集中荷载下宽跨比对钢筋混凝土板受剪承载力的影响研究.pdf

2 0 1 2年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 2 No 4 Apr i l 集中荷载下宽跨比对钢筋混凝土板 受剪承载力的影响研究 鲁正 刚， 辛立 民， 马 雪晴 ( 安徽理工大学土木建筑学院， 淮南 2 3 2 0 0 1 ) 摘要 ： 通过对钢筋混凝土板 受剪试验结果的研 究， 分析 了宽跨 比对集中荷 栽下无腹 筋板破 坏形态和受剪承载 力的影响。研 究表明 ， 随着宽跨 比的增加 ， 板的破坏形 态由梁剪 、 冲剪变化到冲切 ， 并建议 了相应的受剪承载力计算 方 法， 该方 法计 算值 与试验结果 能较好地符 合。研 究成果 可供 工程设计及修 订规 范参考。 关键词 ： 钢筋混凝土板 ； 宽跨 比 ； 计算 宽度 ； 受剪承载力 Ab s t r a c t ：Ac c o r d i n g t o t h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s l a b s u n d e r s h e a r i n g c a p a c i t y ， t h e i n fl u e n c e s o f b r e a d t h s p a n r a t i o o n t h e f a i l u r e mo d e a n d s h e a ri n g c a p a c i t y o f s l a b s w i t h o u t we b r e i n f o r c e me n t u n d e r c o n c e n t r a t e d l o a d i n g a r e a n a l y z e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t wi t h t h e i n c r e me n t s o f b r e a d t h s p a n r a t i o t h e f a i l u r e mo d e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s l a b s t r a n s l a t e s f r o m b e a m s h e a rin g t o p u n c h i n g s h e a fin g F u r t h e r mo r e ， t h e f o r mu l a s f o r c a l c u l a t i n g t h e s h e a r i n g c a p a c i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s l a b s a r e p u t f o r wa r d T h e c a l c u l a t e d r e s u l t s a r e i n g o o d a g r e e me n t wi t h t h e e x p e rime n t a l o n e s T h e s u g g e s t e d f o r mu l a s h a v e f a i r l y g o o d p r a c t i c a l v a l u e a n d c a n b e u s e d a s t h e r e f e r e n c e t o t h e r e v i s i o n o f t h e c o n c r e t e s pe c i f i c a t i o n i n t he f ut ur e Ke y wo r d s ：Re i n f o r c e d c o n c r e t e s l a b s ； B r e a d t h s p a n r a t i o ； C a l c u l a t e d b r e a d t h ； S h e a r i n g c a p a c i t y 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 4 4 7 0 3 0前 言 在无梁楼盖 、基础 以及承受轮压 的桥面板中 ， 都会遇到钢筋混凝土板的抗剪问题【 l 删。大量 的试验 研究都注重于板 的剪切破坏和 冲切破坏_4 ， 但是 ， 对于二者之间的过渡破坏形态即冲剪破坏 ， 则较少 涉及 。本文主要分析了集 中荷载下钢筋混凝土板随 着宽跨 比的变化破坏形态在梁剪 、 冲剪和冲切之 间 的转化 ， 并提出了相应 的受剪承载力计算方法。 1 宽 跨 比对板 破 坏形 态的 影 响 通过对大量试验结果的分析 7 - 8 ， 表 明宽跨 比( b 。) 对板的破坏形态有 以下几个方面的影响。 1 1 板 中裂缝的形态 当板的宽跨 比较小时 ， 在集 中荷载底 部首先产 生弯 曲裂缝 ， 随着荷载的增加 ， 在剪跨区 出现弯剪 缝或腹剪缝 ， 当其临界裂缝出现板即破坏。 当板的宽跨 比较大时 ， 首先是在集中荷载底部 首先 出现弯 曲裂缝 ， 随着荷载增加 ， 在剪跨区发生 八字形斜裂缝及板顶冲陷缝。一般情况下 ， 当板侧 出现临界斜裂缝时 ， 板将剪切破坏 。当板侧斜裂缝 无明显发展 ， 在板底 出现环状缝时 ， 板顶冲陷 ， 板将 冲切破坏。从裂缝形态来看 ， 随着宽跨 比的增加 ， 板 的双向受力特征逐渐明显 ， 特别是 当集中荷载较大 时， 宽板常在两集中荷载连线附近出现纵向裂缝。 1 2 板内纵、 横 向钢筋的应变分布 当板 的宽跨 比较小 时， 在加载过程中 ， 跨 中各 纵筋应变较均匀 ， 横 向钢筋应变不大 ， 剪跨 区纵筋 应变虽小亦较均匀 ， 但 临近破坏 时， 与主斜裂缝相 交的纵筋可达到屈服强度 ，其应变分布不均匀 ， 横 向钢筋应变仍不大。 当板的宽跨 比较大时 ， 在集 中荷载底部 的纵筋 应变较大 ， 剪跨区内纵筋应变不均匀 ， 破坏时 ， 在大 剪跨 比情况下 ， 大部分纵筋应 变较大 ， 横向钢筋应 变分布不均匀 ； 小剪跨 比时， 少部分纵筋可屈服。 1 3 支座反力的分布 当宽跨 比较小 时 ， 对于宽厚 比较小的板 ， 其支 座 反 力 分 布 较 均 匀 ； 对 于 宽 厚 比较 大 的板 ， 其 支 座 中部的反力值偏大 ， 两端偏小 ， 随着荷载增加 ， 中部 反力值增长较两端快 ， 但板宽不大的板破坏时基本 上全支座受压， 如图 1所示。 ( a ) 宽厚 比较小 ( b ) 宽厚 比较大 图 1 宽跨 比较小时支座 反力分布示意 图 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 2期 当宽跨 比较大时 ，支座反力的分布规律如图 2 所示， 图中为在自重作用下反力分布均匀 ； 随 着荷载增加支座 中部反力增加较大 ，两端增 加较 少， 直到不增 ； 当板破坏时， 支座两端翘起 ， 此时 有效支承宽度将不是板的全宽。 图 2 宽跨 比较大时支座反 力分 布示 意图 2 板受剪承载力计算宽度 试验发现 ，宽跨 比较大 的板发生剪切破坏时 ， 其实际支承宽度并非板的全宽。如何确定集 中荷载 下板的真实 的受剪工作宽度是一个颇 为复杂且 理 论上较不成熟的问题。目前较为可行的办法是根据 试验结果找出用于抗剪计算 的有效分布宽度 ， 把该 宽度范 围内的板条 当作具有最大剪力的宽梁来计 算 ， 称此宽度为计算宽度， 用 b 表示。 由试验结果分析 可知 ， b 随 b L o 增大而增大 。 对于中置荷载板 ， 当 b L o 较小 时， 板全宽参加工作 ； 当 b L 。 较大时 ， b 随 b L 0 增 大而加大 ； b L 。 很 大时， b 则与 b L 。 无关 。本文采用文献 9 中钢筋混凝土板 的计算宽度 ， 其计算公式为： 中置荷载情况 6 = 1 ( 6 0 + 2 0 0 + 1 3 5 a ) ( 1 ) 式 中， 。 一 中置荷载约束系数 ， 简支板时 - = 1 0 ， 约 束板时 = 1 3 ； b 。 一 加载面宽度 ； h 。 一 板的有效厚度 ； a一 剪跨长。 边置荷载情况 6 ； ( 6 0 十 0 + 0 5 a ) ( 2 ) 式中， 一 边置荷载约束 系数 ， 简支板时 = 1 0 ， 约 束板时 = 1 2 ； 其它参数 同上 。 应用公式( 1 ) 、 ( 2 ) 时 ， 若计算宽度 b e 板宽 b ， 则 取 6 = 6 。 3 板受剪承载力建议计算方法 3 1 板的破坏特征 钢筋混凝土板在集 中荷载作用下 的破坏形态 随板的宽跨 比变化而不 删 ： 当宽跨 比大于 1时 ， 板 一 48一 将产生 冲切破坏 ， 且受冲切承载力与板的宽跨 比无 关 ； 当宽跨 比小于 1 且板 宽大 于加载 面宽时 ， 板将 产生冲剪过渡破坏 ， 此 时 ， 板 的受剪承载力随板宽 跨 比的减小而减小 ， 板的破坏形态兼有冲切破坏和 梁式剪切破坏 的特征 ； 当板的宽跨 比很 小 ， 致使板 宽与加载面宽相等时 ， 板产生梁式剪切破坏。 3 2 计算模式 分析试验结果可知 ， 影 响板破坏形态和承载力 的主要几何 因素有板宽 、 加载面尺寸和板厚等。本 文选择计算模式如 图 3所示。 由图 3可见 ， 随着板 宽跨 比的增大 ， 板 的破坏形态从梁式剪切 、 冲剪过 渡到冲切破坏。 图中， b z o 为梁剪和冲剪的分界点 ， b z 为第一界限宽度 ， 取为荷载作用面宽度 b 。 。b 。 为冲剪和冲切的分界点 ， b 为第二界 限宽度 ，取为 板的计算长度 2 o 。 v u 7 1 0 0 5 0 I l I 1 0 m b 7 o I一梁式剪切破坏 ； 一冲剪破坏 ； 一 冲切破坏 图 3 板 的破坏形态及受剪承 载力 与板宽跨 比的关系 3 - 3 建议计算方法 当板宽 b = b 6 。 时 ， 板产生梁式剪切破坏 ， 其 承载力可按 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规范 中梁受剪承载力公式计算 】 ， 即 ： I = 和 h 。 ( 3 ) 式中， A一 计算截面的剪跨比， 1 5 A3 0 ； A 一 配置在 同一截面内箍筋各肢 的全部截 面面积 ； s一 沿构件长度方向的箍筋间距。 当板宽 b u b b 时 ， 板产生冲剪过渡破坏 ， 其 承载力随 6 Z o 的增大而线性增加。根据大量 的试验 数据 ， 采用非线性数理统计方法 ， 回归分析得到 的计算公式如下 ： ：旦 S b h 。 ( 4 ) A +D 0 、 式中， A一剪跨 比； b 一 计算板宽， m m， 按 ( 1 ) 式、 ( 2 ) 式计算 ； 、 一 分别为 l O O p 、 1 0 Q O y ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 鲁正刚 ， 辛立 民， 马雪晴 集 中荷载下宽跨 比对钢筋混凝土板受剪承载力的影响研究 P O y 一 纵横向钢筋配筋率 ， ； h 一 板截面有效高度 ， mm； 一 混凝土抗拉强度 ， N ram 。 该公式的使用条件为 ： O 7 A4 。 当板宽 b b z 2 = Z 。 时 ， 板产生 冲切破坏 ， 其承载 力可按 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规范 中板 受冲切承载力公式计算 】 ， 即： ( 0 5 f , + 0 2 5 t r p ) 7 u h o + 0 8 A + 0 A s i n a ( 5 ) 式 中， 一 箍筋的抗拉强度设计值 ； A 一 与呈 4 5 。 冲切锥体斜截面相交的全部 箍筋截面面积 ； A ， 一 与呈 4 5 。 冲切锥体斜截面相交的全部 弯起钢筋截面面积 ； O t 一 弯起钢筋与板底面的夹角 。 4建议计算方法与试验结果的比较 关 于梁式剪切承载力和板的冲切承载力计算 ， G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0已做 了详细的规定 ，此处不再深入 探讨。本文主要研究冲剪过渡破坏状态的承载力计 算 。这里以文献 7 】 、 8 中的试验为例 ， 用建议计算公 式 ( 4 ) 对试验板进行抗剪承载力计算 ， 并将计算值 ( ) 与试验值( ) 作比较 ， 其结果见表 1 。 表 1 建议计算方法与试验结果 的比较 由表 1可见 ， 的均值 X= I 0 2 7 ，均方差 o r = 0 0 2 1 ， 变异系数 = 0 2 8 3 ， 符合性 良好。 说 明本文 建议 的承载力计算公 式较为准确 ，可用于工程实 际 。 5结 语 ( 1 ) 对边简支钢筋混凝土板在集 中荷载作用下 的破坏形态 随板宽跨 比的增加从梁剪 、 冲剪到冲切 破坏 ， 相应的板 的计算宽度和承载力计算方法也随 之 改变 。 ( 2 ) 以大量试验资料为基础建立的钢筋混凝土 板抗剪承载力计算公式 ， 较全面地考虑了各影 响因 素 ， 适用 于承受 中置 和边置荷载等不 同情况 ， 且符 合性 良好 ， 能够用于工程实践 。 ( 3 ) 当板宽从 加载面宽度 b o 逐 渐增 大时 ， 可相 应地依 次使用式 ( 3 ) 、 ( 4 ) 、 ( 5 ) 计算 其承载力 ， 这是 符合试 验所揭示 的对边简支板 受剪承载力随板宽 变化规律的。并且三个公式在边界处相互衔接 ， 构 成一个完整的计算体系。本文建议 的承载力计算公 式( 4 ) 是对现行混凝土结构设计规范 的一种补充 ， 可为今后规范修订提供参考 。 参 考 文 献 ： 1 郭长辉 ， 何 宇 ， 鲍 东杰 钢管混 凝土板柱 节点抗 冲切性 能 试 验研 究 J 建筑科学 ， 2 0 1 1 ， 2 7 ( 7 ) ： 5 3 - 5 5 【 2 Z h e n g Y ， R o b i n s o n D ， T a y l o r S ， C l e l a n d D F i n i t e e l e m e n t i n v e s t i g a t i o n o f t h e s t r u c t u r a l b e h a v i o u r o f d e c k s l a b s i n c o mp o s i t e b r i d g e s J E n g S t r u c t 2 0 0 O ： 3 l ： l 7 6 2 7 6 【 3 】 H a l l g r e n M， B j e r k e M N o n l i n e a r f i n i t e e l e m e n t a n a l y s e s o f p u n c h i n g s h e a r f a i l u r e o f c o l u m n f o o t i n g s J C e m e n t C o n c r C o mp o s 2 0 0 2 ( 2 4) ： 4 9 1 6 4 】 陈礼和 ， 刘瑞 ， 彭天 明 受集 中荷 载简支钢 筋混凝 土板的 试验研究 J 水利水电技术 ， 1 9 9 3 ( 9 ) ： 1 0 1 4 【 5 刘瑞 集 中荷 载钢筋混凝土板抗剪性能试验研究 J 河海 大学学报 ， 1 9 9 4 ， 2 2 ( 4 ) ： 8 5 9 0 6 】 周朝 阳， 任达 板及基础 冲切 承载 力随混凝 土强度的变化 J 青海 大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 2 ， 2 0 ( 1 ) ： 1 - 7 7 黄相才 ， 万卷 ， 王清湘 ， 彭天 明 对称 中置集 中荷 载钢筋混 凝土无箍 板抗剪强 度试验研究 J 建筑结 构学报 ， 1 9 9 3 ， 1 4 ( 1 ) ： 4 4 5 3 8 】 万卷 ， 黄相才 ， 王清 湘 ， 彭天 明 对称边 置集中荷载钢筋混 凝土 无箍 板抗剪 强度试 验研究 J 河南 科学 ， 1 9 9 0 ， 8 ( 3 - 4 ) ： 1 0 6 1 21 【 9 】 黄相才 ， 万卷 ， 王清湘 ， 彭天 明 钢 筋混凝 土无箍板抗剪强 度试验研究 J 】 土木工程学报 ， 1 9 9 3 ， 2 6 ( 2 ) ： 9 - 1 8 1 0 韩菊红 ， 丁 自强 对边简支钢筋混凝土板受剪性能试验研 究I J 1 工业建 筑 ， 2 O 0 1 ， 3 1 ( 2 ) ： 1 8 - 2 0 【 1 1 】 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝 土结构 设计 规范 北京【 S 】 北京 ： 中 国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 0 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 2 - 2 4 作者简介 ： 鲁正刚( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 通讯 地址 ： 淮南市舜耕 中路 1 6 8号安徽理工大学本部 联系电话 ： 1 5 9 5 5 4 8 9 1 2 5 E -ma i l ： a u s t lz g 一 1 63 1 6 3 c o m 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m