受弯构件斜截面破坏的机理与研究.doc

高等结构实验

学院：土木工程学院
班级： 5班
姓名：魏亚男
学号：

受弯构件斜截面破坏的机理与研究
本科的时候由于学习过混凝土结构设计原理这门课程，所以对受弯构件的斜截面的承载力和受剪破坏形态有一定的了解。现在上了高等结构实验这门课程，着重对试件的实验过程进行分析和从主线上有更为进一步的理解。今天去观测了庭院内往届师兄做过的实验构件，也让我对实验的破坏形态有了更近一步的研究。
如图可以很直观的观测到梁的端部有一条斜裂缝的存在。由《混凝土结构设计原理》可知，钢筋混凝土梁在剪力和弯矩共同作用的剪弯区段内，会产生斜裂缝。
斜截面受剪破坏重要有三种形态，斜压破坏，剪压破坏和斜拉破坏，而这三种破坏都是在无腹筋梁或者箍筋数量配置过少时产生的。
钢筋混凝土受弯构件斜截面破坏理论分析
无腹筋梁斜裂缝受力情况与破坏形态
在钢筋混凝土梁中，我们一般把箍筋和弯起（斜）钢筋统称为梁的腹筋。把配有纵向受力钢筋和腹筋的梁称为有腹梁筋，而把仅有纵向受力钢筋而不设腹筋的梁称为无腹筋梁，现先从相对较简朴的无腹筋梁入手分析。
斜裂缝出现前构件的受力状态
下图为一个只配设受拉主筋（无腹筋）的矩形截面简支梁，现研究其在剪力和弯矩共同作用下的典型破坏过程。梁上作用有两个对称的集中荷载，荷载和支座之间的剪力 V 为一常数，弯矩为线性变化。图中 AC 段和 DB 段称为剪弯段，长度 a 为剪跨，与截面有效高度h0 之比称为剪跨比（λ=h0/ a ），CD 段称为纯弯段。
当梁上荷载较小时，裂缝尚未出现，钢筋和混凝土的应力-应变关系都处在弹性阶段，所以，把梁近似看作匀质弹性体，可用材料力学方法来分析它的应力状态。在剪弯区段截面上任一点都有剪应力和正应力存在，由单元体应力状态通过 Mohr 应力圆计算，可以得到各点主应力的数值和方向，并绘制梁的主拉、主压应力轨迹。

从主应力轨迹线可以看出，剪弯区段主拉应力方向是倾斜的，与梁轴线的交角约为45度，而在梁的下边沿主拉应力方向接近于水平。在矩形截面梁中，主拉应力的数值是沿着某一条主拉应力轨迹线自上向下逐步增大的。混凝土的抗压强度较高，但其抗拉强度较低。
斜裂缝出现后的受力状态
在梁的剪弯段中，当主拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，就会出现斜裂缝。梁的剪弯段出现斜裂缝后，截面的应力状态发生了质变，或者说发生了应力重分布。这时，不能用材料力学公式来计算梁截面上的正应力和剪应力，由于这时梁已不再是完整的匀质弹性梁了。
图 2.2 为斜裂缝出现前后Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面的应变分布图。截面应变差异表白，斜裂缝出现后，将梁提成上、下两个部分，梁内应力发生了重分布，其重要表现为斜裂缝起始端的纵筋拉应力忽然增大，大部分荷载将由斜裂缝上方的混凝土传递，剪压区混凝土所受的剪应力和压应力亦显著增长。

下图为一根出现斜裂缝后的无腹筋梁，现沿斜裂缝将梁切开，取左边隔离体AA′BCD进行受力分析。在隔离体上，外荷载在斜截面AA′B 上引起的弯矩为MA 、剪力为QA ，而斜截面上的抵抗力则有：①斜截面上端混凝土剪压面 AA′上压力Dc 和剪力Qc ；②纵向钢筋拉力Ts ；③在梁的变形过程中，斜裂缝的两边将发生相对剪切位移，使斜裂缝面上产生摩擦力以及骨料凹凸不平互相间的骨料咬合力，它们的合力为Sa ；④由于斜裂缝两边有相对的上下错动，从而使纵向受拉钢筋受剪，通常称其为纵筋的销栓力Qd 。

几种无腹筋梁斜截面破坏状态

1. 剪压破坏状态
中档剪跨比（ 1≤λ≤ 3 ）的梁，在加载实验过程中的受力变形、裂缝和破坏特点如图，这种破坏是最常见的斜截面破坏形态。斜裂缝是从先出现的竖向裂缝斜向延伸出来的，并随着荷载的增长向集中荷载的作用点处沿伸，这种斜裂缝也许不止出现一条，但随着荷载的增长，在众多的斜裂缝中形成一条延伸较长、扩展较宽的重要斜裂缝。通常称之为“临界斜裂缝”。临界斜裂缝出现后，梁还能继续加载，这时，与斜裂缝相交的腹筋应力迅速增长而达成屈服强度，荷载重要由剪压区的混凝土承受，斜裂缝继续向上延伸，剪压区面积减小，最后使混凝土在弯矩和剪力的作用下，亦即在压应力和剪应力的复合作用下达成混凝土复合受力时的极限强度而破坏，这时剪压区混凝土有一些水平裂缝和混凝土碎渣。所以，当剪压破坏时所施加的荷载，明显地大于斜裂缝出现时的荷载。

2. 斜压破坏
剪跨比<1时，荷载靠近支座，梁端竖直方向的正应力集中在荷载板和支座面之间的斜向范围内，其数值远大于水平正应力和剪应力，主压应力方向大体平行于荷载和支座反力的连线。当荷载逐渐增大，临近试件破坏前，一方面在梁腹中部出现斜向裂缝，平行于荷载—反力连线。此后，裂缝沿同一方向同时往上和往下延伸，相邻处出现多条平行的斜裂缝。最终，梁腹中部斜向受压破坏，其受力模型和破坏特性与轴心压力作用下的斜向短柱相同，如图2.5。
3. 斜拉破坏
剪跨比较大时，荷载位置离支座已远，竖直方向正应力对梁腹部的影响很小。试件加载后，一方面跨中纯弯段的下部出现受拉裂缝，垂直向上延伸。当梁端剪弯段的腹部中间形成 45°的腹剪斜裂缝后，不久地往两个方向延伸：裂缝向上发展，倾斜角渐减，到达梁的底部将梁切断；裂缝向下发展，倾斜角渐增，到达受拉钢筋的梁底处，裂缝已是竖直方向。斜裂缝的下部在荷载作用下往下移动，带动受拉钢筋，使梁的端部沿钢筋上皮把混凝土保护层撕裂。导致最终破坏的斜裂缝是主拉应力控制的混凝土拉断破坏，如图2.6。
有腹筋简支梁斜裂缝受力分析及弯剪承载力计算
配置箍筋的梁的受力分析
由上一节知识可知，无腹筋梁的弯剪承载力十分有限，若局限性以抵抗荷载产生的剪力时，设立横向箍筋是很有效的措施。同时，箍筋还起到固定构件纵筋位置、承受长期温度应力、减小裂缝宽度等作用。
配置箍筋的钢筋混凝土梁，在临近界线荷载时，梁端剪跨段内各箍筋的实测应力应变分布状况如图 2.7。当荷载P很小混凝土未开裂之前，箍筋中的应力很小。在配有箍筋实验梁的荷载实验中，观测到的箍筋实测应力很小[图 2.8]:当荷载 F=24k N 时，箍筋实测应力仅 8MPa。因而，在斜裂缝出现前，箍筋的作用不大。

增长梁上荷载，在较大弯矩区出现竖直方向的受拉裂缝。这种裂缝与箍筋平行，对箍筋的应力影响仍不太大。继续增长荷载，受拉裂缝向上延伸，斜角减小，形成弯剪裂缝；靠近支座处则出现倾斜的腹剪裂缝，并往上、下两边延伸。当这些裂缝与箍筋相交后，箍筋的应力忽然增大。随着斜裂缝的加宽和延伸，箍筋的应力继续增大，又有箍筋出现应力突增。致使各个箍筋应力值各不相同，即使同一箍筋的应力沿长度（截面高度）方向的分布也很不均匀，完全取决于斜裂缝的位置和开展限度，在支座范围及其附近的箍筋由于受到支座反力的作用，也许承受压应力。
构件临近破坏时，靠近腹剪裂缝最宽处的箍筋一方面屈服，虽维持屈服应力，但已不能限制斜裂缝的发展。随之，相邻的箍筋相继屈服，斜裂缝宽度沿全长增大，骨料咬合作用减弱。最终，斜裂缝上端的混凝土在正应力和剪应力的共同作用下破坏，同样形成剪压破坏形态。在破坏后的斜裂缝最宽处可以看到箍筋被拉断，断口有明显的颈缩现象。
2 .斜筋的作用
起钢筋进入截面上部，并穿过支座，可作为连续梁的抗弯矩主筋。弯起部分设在梁内的适当位置，斜裂缝与之相交后受到钢筋的约束，裂缝的发展被减缓，增大了构件的弯剪承载力。
弯剪钢筋的抗剪作用和箍筋相似：斜裂缝出现前影响很小；斜裂缝延伸并穿越弯起钢筋时，应力突增；沿弯起钢筋的长度方向，应力随裂缝的位置而变化；构件被破坏时，与斜裂缝相交的弯起钢筋也许达成屈服，取决与裂缝的位置和宽度。
综上可见，配置箍筋是提高梁抗剪承载力的有效措施。箍筋一般是沿梁剪跨布置的，在梁的剪跨范围内只要出现斜裂缝，相应部位的箍筋就发挥作用。弯起钢筋或斜筋只有与临界斜裂缝相交后才干发挥作用，可以提高梁的抗剪承载力。实验证明，梁的抗剪承载力随弯筋面积的加大而提高，两者呈线性关系。弯筋仅在穿越斜裂缝的部位才也许屈服。当弯筋恰好从斜裂缝顶端越过时，因接近受压区，弯筋有也许达不到屈服强度，计算时要考虑这个因素。弯起钢筋虽能提高梁的抗剪承载力，但数量少而面积集中，对限制大范围内的斜裂缝宽度的作用不大，所以，弯筋不宜单独使用，而总是与箍筋联合使用。
设立腹筋的简支梁斜截面剪切破坏形态与无腹筋简支梁同样，也概括为斜拉破坏、斜压破坏和剪压破坏。但是，箍筋的配置数量对有腹筋梁的破坏形态有一定的影响。
通过本次的实践与学习，让我对梁的斜截面破坏形式和机理有了更近一步的了解，同时也学会了文献的查找方法和应用方式，并且让我知道了除了abaqus以外，尚有ansys软件可以进行仿真模拟。这次的论文真的让我收获颇丰！