混凝土梁受剪理論方法研究

李明 劉立群 馮浩雄

摘 要： 混凝土梁受剪影響因素較多，受剪理論研究方法也很多，總結(jié)歸納了目前受剪理論常用方法以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，分析表明拉壓桿模型是研究混凝土梁的受剪理論的最優(yōu)方法。

關(guān)鍵詞： 混凝土梁;受剪理論;方法

【中圖分類號(hào)】TU375 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.075

1 引言

混凝土構(gòu)件的受剪影響因素較多，離散性大，在受力分析時(shí)其抗剪問(wèn)題復(fù)雜，混凝土開(kāi)裂后的應(yīng)力重分布難以確定，受剪機(jī)理不明確。國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量試驗(yàn)，對(duì)鋼筋混凝土梁的受剪性能和抗剪承載力主要影響因素進(jìn)行了大量而深入的研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土梁的受剪承載力主要由五部分構(gòu)成：剪力作用下未開(kāi)裂的剪壓區(qū)、開(kāi)裂界面處骨料之間的摩擦及咬合、裂縫處混凝土的殘余拉應(yīng)力、梁內(nèi)部縱向鋼筋提供的銷栓力、裂縫處箍筋提供的拉力，鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的抗剪承載力主要受混凝土抗壓強(qiáng)度、縱筋率、剪跨比、配箍率以及截面尺寸效應(yīng)等影響。預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受剪性能與破壞特征與鋼筋混凝土梁的相似，但施加預(yù)應(yīng)力后裂縫開(kāi)展、破壞形態(tài)和受剪承載力都會(huì)發(fā)生變化[1]。預(yù)應(yīng)力混凝土梁在工程設(shè)計(jì)中大都采用半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法，隨著預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的大量應(yīng)用，對(duì)其受剪性能的研究也顯得更為重要。

國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)混凝土梁受剪理論進(jìn)行深入研究，提出的混凝土梁剪切破壞的分析方法，主要有以下5 種：（1）極限平衡法;（2）統(tǒng)計(jì)分析法;（3）桁架理論;（4）非線性有限元分析法;（5）塑性理論。

2 受剪理論方法研究

2.1 桁架理論

混凝土梁在集中力作用下出現(xiàn)斜裂縫后，梁整體被斜裂縫分割成若干塊斜向受力的斜壓桿，箍筋將混凝土斜壓桿連接起來(lái)，將構(gòu)件承受的剪力傳遞到支座中，這就是混凝土在剪力作用下的析架模型。

在隨后的研究中，桁架理論有了進(jìn)一步發(fā)展，先后出現(xiàn)了45°桁架模型、變角桁架模型、塑性桁架模型、壓力場(chǎng)理論、修正壓力場(chǎng)理論、桁架-拱模型、轉(zhuǎn)角析架模型和定角軟化析架模型等理論。但是對(duì)于普通鋼筋混凝土深梁和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土深梁的受剪計(jì)算還沒(méi)有通用的計(jì)算方法，在分析預(yù)應(yīng)力混凝土深梁受剪承載力方面也存在明顯不足。

2.2 非線性有限元方法

計(jì)算機(jī)以及云空間技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展使得人們?cè)诜治龃笮徒Y(jié)構(gòu)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)中工作量大大減少，同時(shí)也有利于廣大研宄人員更精確的分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)行為，因此，非線性有限元分析方法逐漸成為分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的重要方法。該方法可以較準(zhǔn)確的分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件在復(fù)雜受力狀態(tài)時(shí)性能。

在有限元分析中，采用高階單元將使分析結(jié)果與實(shí)際更加接近，但同時(shí)增加了計(jì)算量和計(jì)算難度。因此，基于分析目的合理選擇分析單元和數(shù)值積分方法顯得尤為重要。通過(guò)研究表明：在采用修正壓力場(chǎng)理論和割線剛度的算法用于分析結(jié)構(gòu)時(shí)，采用較密的網(wǎng)格和低階有限單元，同樣可以獲得精確的結(jié)果[2]。

2.3 拉壓桿模型

鋼筋混凝土構(gòu)件截面計(jì)算絕大部分都是基于平截面假定的，但實(shí)際上很多情況下，截面在荷載作用下并不符合平截面假定，拉壓桿模型適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中不符合平截面假定區(qū)域的設(shè)計(jì)。

拉壓桿模型是采用結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力流來(lái)表示構(gòu)件的傳力機(jī)理，是基于塑性下限理論的設(shè)計(jì)方法。該模型由鋼筋拉桿、混凝土壓桿、混凝土節(jié)點(diǎn)區(qū)三部分組成，如圖1所示，其極限承載力也由這三部分的承載力組成，每一桿件單獨(dú)承受各自的荷載，當(dāng)實(shí)際應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力后，桿件即失效破壞，然后靜定模型也將破壞。當(dāng)外荷載作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)，受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂前，結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一系列相互聯(lián)系的壓應(yīng)力區(qū)與拉應(yīng)力區(qū);受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂后，結(jié)構(gòu)又形成一個(gè)非常復(fù)雜的受力體系，由受拉鋼筋與受壓區(qū)混凝土構(gòu)成，它反應(yīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部真實(shí)可靠的傳力機(jī)理。

拉壓桿模型建立在有限元分析基礎(chǔ)上，不但外部荷載與內(nèi)力達(dá)到了平衡，同時(shí)滿足混凝土塑性變形的限制，而這正是塑性下限的兩個(gè)條件平衡條件與屈服條件[3]。因此，拉壓桿模型傳力機(jī)制清晰，便于計(jì)算，計(jì)算配筋時(shí)可以用定量的設(shè)計(jì)方法，但該模型忽視了復(fù)雜的應(yīng)力分布，只是簡(jiǎn)單的用拉壓桿去代替實(shí)際的應(yīng)力區(qū)域，有很大的局限性體系，同時(shí)對(duì)承載力的估計(jì)是一種保守估計(jì)，能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠與合理。

3 結(jié)論

混凝土梁受剪理論研究方法很多，各種研究方法有各自的適用性與其優(yōu)缺點(diǎn)，拉壓桿模型計(jì)算方便，傳利機(jī)制清晰，且安全可靠，是研究混凝土梁受剪機(jī)理的首選。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮浩雄.預(yù)應(yīng)力混凝土T梁抗剪承載力研究[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，24（1）： 11-14.

[2] 李昊.預(yù)應(yīng)力混凝土梁受剪承載力及改進(jìn)的桁架-拱模型[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

[3] 張志沛.預(yù)應(yīng)力高性能混凝土T梁抗剪性能研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.