双向抗剪承载力（精选5篇）
双向抗剪承载力 篇1
异形柱结构通常是角柱为L形、边柱为T形、中柱为十字形[1], 其柱肢与填充墙等厚, 柱子不露棱角满足了建筑使用功能。随着异形柱框架结构体系在实际工程中逐渐广泛应用, 对其受力性能的研究也日益广泛与深入。型钢混凝土异形柱将型钢骨架置于混凝土之中, 集异形柱适用与型钢高强度于一体, 目前国内外对于柱的双向抗剪承载力研究较多[2,3], 对异形柱抗剪承载力研究仅限于钢筋混凝土异形柱[4,6], 对于型钢混凝土异形柱抗剪承载力研究甚少, 本文根据试验结果对型钢混凝土异形柱的双向抗剪承载力进行分析。
1型钢混凝土异形柱双向抗剪承载力与荷载作用方向关系曲线
为得出不同荷载作用方向对型钢混凝土异形柱抗剪承载力的影响, 本次试验对T形、L形以及十字形异形柱分别进行了如下方式的低周反复荷载加载, 如图1所示。
在极坐标系内, 以角度α表示荷载作用方向, 将抗剪强度特征值Vuα/ftbh0以极半径长度表示, 把每组试件的抗剪强度特征值绘于同一个极坐标系内, 再把极坐标系按式X= (Vuα/ftbh0) cosα, Y= (Vuα/ftbh0) sinα转换成直角坐标系, 得出异形柱双向抗剪承载力与荷载作用方向关系曲线, 如图2～图4所示。
2型钢混凝土异形柱双向抗剪承载力试验结果分析
2.1 T形截面异形柱双向抗剪承载力分析
对于T形截面柱, 由于截面形状及配钢形式相对于腹板具有对称性, 低周反复荷载作用下, 其沿0°和180°方向的抗剪承载力应该是相等的;对于沿腹板加载的情况, 由于截面及配钢形式在此方向上无对称性, 所以沿90°和270°方向的抗剪承载力是不相等的, 在低周反复荷载作用下, 翼缘受压时的抗剪承载力应大于腹板受压时的抗剪承载力, 原因在于, 翼缘受压时, 截面剪压区面积大, 混凝土部分可以承受更多的剪力, 这些结论在试验结果中得到了验证。在单向水平荷载作用下, 异形柱的破坏主要发生在平行于加载方向的一肢上;斜向水平荷载下, 异形柱的两肢均发生较为严重的破坏。产生这种现象的原因可以从剪应力的分布得到解释, 在单向水平荷载作用下, 剪应力主要分布在与荷载平行的一肢上, 即平行肢承担了较大部分剪力而垂直肢承担的较少, 所以平行肢破坏较为严重;斜向水平荷载作用下, T形柱两肢均承担了剪力, 因而两肢均发生破坏, 本次试验结果证实了这一点。根据T形柱双向抗剪承载力与荷载作用方向关系曲线图 (见图2) , T形截面柱的抗剪承载力与荷载作用方向关系曲线呈椭圆形, 其抗剪承载力与荷载作用方向有关, 斜向水平荷载作用下T形截面异形柱的抗剪承载力要大于沿翼缘或腹板加载时的抗剪承载力, 但又小于分别沿翼缘和腹板单向抗剪承载力的矢量和, 即
2.2L形截面异形柱双向抗剪承载力分析
对于L形截面异形柱, 其截面形状不具备对称性, 低周反复荷载作用下, L形截面柱沿同一个工程轴两方向加载时的抗剪承载力是不同的, 翼缘受压时L形柱的抗剪承载力要大于腹板受压时的抗剪承载力。由L形柱双向抗剪承载力与荷载作用方向关系曲线图中可以看到 (见图3) , 沿0°和90°方向加载时 (翼缘受压) 的抗剪承载力分别大于沿180°和270°方向加载时 (翼缘受拉) 的抗剪承载力, 这与理论分析较为相符。
在单向水平荷载作用下, L形柱的破坏主要发生在平行于加载方向的一肢上, 垂直肢破坏的较少;而在斜向水平荷载下, 从本次试验设计的两根L形柱 (LX-1, LX-2) 的破坏形态来看, 其两肢均出现剪切裂缝, 因此在斜向水平荷载作用下L形截面柱两肢共同承担剪力, 其双向抗剪承载力必然要高于其单向抗剪承载力。L形截面异形柱的抗剪承载力与荷载作用方向相关曲线呈椭圆形, 其抗剪承载力与荷载作用方向有关, 斜向水平荷载作用下L形截面异形柱的抗剪承载力要大于沿翼缘或腹板加载时的抗剪承载力, 但又小于分别沿翼缘和腹板单向抗剪承载力的矢量和, 即
2.3 十字形截面异形柱双向抗剪承载力分析
对于十字形截面异形柱, 由于其截面形状及配钢形式沿两个工程轴方向都具有对称性, 因而在低周反复荷载作用下沿工程轴方向加载时, 其沿0°和180°方向以及90°和270°方向的抗剪承载力是相等的。反映在十字形柱双向抗剪承载力与荷载作用方向关系曲线图上 (见图4) , 即图形关于x轴, y轴对称。
在单向水平荷载作用下, 十字形柱的破坏主要发生在平行于加载方向的一肢上, 垂直肢破坏的较少;而在斜向水平荷载下, 对于发生剪切破坏的十字形柱, 其两肢均出现斜裂缝, 在斜向水平荷载作用下, 十字形截面异形柱的抗剪承载力不同于T形和L形, 从本次试验结果并结合T形、L形、十字形柱双向抗剪承载力与荷载作用方向关系曲线图来看, 无论沿哪一个工程轴方向加载, T形和L形异形柱的双向抗剪承载力均要高于其单向抗剪承载力;但对于十字形柱来讲, 其双向抗剪承载力要低于其单向抗剪承载力, 经分析对于十字形柱来讲, 虽然其两肢共同承担了剪力, 但试件最终的破坏是发生在两肢交界处, 斜向水平荷载作用下, 此处可以认为是十字形柱的薄弱环节, 由于受剪面宽度有限, 试件在两肢尚未发生破坏时先在此处发生破坏, 因而, 对于十字形柱来讲其双向抗剪承载力要低于单向抗剪承载力。
3结语
异形柱的双向抗剪承载力是一个较为复杂的问题, 本文在试验的基础上结合理论, 得出T形、L形、十字形SRC异形柱沿不同方向加载时双向抗剪承载力与荷载作用方向关系曲线, 对T形、L形、十字形SRC异形柱双向抗剪承载力进行了分析:对于T形、L形截面异形柱, 其双向抗剪承载力高于其单向抗剪承载力, 双向抗剪承载力与荷载作用方向关系曲线呈椭圆形。对于十字形柱, 其双向抗剪承载力低于其单向抗剪承载力, 这主要是因为破坏首先发生在两肢交界处, 受剪面宽度过小所致。
摘要：在试验基础上对SRC异形柱双向抗剪承载力进行了研究, 得出型钢混凝土异形柱双向抗剪承载力与荷载作用方向关系曲线, 对不同截面型钢混凝土异形柱双向抗剪承载力进行了分析, 以期明确了三种截面异形柱单双向抗剪承载力的大小关系。
关键词：型钢混凝土,异形柱,关系曲线,双向抗剪承载力
参考文献
[1]JGJ 149-2006, 混凝土异形柱结构技术规程[S].
[2]Hidetaka Umehara.Short rectangular RC columns under bi-di-rectional loadings[J].Journal of Structural Engineering, 1984, 110 (3) :605-618.
[3]Kyle A.Woodward, James O.Jirsa, M.ASCE.Influence of Re-inforcement on RC Short Column Lateral Resistance[J].Jour-nal of Structural Engineering, 1984, 110 (1) :90-104.
[4]巩长江, 康谷贻, 姚石良.L形截面钢筋砼框架柱受剪性能的试验研究[J].建筑结构, 1999 (6) :22-23.
[5]郭波, 吴海容.钢筋混凝土异形柱在结构设计中的应用探讨[J].山西建筑, 2006, 32 (9) :45-46.
[6]王丹.钢筋混凝土框架异形柱设计理论研究[D].大连:大连理工大学博士学位论文, 2002.
火灾后钢筋混凝土梁抗剪承载力 篇2
关键词：火灾,钢筋混凝土梁,抗剪,有限元法
建筑结构中各类构件的受力形式主要有拉力、压力、弯矩、剪力和扭矩等,抗剪能力在许多构件中都是构件承载能力的决定因素,如厂房中的牛腿、高层建筑中的转换梁、剪力墙结构、海洋平台梁等。剪切破坏一般是指构件在剪力和弯矩(有时还包括轴力和扭矩)作用下沿斜裂缝发生的破坏,故又称斜截面破坏。构件的抗剪能力在很大程度上取决于混凝土的抗拉强度和抗压强度,构件破坏时的延性小,通常发生脆性破坏。
El-Hawary等(1997)进行了8根钢筋混凝土梁受剪区受火喷水冷却后的抗剪承载力试验,试验的火灾升温曲线为非标准升温曲线。Saafi(2002)研究了FRP筋混凝土梁受火后的抗弯及抗剪性能,分析了混凝土保护层厚度和受火时间等因素对火灾后FRP筋混凝土梁力学性能的影响。聂旭(2007)研究了复合砂浆钢筋网加固钢筋混凝土梁在高温下的抗剪性能,完成了4根矩形截面简支梁的抗剪承载力试验。余德军(2008)研究了高性能水泥复合砂浆钢筋网加固钢筋混凝土受剪梁的高温性能,完成了10根矩形截面简支梁的抗剪承载力试验。Liu等(2009)研究了受火中碳纤维布加固钢筋混凝土梁的破坏模式,分析了剪跨比、配箍率、混凝土保护层厚度和隔热材料保护层厚度等因素对钢筋混凝土梁破坏模式的影响。火灾试验花费巨大,试验结果离散性较大,数值模拟方法具有可重复性好的优点,研究人员采用数值方法如有限元模拟分析了各种混凝土构件如受约束混凝土梁在火灾中的反应。由上述研究成果可以看出,在钢筋混凝土梁抗剪研究方面,火灾中的研究多于火灾后(文中均指受火冷却后)的研究,详细分析各种参数变化对火灾后钢筋混凝土梁抗剪承载力的研究较少。
笔者主要研究火灾后钢筋混凝土梁的抗剪承载力,通过建立钢筋混凝土梁的非线性有限元模型,对其火灾后的抗剪性能进行数值模拟。有限元模型考虑了火灾作用后混凝土和钢筋的材料损伤,分析了火灾时间、剪跨比、混凝土强度、箍筋直径和箍筋间距对钢筋混凝土梁抗剪承载力和刚度的影响程度。
1火灾后钢筋混凝土梁斜截面抗剪强度影响因素
混凝土的抗拉强度较低,在正常使用状态下,钢筋混凝土梁处于带裂缝工作的状态。对于建筑结构中常用的有腹筋钢筋混凝土梁,斜裂缝出现后,其抗剪能力来自以下几方面的贡献:剪压区混凝土承受的剪力,斜裂缝交界面上骨料咬合与摩擦力的竖向分量,纵筋的销栓力,箍筋和弯起钢筋承受的剪力。
温度对钢筋混凝土梁抗剪承载力的影响主要体现在材料性能和抗剪传力机理两方面。与未受火的混凝土和钢筋材料相比,火灾后混凝土和钢筋的力学性能下降。火灾后钢筋混凝土梁斜裂缝上端混凝土截面承受的剪力降低。火灾后钢筋混凝土梁的裂缝数量增多,裂缝宽度增大,造成混凝土骨料咬合力下降。火灾后钢筋与混凝土的粘结性能下降,粘结开裂裂缝和撕裂裂缝明显发展,弯剪斜裂缝附近纵筋的变形增大,削弱了纵筋的销栓作用。火灾后抗剪箍筋和弯起钢筋屈服强度降低,由箍筋和弯起钢筋贡献的抗剪承载力下降。
2 试件设计
钢筋混凝土梁的加载方式为集中荷载,支座形式一侧为滚动支座,一侧为简支支座,见图1所示。截面大小和配筋形式,见图2所示。混凝土强度等级C30,纵向钢筋HRB335级,箍筋HPB235级。为了保证钢筋混凝土梁具有足够的抗弯能力,发生受剪破坏,设计的钢筋混凝土梁试件的受弯纵筋配筋率较大。假设梁加载面不受火,其余三面受火,受火面的示意图见图3所示,火灾升温曲线满足ISO-834标准升温曲线。
3 数值模拟
采用有限元方法模拟试验梁的温度场分布,混凝土采用实体单元,钢筋采用线性单元,选用Lie提出的混凝土和钢筋的热工参数,受火面按照综合热传递系数处理。经验证,有限元程序可以较好地模拟试验梁的温度场分布,将温度分布结果作为力学计算的初始条件,根据火灾后混凝土和钢筋的本构关系对试验梁进行力学分析。由火灾试验发现,对钢筋混凝土矩形截面梁或T形梁腹板,其受火面混凝土剥落的现象发生较少;对钢筋混凝土板或钢筋混凝土T形梁的翼缘板,其受火面易发生混凝土剥落。笔者采用的有限元模型是矩形截面梁,数值模拟时未考虑混凝土剥落的影响。分析中忽略了混凝土和钢筋粘结力变化的影响。试件几何模型见图4所示,混凝土单元模型见图5所示,钢筋单元模型见图6所示。
4 影响因素分析
采用数值模拟的方法,分析在集中荷载作用下,火灾后钢筋混凝土梁的荷载-挠度曲线。当梁的挠度不断增大,而梁所承受的荷载不再增大时,认为钢筋混凝土梁发生破坏。
4.1 火灾时间
以剪跨比λ=3的钢筋混凝土梁为例,不同火灾时间时钢筋混凝土梁的荷载-挠度曲线,见图7所示。可见,火灾时间对抗剪承载力的影响较大,随着受火时间的增加,钢筋混凝土梁的抗剪承载力和刚度均逐渐下降。刚度的下降在加载的初始阶段即表现得比较明显,这是由于高温造成梁内形成火灾损伤裂缝,在荷载作用下,这些裂缝连接贯通,主要表现为梁刚度下降。
4.2 剪跨比
钢筋混凝土梁的剪跨比λ是决定钢筋混凝土梁受剪破坏模式的重要因素。在常温状态下,随着剪跨比的不同,无腹筋梁的斜截面会出现不同的破坏形态。λ<1时,发生斜压破坏;1≤λ≤3时,发生剪压破坏;λ>1时,发生斜拉破坏。以受火时间60 min 为例,剪跨比变化时钢筋混凝土梁火灾后的荷载-挠度曲线,见图8所示。由图8可知,与常温状态下相似,随着剪跨比的增大,钢筋混凝土梁的抗剪承载力和刚度均逐渐下降。在相同荷载作用下,随着剪跨比的增大,梁的变形逐渐增大,剪跨比越小表现出的脆性破坏特征越明显。
4.3 混凝土强度
钢筋混凝土梁的3种剪切破坏模式(斜压破坏、剪压破坏、斜拉破坏),均与混凝土的强度有密切的关系,混凝土的抗压强度主要影响发生斜压破坏和剪压破坏的钢筋混凝土梁,抗拉强度主要影响发生斜拉破坏的钢筋混凝土梁。以受火时间60 min,剪跨比λ=3为例,混凝土强度变化时钢筋混凝土梁火灾后的荷载-挠度曲线,见图9所示。由图9可知,对于普通混凝土,随着混凝土强度的下降,钢筋混凝土梁的抗剪承载力和刚度均逐渐下降。
4.4 箍筋直径和箍筋间距
斜裂缝出现后,有腹筋梁的受力机理可看作一个平面桁架,箍筋的直接作用是承担部分剪力,间接的作用包括限制斜裂缝的开展宽度,增强腹部混凝土的骨料咬合力,约束纵筋撕脱混凝土保护层,增大纵筋的销栓力等。以受火时间60 min,剪跨比λ=3为例,箍筋直径和箍筋间距变化时钢筋混凝土梁火灾后的荷载-挠度曲线,见图10和图11所示。
由图10和图11可知,随着箍筋直径的下降和箍筋间距的增大,钢筋混凝土梁的抗剪承载力逐渐下降。箍筋直径和箍筋间距的变化对钢筋混凝土梁的刚度影响较小。
5 结 论
中欧规范无腹筋梁抗剪承载力比较 篇3
关键词：无腹筋梁,抗剪承载力,钢筋混凝土,规范,最小配筋率
由于钢筋混凝土受弯构件受弯破坏的影响因素众多,破坏形态复杂,斜截面的破坏机理还有待于进一步的探讨,至今未能像正截面承载力计算一样建立一套较完整的理论体系。国外各主要规范及国内各行业规范中斜截面抗剪计算方法各异,考虑的因素各不相同。本文对中欧关于无腹筋梁斜截面抗剪承载力计算的部分条文进行对比,得出结论:中国规范在混凝土低强度的条件下与欧洲规范计算结果相当,但在高强度的条件下,可靠度指标低于欧洲。本文着重于无腹筋受弯构件斜截面抗剪承载力的比较分析。
1 斜截面抗剪承载力的影响因素
影响斜截面承载力的因素很多,而各国规范考虑的因素也不相同。
1.1 剪跨比λ的影响
λ是影响斜截面承载力的主要因素,它决定无腹筋梁的斜截面破坏形式。因为剪跨比a/d考虑了直接影响抗剪承载力的两个因素:梁的剪跨长度和截面高度。随λ的增加,承载力将迅速下降;但λ>3以后影响减小。中国规范仅在集中荷载作用的情况下引入了剪跨比的影响,这与欧洲规范的公式有所区别。
1.2 混凝土的强度等级
一般来说,混凝土强度等级越高,承载力越大。但在具体计算模式上,各国规范又有差异。考虑混凝土强度等级的影响,中国和欧洲分别采用指标ft、fck,(分别为轴心抗压强度、立方体抗压强度或圆柱体抗压强度)。
1.3 纵筋的配筋率
由于纵筋的销栓作用,斜截面承载力与纵筋的配筋率成正比,但与纵筋的屈服强度关系不明显。中国规范没有考虑这一有利影响,而欧洲规范则有所体现。
1.4 截面的尺寸效应
对于无腹筋简支梁,随着截面高度增加,斜裂缝宽度增大,裂缝间骨料的咬合力减小,裂缝上传递的剪力减小。所以随着截面高度的增大,无腹筋梁抗剪承载力降低,但抗剪强度的增长率低于截面高度的增长率。对于截面高度较大的梁,采用与低截面梁相同的计算公式时,会过高估计截面的抗剪承载力。欧洲规范抗剪计算考虑了尺寸效应的影响,中国规范只是当截面的有效高度h0>800mm时才考虑这一因素的影响。
2 中、欧无腹筋梁抗剪计算公式的对比
由于影响抗剪承载力的因素很多,目前还没有一个计算模式可以包括所有的影响因素。不同国家的规范采用了不同的计算公式,考虑的影响因素以及选用的参数也不相同。通常,各国规范给出的计算公式都是取试验数据的下限,以避免剪切破坏的出现,实现“强剪弱弯”的设计原则。以下对中、欧规范无腹筋梁的计算公式为例作一对比。
中国GB50010-2002规范规定:对于无腹筋梁,如果仅承受弯矩和剪力,计算公式是:
式中,ft为混凝土轴心抗拉强度设计值;b为构件截面宽度;h0为构件截面有效高度;βh为截面高度影响系数,按下式计算:βh=(800/h0)1/4
当h0<800mm时,取h0=800mm;当h0>2000mm时,取h0=2000mm。
欧洲规范EN 1992-1-1:2004规定:无腹筋受弯构件斜截面抗剪承载力的设计值VRd按下式计算:
其中,fck为混凝土抗压强度特征值,MPa;
,d的单位为mm;
Asl为延伸超出所考虑截面≥(lbd+d)的受拉钢筋的截面面积(见图1);bw为受拉区截面最小宽度,mm;d为截面有效高度,mm。
从上述公式可以看出,欧洲规范中考虑了纵筋的影响,当纵筋的配筋率很小时,构件的受剪承载力并不是按式(2a)计算的那样小,而是取按式(2b)的计算值,这是中国规范所没有考虑的。
在混凝土强度C20~C60的范围内,取ρl=0.015,以截面尺寸300mm×500mm的梁为例,式(1)和式(2)计算结果可参见图2。
由图2我们可以得出结论:有关无腹筋梁的抗剪计算,在混凝土强度等级较低时计算结果相差不大;随混凝土强度等级提高,中国规范的计算结果偏高。
3 最小配筋率的对比
我国规范规定的抗剪承载力最小配筋率是:ρsv,min=0.24ft/fyv;而欧洲规范规定的最小配筋率为,式中符号意义同前。
可以看出,中国规范(欧)规范规定的最小配筋率都随混凝土强度的提高而提高。假定采用Ⅰ级钢作为箍筋,图3给出了中欧关于最小配筋率的对比。从图中结果可以看出:在最小配筋率方面,当混凝土强度等级较低时,中欧规范规定的最小配筋率相差不大,但当混凝土强度等级高于C35级时,差距越来越大。
4 结论与建议
本文结合我国规范GB50010-2002和欧洲规范EN 1992-1-1:2004的抗剪承载力计算公式,对仅承受弯矩和剪力的钢筋混凝土无腹筋梁抗剪承载力进行了探讨,并分析了混凝土强度对最小配箍率的影响。主要结论有:
1)当混凝土强度等级较低时,中欧规范计算的无腹筋梁抗剪承载力结果相差不大;但当混凝土强度较高时,中国规范计算结果远高于欧洲,抗剪可靠度水平较低。
2)我国规范从设计的角度出发,对截面尺寸效应的考虑不够,也没有合理地考虑纵筋率的影响,按规范公式的计算值偏高。
3)抗剪最小配筋率对比结果表明:当混凝土强度等级较低时,中国规范与欧洲规范规定的最小配筋率相当,但当混凝土强度等级较高于时,相差越来越大。
4)目前,我国规范提供的计算公式基本上是经验公式,采用的是试验结果的偏下限值。有必要对高强混凝土、尺寸效应、剪跨比、纵筋率等因素对无腹筋梁抗剪强度的影响规律进行深入研究,建立合理的理论模型,定量地反映这些因素的影响,逐步改变目前以经验公式为主的局面。
参考文献
[1]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S].
[2]EN1992-1-1:2004EuropeanStandard.Part1:Generalrules andrulesforbuildings[S].
[3]顾祥林.混凝土结构基本原理[M].上海:同济大学出版社,2007.
[4]张川,张百胜,黄建锋.钢筋混凝土无腹筋简支梁的抗剪承载力研究[J].重庆建筑大学学报,2005.
[5]王铁成.高强混凝土构件斜截面受剪承载力设计[J].天津大学学报,2001(1):.
双向抗剪承载力 篇4
关键词：受弯构件,抗剪承载力,剪跨比
1 概述
钢筋混凝土受弯构件的承载能力计算主要包括正截面抗弯承载力计算和斜截面抗剪承载力计算, 其中正截面抗弯承载力计算公式较详尽且使用方便。受弯构件抗剪承载力计算由于影响因素较多, 受力状态和混凝土受剪机理复杂, 因此抗剪计算相对抗弯计算没有形成一套成熟的理论, 一直是混凝土研究的重点和难点。
2 受弯构件的抗剪承载力分析
2.1 受弯构件分类
《混凝土结构设计规范》 (GB50010-2002) (以下简称"规范") 依据跨高比将受弯构件分为两类:深受弯构件和一般受弯构件。跨高比I0/h≥5.0为一般受弯构件;深受弯构件是指跨高比I0/h<5.0的单跨梁或连续梁。深受弯构件又可分为深梁和短梁, 根据分析和试验的结果, 国内将跨高比I0/h≤2.0的简支梁和I0/h≤2.5的连续梁视为深梁, I0/h大于深梁但小于5.0的梁称为短梁。
2.2 破坏模式和抗剪承载力分析
在荷载作用下, 钢筋混凝土受弯构件力的传递随剪跨比、跨高比的减小由桁架作用过渡到拱的作用, 破坏模式也相应地由剪压破坏模式过渡到梁腹拱身混凝土开裂破碎的斜压破坏模式。
一般受弯构件的抗剪承载力计算模型采用如图1所示的桁架-拱模型, 在该模型中假设钢筋为桁架结构, 混凝土形成拱形承载体, 两者共同作用抵抗外荷载。对于深梁, 由于剪跨a较小, 破坏模式以斜压破坏为主, 桁架-拱模型转化为纵向钢筋 (包括纵向腹筋) 为拉杆, 混凝土为受压弧形拱的拉杆-拱模型, 该模型中, 纵形钢筋和竖向垂直腹筋 (通常为箍筋) 共同作用形成对拱的骨架约束作用, 但垂直腹筋的作用较小。短梁的破坏模式处于斜压破坏和剪压破坏的过渡, 该模式可采用桁架-拱模型, 此时腹筋所起的约束作用增强。
由上述深梁的破坏模式可以发现, 深受弯构件的受剪承载力须考虑垂直水平腹筋和垂直腹筋对"拱"的增强作用。
受弯构件的抗剪承载力公式可归结为:式 (1)
Vu--构件斜截面抗剪承载力;Vc--斜截面上混凝土的抗剪承载力;Vsv--斜截面上垂直腹筋的抗剪承载力;Vsh--水平纵筋的抗剪承载力。
根据《规范》, 受弯构件抗剪承载力计算公式如下:
均布荷载作用下一般受弯构件的斜截面抗剪承载力计算公式:
集中荷载作用下一般受弯构件的斜截面抗剪承载力计算公式:
均布荷载作用下深受弯构件的斜截面抗剪承载力计算公式:式 (4)
集中荷载作用下深受弯构件的斜截面抗剪承载力计算公式:式 (5)
(1) 对于一般受弯构件中式3中的剪跨比, , 当时, 取, 当时取, a为集中荷载到受弯构件支座的水平距离。
(2) 为简化计算, 深受弯构件抗剪承载力计算不再划分深梁和短梁, 将的简支钢筋混凝土单跨梁和的简支钢筋混凝土多跨连续梁统一, 当时, 均取;对于的计算, 时, 取, 时, 取。
(3) 由式4可以发现, 均布荷载作用下的深受弯构件的受剪承载力只与有关。当时, Vc项系数为1.4, 与式5中集中荷载作用时的Vc项计算结果相同。
(4) 规范做到了深受弯构件与一般受弯构件较好的衔接, 即当时, 式 (4) 、 (5) 与一般受弯构件抗剪承载力计算公式一致。
(5) 一般受弯构件不考虑纵向钢筋对抗剪承载力的贡献。
(6) 对于集中荷载作用下的受弯构件, 剪跨比是梁内弯矩与剪力的相对比值的最直接的表面反映, 所以, 它是影响钢筋混凝土受弯构件抗剪强度的重要因素。
3 影响受弯构件抗剪承载力的因素
(1) 混凝土强度:当构件截面尺寸一定时, 混凝土强度与受弯构件抗剪强度成正比。
(2) 配箍率和箍筋强度:试验表明, 受弯构件配箍率和箍筋强度在一定范围内增大时, 受弯构件抗剪承载力越大。
(3) 截面形式的影响:尺寸效应的存在使得梁高h0越大, 在产生临界斜裂缝的时候, 裂缝撕裂作用越明显, 因此, 随着梁高的增大, 抗剪强度会降低。
(4) 剪跨比:试验表明, 受弯构件的抗剪承载力随着剪跨比的增大而减小。
(5) 荷载作用形式:荷载作用形式的不同将导致梁内应力状态差异导致破坏模式的不同, 从而决定了受弯构件抗剪强度的不同。
(6) 纵向钢筋配筋率的影响:纵筋对抗剪承载力的贡献主要体现两个方面:销拴力直接承担的剪力和纵筋对受压区混凝土约束增强作用。
(7) 支座形式:支座约束条件的差异将直接导致连续梁和简支梁抗剪承载力的差异。
(8) 轴向力的影响:承受轴向压力和拉力的受剪构件, 轴向为拉力时, 抗剪能力减小;轴向为压力且小于一定范围时, 抗剪能力增大;轴向压力超过一定范围时, 抗剪能力减小。目前, 我国现行《规范》只考虑了因素 (1) ~ (5) 。
结语
《混凝土结构设计规范》 (GB50010-2002) 关于受弯构件的抗剪承载力计算公式简单, 物理概念明确, 便于比较分析, 但是现行《规范》并没有充分考虑纵向钢筋、支座形式和轴向力等有利因素的影响, 且多方面的资料表明, 按照现行规范中的抗剪承载力计算公式所得的计算结果是偏于安全的。
参考文献
[1]艾红梅, 王宝民, 曹明莉, 吕兴军.建筑材料实验教学有效性的研究与实践[J].实验室研究与探索, 2011, (03) :267-271.
[2]白宪臣, 范孟华.高校土建专业建筑材料实验教学校企联合模式探索[J].实验室研究与探索, 2011, (01) :126-128.
双向抗剪承载力 篇5
关键词：钢骨混凝土柱,有限元,抗剪承载力,位移
0 引言
钢骨混凝土构件有着以下特点:1) 在荷载相同的情况下钢骨混凝土构件截面可以远小于普通钢筋混凝土构件, 从而减少空间占用, 增加建筑使用面积;2) 型钢的存在大大提高了构件的延性, 因此抗震性能优异;3) 相对于纯钢构件, 钢骨混凝土的耐火、耐腐蚀能力有着显著提高;4) 近年来随着钢材价格的持续走低, 采用钢骨混凝土结构相对于以往, 经济性更加明显。
1 试验介绍[1]
柱截面尺寸为220 mm×160 mm, 钢骨为Ⅰ14热工字钢。加载方式为悬臂梁式加载, 竖向由100 t千斤顶施加轴向压力, 水平荷载由50 t做动器施加。构件截面如图1所示。
试验中各材料的力学性能见文献[1]。
2 模型的建立与参数选取
本着有限元模型与试验边界以及荷载条件尽可能一致, 且又有利于模型建立与计算的原则, 对模型进行适当的简化。其中混凝土、钢骨部分采用六面体实体单元, 纵向钢筋采用Truss单元。混凝土与钢筋、钢骨的粘结面简化为共用节点的方式不考虑粘结滑移。因采用的混凝土本构关系曲线[4]本身已经考虑了箍筋对混凝土材料的约束作用, 故模型中没有建立箍筋。根据圣维南原理, 可以近似认为柱加载端与约束端的荷载、边界条件仅影响局部区域的应力分布, 而对相对较远区域的影响可以忽略不计。因此, 为了防止混凝土由于局部过早产生较大变形导致迭代不收敛, 将柱顶加载处设置为理想弹性体不考虑材料非线性因素。柱底约束所有Z坐标为0的节点全部自由度。计算中对于先施加轴压, 再施加水平荷载工况采用定义两个table表来实现。模型如图2所示。
本次计算输入程序中的混凝土非线性应力应变关系曲线为钱稼茹等[4]提出的约束混凝土应力应变关系曲线。它的特点是在应力—应变全曲线方程中加入了配箍特征值λv, 从而考虑了箍筋的约束作用。其中抗拉强度ft=0.1 fc, 极限压应变εcu=1, 剪力传递系数η=0.3, 软化模量Es=0.1 E, 常数β=1.732。
3 有限元计算结果及分析
表1为计算结果汇总, 其中λ为剪跨比, nt为轴压力系数, ρv为体积配箍率, Vu为试验值, VM为有限元计算值。图3为各构件有限元计算的荷载位移关系曲线, 曲线均有明显的下降段, 且下降段很长, 说明钢骨混凝土构件有着很好的延性。从图4有限计算结果的裂缝分布图来看, 图4a) 构件根部主要以混凝土压碎与拉裂为主要破坏形态, 并未出现明显的斜裂缝, 表现为弯曲性破坏 (λ=2.5) ;图4b) , 图4c) 在柱根部除明显的混凝土压碎与拉裂破坏以外, 斜裂缝发展明显, 尤其是剪跨比较小 (λ=1.0) 时主要表现为剪切破坏。有限元计算的破坏形态与裂缝分布和试验结果是一致的[1]。从表1汇总的计算结果来看, 有限元计算结果与试验结果基本吻合, 而此次计算中由于模型以共用节点的方式考虑型钢与混凝土材料的共同工作, 并未考虑粘结滑移, 故计算值均大于试验值。从已有的10个计算结果来看剪跨比越小有限元计算结果与试验值误差越大, 但总体基本满足要求。综上所述, 可考虑在试验条件受限, 以及试验构件数量不足的情况下, 将有限元计算结果作为试验数据的补充。
参考文献
[1]李俊华.低周反复荷载下型钢高强混凝土柱受力性能研究[D].西安:西安建筑科技大学, 2005.
[2]陈火红.Marc有限元实例分析教程[M].北京:机械工业出版社, 2002:2-3.
[3]陈火红, 于军泉, 席源山.MSC.Marc/Mentat 2003基础与应用实例[M].北京:科学出版社, 2004:1-2.
[4]钱稼茹, 程丽荣, 周栋梁.普通箍筋约束混凝土柱的中心受压性能[J].清华大学学报 (自然科学版) , 2002 (10) :1369-1373.