仅对 数 据作简单回归, 所得公式缺乏物理意义。理论工作 主要 包括极 限 平衡 法 、 弹 塑 性 理论 及 能 量 原 理 的运 用 , 辅 之 以有 限元 法 等数 值 分析 手 段 等 。 , 问题 在 于 , 剪 切机理 仍不 完全 清楚 , 模 型假 设 与构 件实 际破 坏 过程
12、、 表现 特征存 在诸 多偏 离 , 精 度有 限 或失之 繁 收 稿 日期 : 2 0 1 0 1 1 - 2 3 基 金项 目: 国家 自然科学基金项 目( 5 0 7 0 8 0 2 2 ) ; 建设部科 研开发 项 目( 1 0 一 K3 2 7 1 0 K 4 1 8 ) ; 广州 市属高校“ 羊城 学者” 科 研 项 目( 1 0 A0 4 3 G) 作者简介 : 任达 ( 1 9 7 4 一 ) , 男 , 博士生 , 主要从事 混凝 土结构理论与工程应用研究 , ( E ma i l ) r e n d a 2 0 0 9 9 1 2 6 c o rn。 学兔兔 w w w .
13、x u e t u t u .c o m 第2 期 任达 , 等 : 源 于纵 筋 面混 凝土 劈 裂的 无腹 筋板 冲切 模 型 2 5 复 。在 寻求一 般 解 析 解 有 困难 的情 况 下 , 若 能 着 眼 工程 中大 量存 在 、 具有 某些 典 型特 征 的 板 , 从破 坏 特 征 出发建 立更 符 合 实 际受 力 行 为 的理 论 模 型 , 不 仅 可用 于估 计此 类 板 的 冲切 承 载 力 , 对 一 般 板 破 坏 机 理 的研 究 亦有 重要 参 考价 值 。 城市 建筑 工 程对层 高 往往 有 限制 , 为节 省 空 间 、 获取最 大 净空 高度 , 常
14、采用 无 梁楼 盖 结 构形 式 , 与 基 础板相 比其 楼 板 厚 度 往 往 不 大 、 纵 筋 配 筋 量 较 大 。 对具 有这 种特 征 的板 , 从 其 实 际破 坏 特 征 出 发 探 讨 抗 力机 制 , 并依 据 塑性极 限理论 建 立 相应 的模 型 , 最 后 与 国 内外文 献报 道 的大 量试 验结 果进 行 比较 。 1 冲 切 破 坏 的机 构 特 征 任 何结 构及 构 件在 破坏 时 可能 形 成 的机 构 分 为 两类 : 串联 机构 和 并 联 机 构l_ 1 。前 者 各 部 分 形 如 链 条 串联 , 例 如轴 心受 拉杆 件 , 某个 截 面 失
15、 效 即意 味 着 整 体破 坏或 断链 ; 后 者 各部 件 以并 联 方式 构 成 , 只 有 全 体部 件都 失效 才 导致 机 构发 生破 坏 。若 将 塑 性 铰 看 成局 部 破 坏 , 超 静 定 框 架 或 连 续 梁 等 当 属 此 类 。 框 架梁 首 个塑 性 铰 形 成 后 , 由于 塑 性 铰 能 够 维 持 抵 抗 弯矩 , 结 构还 能进 一 步增 荷 , 直到 其 它 部位 相 继 出 现 塑性 铰 , 形成 机 动 体 系 ; 就 冲 切 破 坏 而 言 , 外 荷 产 生 的剪 力 由冲切 斜 锥 面 上 的 剪 压 区混 凝 土 、 骨 料 咬 合 作用
16、、 纵筋 销栓 等 3者 共 担 , 任一 部 分 破 坏后 立 即 将剪力卸给其余部分 , 直至各部分均破坏并致整体丧 失 承载 力 , 故 从 本 质 上 说 , 冲 切 截 锥 面属 并 联 机 构 。 冲切 锥面又 有 其 特殊 性 , 带 有一 定 的串联 特 征 , 这 一 概念 对于抗 冲切构模 十分重 要 。对 于抗 冲切 机制 , 任 何部 分在失效 软化后 都会 瞬即退 出工 作 , 原有 负荷 被 迫向其余部分转移, 这些部分可能在瞬间因不堪重负 而发 生连锁 破 坏 , 致使 破 坏 锥从 母 体 冲脱 。 因此 , 连 锁破坏开始时的状态应视为极 限状态 , 其荷载即
17、为极 限荷 载 , 构 建 冲 切 强 度 计 算 模 型 必 须 以此 状 态 为 基 础 , 将 连锁破坏 起始时 刻的抗力 视为极 限承载力 。 2 源 于纵筋 面劈裂错动 冲切假 说 以往 的塑性 分 析 通 常 假 定 , 破 坏 机 构 沿 斜 截 面 发生 相互 错 动 , 分 析 表 明 , 与 这种 错 动机 构 相应 的破 坏 面上 的正应 力 恒 不 为拉 l 】 , 因此 传 统 的错 动 模 型 所描 述 的是 剪 压 破 坏 , 而 不 是 剪 拉 破 坏 。剪 压 破 坏 的本 质 是剪压 区 的混 凝 土达 到 复合 受 力极 限 状 态 , 根据 上述 连锁
18、破坏 概 念 , 这等 于认 为 : 试 件 的破 坏 源 于剪 压 区未裂 混凝 土 部分 的失 效 。然 而 通 过对 冲切 破 坏 后截 锥体 的 观测 , 发 现从 距 柱 周 约 2 h 。 ( h 。为 有 效 板厚 ) 的 冲切锥 扩底起 , 向外 沿纵 筋 平 面 常存 在 水 平 劈 裂段 a e ( 图 1 ) , Gu a n d a l i n i 等_ 4 亦 在试 验 中观 察 到这 一现 象并 做 了细 致 的 描 述 , 其 6块 足 尺 系 列 板 的截 面 图较为 清楚 的反 映 了上述 事 实 。且 当板 的 配 筋 率较 大 , 板厚 较小 时 , 这种
19、 特征 似 更为 明显 。 图 1 源 于 纵 筋 面 混 凝 土 劈 裂 的 冲 切 模 型 其原 因可从 混 凝 土 构 件 粘 结 破 坏 机 理探 讨 : 首 先 , 当纵 向钢 筋 配 筋 量 增 大 后 , 板 内纵 筋 间距 变小 , 这使 得各 相 邻纵 筋周 围的混凝 土 劈裂 裂 缝 之 间相 互 连通 所需 的发展 路径 变短 , 即更 易贯 通 , 对 那些 处 于 纵筋 平 面 内或其 附 近的 裂缝来 说 尤 甚 ; 其 次 , 当单 位 板 宽所受 的弯矩 一定 时 , 与厚 板相 比 , 薄 板 因有 效 厚 度较 小 , 用于 抵抗 弯矩 的力臂 也相 应 较
20、短 , 板 内纵筋 受 到 的拉 力 会更 大 , 使 变 形 钢 筋对 周 围 混 凝 土 的 径 向挤 压作 用 更强 , 更利 于 径 向裂缝 的开展 与 延 伸 , 当 临界 斜裂 缝 发展 到纵 筋 位 置 时 , 极 易 与 这些 已有 裂 缝 通 连 , 因而 , 此 时混 凝 土板较 易 沿纵 筋 平 面发 生劈 裂 。相对 而 言 , 基 础板 一般 配筋 率 较 小 , 有 效 厚 度较 大 , 加 之板 面 作 用有 下部 土 体反 力 产 生 的横 向压 应 力 , 一 定 程度 上 阻碍 了劈裂 的形 成 , 上 述 现象 较 难 出 现 。 由此 推测 , 对 于配
21、 筋率 较 大 的薄板 , 破 坏 截 锥体 的形成 可 能始 于纵 筋 平 面 内混 凝 土 的 水 平 劈 裂 , 并 直 接 导致 钢筋 销 栓 失 效 , 其 负荷 被 迫 向其 余 部 分 转 移 , 进 而触 发 连锁破 坏 。从 破坏 机 理看 , 它 是 以纵 筋 销 栓 失效 作 为破 坏 源 , 而 不 是 剪 压 区混 凝 土 的开 裂 软 化 , 与传 统模 型 描述 的情 况不 同 , 因此建 立 模 型应 以纵筋 平 面 内 , 混凝 土 即将 开 裂 而 未 裂 时 的受 拉 极 限状 态为依 据 。针 对具 有 上 述 构 造 特 征 的板 , 由试 验 表征
22、及机 理 分 析 , 提 出源 于 纵 筋 面 混 凝 土 劈 裂 的 错 动 冲切模 型 , 并作 假定 : 1 ) 破 坏 面构 成 在几 何 上 , 该 破坏 模 型假定 冲 切破 坏面 是 由两 段 直线 ( 斜 直 段 与水 平段 , 分 别对 应 图 l中 O a与 a e 段 ) 构成 的折 线 以柱 边为 流 动准线 ( 图 1 点 O的轨 迹 ) 回转 而成 的 周 界 面 ; 2 ) 运动 特征 以此 破 坏 面为 界 , 将 板分 成 冲 切破 坏锥 和外 部 冈 0 域 2部 分 , 错 动 发 生 时 , 破 坏 锥 沿 与板 面垂 直方 向相对 于外 部 刚域产 生
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