弯、剪、轴拉复合受力状态下钢筋混凝土梁的承载能力试验研究.pdf

第 4卷第 2期 2 O O 7年 4月 铁道科学与工程学报 J oURN AL OF RAI I V lY S Cl E CE AND E NGl N EERl N G V o 1 4 No 2 Ap r 2 O O 7 弯 、 剪 、 轴拉 复合受力状态下钢筋 混凝 土梁 的承载能力试验研究 罗如登 ( 中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 对弯、 剪、 轴拉复合受力状态下钢筋混凝土梁的承载能力进行试验研 究。试验 中主要考虑轴向拉力、 最小抗剪配 筋、 配筋率、 混凝土强度等级等因素对弯、 剪、 轴拉复合受力状态下钢筋混凝土梁的承栽能力的影响。试验 实测表明， 欧洲 规范2第 1 部分中用于计算弯、 剪、 轴拉复合受力钢筋混凝土梁承栽能力的公式过于保守， 有必要进行修正。 关键词： 钢筋混凝土梁； 复合受力状态； 轴向拉力； 最小抗剪配筋； 承载能力 中图分类号： U 4 4 1 4 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 ( ) 0 2 0 0 3 9 0 5 T e s t mu d y o n c o mp l e x me c h a n i c a l be h a v i o r s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms u n d e r b e n d i n g mo me n t ，s h e a r f o r c e a n d a x i a l t e n s i l e f o r c e L U O Rud e n g ( S c h o o l o f C i v i l a n d A r c t e c tu r a l E I l g i n e e I i l l g ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， 01 a r科 m 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Re l a t i v e l y c o mp r e h e n s i v e t e s t s t u d y o n t h e s t r e n g t h c a p a c i t y o f the rei n f o r c e d c o n c ret e b e a m u n d e r b e n d i n g mo me n t s h e a r f o r c e a n d a x i a l t e nsi l e for c e w a s c a r r i ed o u t e i n f l u e n c e s o f a x i al t e nsi l e force ，mi n i mu m s h e a r rei n f o r c e me n t the r a ti o o f rei nfo rce m e n t and the c l a s s of c o n c ret e w e re c o nsi d e r e d e r e s u l t s s h o w t h a t i n E u r o c o d e 2 p a r t 1 the f o r mula，w h i c h c a l l be u s e d t o c alc ula t e the s t r e n g t h c a p a c i ty o f the rei nfo r c ed c o n c r e t e b e a m u n d e r the a b o v eme n t i o n ed c o mp l e x me c h a n i e al s t a t e i s con s e r v a t i v e a n d s h o uld be rev i s e d Ke y wo r d s ： rei nfo rced con c r e t e b e a m；c o mp l e x me c h a n i c a l s tat e ；a x i al t e nsi l e f o rce ；mi n i mu m s h e a r r e i nfo rce me n t ； s t r g t h c a p a c i ty 在下承式和系杆 一拱钢筋混凝土桥梁 中， 从整 体受力看 ， 主梁和 系梁要 承受 巨大 的轴 拉力的作 用 1 ； 与此同时 ， 结构的 自重 、 车辆 的轮压荷载在主 梁和系梁上会产生局部的弯矩和剪力作用。这样 ， 钢筋混凝土主梁和系梁将经常处于一种弯、 剪、 轴 拉复合受力状态下。 由于巨大的轴拉力和混凝土较低的抗拉强度 ， 主梁和系梁在运营阶段就有可能开裂。以前 ， 桥梁 工程师们通过施加 预应力来解决这个 问题。由于 施加预应力需要专门的预应力钢筋和施工设备等 ， 费用昂贵， 同时， 许多 因素会造成预应力损失。鉴 于此 ， 近年来国内外的工程师们越来越倾向于另外 一 种做法 ： 取消预应力 ， 以高配筋率的普通钢筋取 代， 设计理念从限制混凝土拉应力值转向限制其裂 缝宽度值。用高配筋取代预应力后 ， 将会 出现这样 一 种情况 ： 从受力角度看 ， 钢筋混凝土梁在运营荷 载作用下就可能开裂， 甚 至裂通 ， 于是， 上述 的弯 、 剪 、 轴拉复合受力状 态将 由开裂后 的混凝土梁承 担 ； 从设计和施工角度看 ， 高配筋使混凝 土梁 中钢 筋密度增大 ， 若再配 以大量的抗剪钢筋 ( 箍筋和斜 收稿 日期 ： 2 0 0 7 0 1 3 0 基金项 目： 德国注册科 学基金组织钢结构应用研究基金资助项 目 作者简介： 罗如登( 1 9 7 3 ) ， 男， 湖南长沙人 ， 博士研究生， 讲师， 从事结构工程 、 桥梁工程方面的研究 维普资讯 http:/ 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 ( D 7年 4月 筋) ， 密集的钢筋笼将提高浇注混凝土时的难度， 工 程质量难以得到保证。因此， 工程师们希望在已高 配筋 的混凝土梁 中能够少配， 甚 至不 配抗剪钢筋 ， 来达到降低成本 、 保证工程 质量的 目的。问题 在 于 ， 开裂后的混凝土梁在无抗剪配筋的情况下 ， 在 弯、 剪、 轴拉复合受力状态下的承载能力如何?最 新， 欧洲规范 2 ， 第 1 部分 J 中给出了一个设计公 式用来计算无抗剪配筋的钢筋混凝土梁在弯、 剪 、 轴拉复合受力状态下的承载能力 ： ， = l C ， c J ( 1 o o o ) +J i 1 b w d 。( 1 ) 式 中： P f 为配筋率 ； 为 2 8 d 混凝土圆柱体抗压强 度标准值 ( M P a ) ； b 为构件宽度； d为构件厚度 ( m m ) ； 。 为横截面上的轴应力( M P a ) 。 在该公式中有一考虑轴力的线性项 k 1 。 ， 当其 为轴向压力时 ， 该项为正值， 可增加无抗剪配筋的钢 筋混凝土梁的承载能力 ， 实际上 ， 该公式是考虑预应 力构件中预压力的有利作用而推导出来的。 当其为 轴向拉力时， 该项为负值， 将导致承载能力线性降 低。 基于以上原因 ， 欧洲规范 2 第 1 部分 中对无抗 剪配筋的钢筋混凝土梁仍然规定 了最小抗 剪配筋 率 。 P w ， =( 0 0 8 ) f y k 。 ( 2 ) 式 中： 钢筋屈服应力标准值( MP a ) 。 然而， 在上述公式中将轴向拉力的影响简单地 通过反号加以考虑 ， 并没有明确的试验证 明， 相反 ， 迄今为止做过 的为数很少的试验研究L 3 _3显示 ， 钢 筋混凝土梁在弯、 剪 、 轴 拉复 合受力状态下的承载 能力随轴向拉力的增大 ， 下降得并不 明显 ， 规范条 文中给出的计算公式似乎过于保守， 规定的最小抗 剪配筋是不必要的。 同时 ， 还有其他一些参数 ， 如混 凝土等级、 配筋率、 剪跨比、 钢筋布置和构件预拉裂 等， 对钢筋混凝土梁的复合承载能力有何影响也有 待进一步研究 。 在此， 本文作者将在试验基础上， 对钢筋混凝 土梁在弯 、 剪 、 轴拉复合受力状态下 的承载能力进 行研究。 1 试验方案和试验步骤 1 1 试验方案 本次试验在德国斯 图加特大学建筑设计学院 和 O t t oG r a f 学院进行 一 引， 采用的试件为简支钢 筋混凝土梁， 2 支座中对中距离2 0 0 0 m i ll ， 梁体长 2 3 5 0 m l n ， 高 宽为 3 0 0 m l n 4 0 0 i n l n 。 试件两端为施 加轴向拉力的装置 ， 中间为施加横向集 中荷载的装 置 ， 试件示意图见图 1 。 2 3 5 0 S c h n i t t BB 图 1 试 件 示 意 图 Fi g 1 Te s t s p e c i me n 试件分为 A， B和C 3 个系列 ， 共 3 1 个试件， 分别 用来研究不同参数的变化对抗剪承载能力的影响， 梁体混凝土为 C 2 5 3 0 ， C 3 5 4 5和 C 5 0 6 0 共 3 种 ， 钢 筋为 B S t 5 0 0 S ， 其材料特性见文献 2 ， 试件的基本 参数见表 1 。 1 2试验步骤 1 )在试验开始之前 ， 先给每个试件施加 4 6 7 MP a 轴 向拉应力 ， 试件完成预拉裂后卸载 ； 2 )根据表 2 对 已开裂试件施加相应的轴 向拉 应力 ； 3 ) 轴向拉应力不变 ， 按每级 2 0 k N施加横向集 中荷载 ， 直至试件出现破坏为止。 2 试验结果和分析 2 1 破坏 形式 试验 结果表 明， 破坏形 式大致 可归为 以下 4 种 ： 1 )当在离支座较近( 剪跨 a d=3 ) 的一侧出 现一条剪切裂缝后 ， 试件突然破坏 ， 加力装置行程 继续增加 ， 而荷载 自破坏荷载明显下降。 2 ) 先在近支座侧出现1 条剪切裂缝， 然后在开 始出现第 2条较平缓的剪切裂缝时荷载略微下降， 当第 2条剪切裂缝形成后， 荷载超过第 1 条剪切裂 缝时的荷载明显上升 ， 直到试件由于第 3条更为平 缓的剪切裂缝的出现或是 由于先前出现的剪切 维普资讯 http:/ 第 2期 罗如登 ： 弯、 剪、 轴拉复合受力状态下钢筋混凝土梁的承载能力试验研究 表 1 试件基本参数 Ta bl e 1 Ba s i c p a r mn e t e r s o f t e s t s p e c i me n 注： 1 ) 预拉裂是指在试验开始前先将试件拉裂， 然后在承载能力试验中同时施加轴向拉力和横向集中荷载， 以模拟钢筋混凝土梁在已 开裂的情况下， 同时承受整体拉力和局部弯矩、 剪力的复合受力状态。 2 ) 剪跨比 ：。 d 。 其中： 。 为加载点到支座的中对中距离； d 为截面有效高度， 本试验取 2 5 O m m 。 为研究剪跨比的影响， 进行了2 种 方法加载 ： 一种为跨中加载 ： 此时剪跨 比为 1 0 0 0 2 5 0=4 ， 另一种为偏 载， 如图 1 ( a ) 所示 ， 此时剪跨 比有 2个， 分别为 7 5 0 2 5 0=3和 1 2 5 0 2 5 0 = 5 。 一 3 )C l 】 和 C 1 2每层钢筋为 3根 ， 中对中间距 1 6 c m。 4 )C l和 ( = 2 按规范 和式 ( 2 ) 进 行 0 1 1 的最小抗剪配筋 ， 用来研究最小抗剪配筋的影响。 裂缝的开展而在近支座侧破坏为止。 3 )在第 3 种破坏模式中， 荷载也是在近支座侧 出现第 2 条裂缝时略微下降， 之后荷载继续增大， 但是 ， 破坏是 由于在远支座侧 ( 剪跨 a d=5 ) 出现 1 条剪切裂缝而突然发生。 这是出现最多的破坏模 式 ， 见图 2 。 4 )在近支座侧出现与前 2种破坏模式相对应 的剪切裂缝后 ， 在挠度急剧增大的同时荷载增加地 非常缓慢 ， 没有再出现剪切裂缝。 试件 c 3一c 8 为跨中加载( 剪跨 a d=4 ) ， 无 法区分“ 近支座侧 ”和“ 远支座侧 ” ， 但破坏模 式也 相类似。 图 2 剪切破 坏后 的试件 B l ( 第 3 种破坏形式 ) F i g 2 T e s t s p e c i m e n B J a f t e r s h e a r f a i l u r e( t h e 3 r d f a i l u r e m o d e ) 2 2 承载能力 由于混凝土材性较为离散 ， 不是每个试件的荷 载在出现第 1条剪切裂缝后都能继续增大 ， 因此 ， 在确定破坏荷载 时采用如下原则 ： 剪切裂缝 出现 维普资讯 http:/ 4 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 7 年 4月 后， 第 1 次荷载下降前 的荷载最大值为破坏荷载。 此荷载即对应试件 的承载能力。 表 24 按不 同因 素的变化情况列出了各试件的承载能力实测值和 按式( 1 )的计算值 ， 以供 比较分析 。 从表 24 可见 ， 在其他因素相同 ， 并考虑混凝 土的离散性后 ， 弯 、 剪、 轴拉复合受力状态下的承载 能力随轴拉应力的增大总体上下降 ； 当轴拉应力不 超过 1 6 7 MP a 时 ， 实测结果与式( 1 ) 的计算值较吻 合， 超过 1 67 MP a 后 ， 式( 1 )的计算值显著降低 ， 两 者误差增大。 从表 3可见 ， 提高配筋率总体上可以提高 弯、 剪 、 轴拉复合受力状态下的承载能力 。 从表 4可见 ， 最小抗剪配筋可以显著提高弯 、 剪 、 轴拉复合受力状态下 的承载能力 ； 没有 预拉裂 的梁 ， 在轴拉应力低于混凝 土抗拉强度 时， 其弯 、 剪 、 轴拉复合受力状态下的承载能力 比预拉裂的梁 要高； 提高混凝土等级总体上可以提高弯、 剪 、 轴拉 复合受力状态下的承载能力； 当配筋率相差不大 时， 钢筋的布置形式对弯、 剪、 轴拉复合受力状态下 的承载能力影响不大。 表 2 各试件承载能力比较 ( 轴 向拉 力变化 ) T a b l e 2 C o m p a r i s o n o f s t r e n g t h c a p a c i t i e s ( w i t h t h e a x i a l t e n s i l e f o r c e v a r i e d ) 表 3 各试件承 载能力比较 ( 配筋率 变化) T a b l e 3 C o m p a r i s o n o f s t r e n g t h c a p a c i t i e s ( wit h r a t i o s o f t h e r e i n f o r c e m e n t v a r i e d ) 试 件 M P a 剪跨 a d 比 抗剪钢筋配筋 预拉裂 破坏模式 铋 承载能力实测值 按式 ( I )的计算值 2 8 3 2 8 3 2 8 3 1 6 7 1 6 7 l ， 6 7 l ， 6 7 1 6 7 5 o o 5 o o 5 o o 5 0 o 1 0 o 1 6 0 2 4 5 1 o o l ， 6 0 1 9 5 2 4 5 2 7 5 1 o o 1 6 1 9 5 2 4 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 C4 0 5 0 C4 0 5 0 CA C A Q C A Q C4 0 5 0 C4 0 5 O C4 0 5 0 C4 0 5 0 C A Q C4 0 5 0 C4 0 5 0 l 4 o 8 71 1 l 2 0 l ， 8 l 3 0 4 l l 3 6 1 3 8 6 9 2 O l 1 2 4 1 1 2 7 l 2 3 ， 6 1 2 2 4 I 5 3 2 I 3 4， 5 1 4 6 4 l 4 o 9 91 7 3 2 1 l 2 3 4 5 2 8 l l O 5 62 5 l 3 9 1 7 5 6 4 3 3 l 3 3 2 3 4 3 3 3 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 O O O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 斛瞄町 鼹 啪阱 维普资讯 http:/ 第 2 期 罗如登： 弯、 剪、 轴拉复合受力状态下钢筋混凝土梁的承载能力试验研究 4 3 表 4 各试件承栽能力比较( 其他因素变化) T a b l e 4 C o m p a r i s o n o f s t r e n g t h c a p a c i t i e s ( w i t h o t h e r f a c t o r s v a r y i e d ) 3 结论 1 ) 欧洲规范 2 第 1 部分中给出的计算无抗剪 配筋 的钢筋混凝 土梁在弯 、 剪 、 轴拉复合受力状态 下的承载能力 的公 式在轴拉 应力较大 ( 盯1 6 7 M P a ) 时过于保守 ， 有必要进行修正。 2 ) 规范规定的最小抗剪配筋可以显著提高 弯、 剪 、 轴拉复合受力状态下钢筋混凝土梁 的承载 能力。 3 ) 配筋率和混凝土等级是影响弯、 剪、 轴拉复 合受力状态下钢筋混凝土梁承载能力的重要因素。 4 )本次试验最常见的破坏形式 为剪跨较大侧 出现剪切裂缝而破坏。 5 )其他因素对抗剪极 限承 载力也有影 响， 有 必要进行进一步研究。 参考文献 ： 1 陈玉骥， 叶梅新 高速铁路下承式板桁结合梁的受力分 析 J 中南大学学报 ： 自然科学版， 2 O 0 4 ， 3 5 ( 5 ) ： 8 4 9 8 5 5 C I -I E N Y u - j i ，Y E M e i - x i n F o r c e o f t h r o ngh p l a t et r u s s c o m p o s i t e b e a m o n h i s h s p e e d r a i l w a y J J o u r n a l of C e n t r a l S o u t h U n i v e rs i t y ： S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 O O 4 ， 3 5 ( 5 ) ： 8 4 98 5 5 2 E u o d e 2 ： D e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c tu r e s - - - P a r t l ：G e n e r a l ri d e s a n d r u l e s f o r b u i l d i n g s S 2 O O 2 3 Z d l i S P D， P a p a d a k i s G C D i a g o n a l s h e a r f a i l u r e and s i z e e ff e c t i n R C b e a m s with o u t w e b r e i n f o rce m e n t J J o u ma l of S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， A S C E ， 2 0 0 1 ， l 2 7 ( 7 ) ： 7 3 3 7 4 2 4 】K u h l m a n nU， Z i l e h K， F _ l l m a n n J ， e t a 1 Q u e r l 【 珀 f l a b 叻 m g i n v e r b u n , e m m i t s c h b e w e h r t e r u n d a u $ z ng- b e a n s p r u c h u n g g e ds s e I l e r s t a h l b e t o n p l a t t e o h n e s c h u b b e w e t m s A b s c h l u s s b e r i c h t A 1 4 7 ，A V I F ，M i t t e i l u n g R I n s t i t u t f a r Ko n s t mk t i o n u n d E n t w u ff， U niv e r s i t S t u t t g a r t ， 2 0 0 2 5 E h m a n n J Q u e r k r a f t t r fi g k e i t z u g b e a n s p r u e h t e r s t a h l b e t 0 n p l a t t e n i n v e r b t m d b r U c k e n D M i t t e fl u n g ： I n s fi t u t f a r K o n s t r u k t i o n u n d E n t w u r f U niv e rsi t a t S t u t t g a r t 2 0 0 B 维普资讯 http:/