（土木工程专业论文）无粘结预应力混凝土梁受剪性能非线性分析及试验研究.pdf

东南人学顾i ：学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以注明和致谢的地方外，论文中不包含他人已发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名趣日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签孝幺匾导师签名：江日期： 研究生签名；咝妾导师签名：墨星诬 日期： 提出以来，无粘 其原因主要有以 种不同的理论公 归出一个具有一 定保证率的经验公式作为设计标准。随着预应力混凝土结构的广泛应用，其抗剪承载力研究已经成了 结构设计中迫切需要解答的问题之一。故本文主要对无粘结预应力混凝土梁抗剪性能进行了试验及理 论研究。 ( 1 ) 总结当前抗剪研究现状，本文专门设计了一批试验梁。主要试验参数选取一些影响抗剪性能 的主要因素：如曲线预应力筋的弯起角度，而固定一些研究得很透彻的因素：如剪跨比、尺寸效应等。 主要观测了各影响因素对梁抗剪承载力的贡献，以及裂缝的开展模式、破坏形态等。从而初步了解无 粘结预应力混凝土梁的抗剪性能。 ( 2 ) 基于试验，以有限元理论为基础，运用现行发展最为成熟的有限元程序a n s y s 建立了适用 于无粘结预应力混凝土梁非线性全过程分析的有限元模型。利用所建模型对试验梁的受剪性能进行模 拟。通过数值模拟结果与试验结果的对比分析，验证此模型用于分析无粘结预应力混凝土梁受剪过程 的可靠性，从而为研究试验中未考虑的抗剪影响因素，如分布纵筋率、混凝土强度等作准备 ( 3 ) 基于前面所建立的无粘结预应力混凝土梁有限元模型，首先对试验中未能考虑的其他抗剪影 响因素如纵向分布筋、混凝土强度等，进行了深入分析。从而从各个角度更深入地了解到了预应力混 凝土梁的抗剪机理。然后，基于无粘结预应力混凝土梁的试验研究、数值模拟及影响因素分析，结合 其它相关文献试验数据，对无粘结预应力混凝土梁抗剪承载力进行统计回归分析，提出了考虑各影响 因素的无粘结预应力混凝土梁抗剪承载力回归公式。 ( 4 ) 基于变角桁架一拱模型，推导了无粘结预应力混凝土梁的理论抗剪承载力公式。并将试验实 测值与理论计算值及g b5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 规范、美国a c i3 1 8 0 5 规范、美国a a s h t o 公路桥涵设计规范 的抗剪承载力公式计算值进行对比分析，计算结果表明，推导公式简明且不失精确性。 关键词： 受剪无粘结预应力混凝土试验研究非线性有限元统计回归分析 i 岫s t 俺c t n o n i i n e a ra n a l y s i sa n d e x p e i i m e n t a lr e s e a r c ho n s h e a r p e r f o r m a n c e0 fu n b o n d e dp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb e a m s m s c 蚰d i d a t e ：q n l ny e _ y 的 s u p e r v i s o r ：舡s o d a t ep r o f 醅s o rq i i lw e i h g a b s t r a c t s i i l c e19 2 0 s ，t h e 伽唧p to fm 岫d e dp 她s 嘛s e dc c t e 蚰m c t i l r w 勰f i l l s t l yp u t 内州r a mb yg 锄雒 g 妇燃；r f a i b t h ea p p h l i o f 硼b o n d c dp 崩；懈s e dc o n 讹t eh 鹪ah i s t o l yo f8 0y 翰堪h 佣唧n 措 s h e 缸m 觑i h 越i i s mh 勰t l ，e e nu n 出搬；t o o d 砌l y t h e 阳a s o n sm a i n l yi n c l u d 鹤t h ef 0 u o w i i l g ：丘r s t t h ei n n l i e n f a c t o 璐o fs h e a r p a c i t yw e 心m m l e 跗憾；蛐d c o n d ，t h el l i 硎c a lf o m m l 舔w 舔百v 饥b y 甜c h 啪矗幔 d i 丘- e n ta n 西e s 嘁t h 伽暇嫩c a lf 0 m u l 嬲h v en o tu n i 丘c d a n dt l i 讹f 0 鸭b 砌o nt l l et e s td 旭n l e 锄咖c a l 缸唧l a 、) i r i t hac 瞰a i np 毗捌l 毋、糯p r 0 刚l e d 越龇d c s 酒c f i 矧ai nd i 脑e n tc o d e s 晰t hm e w i d ea p p l i c a 缸o no f 印s 嚣s e dc o n c t es 蚋l c t l l 嘲，s h e 盯p a c i t yr 豁黝畎血o fp 托s 蚋：路e dc 岫c 他伦m 既n _ b c 墙 h 勰b i o m e eo ft h em 鼍r a l tp m b l 铡晦i nt h es t l l l c t i l 豫ld e s i g 也t h ee x p i 晡m e n t a i 代s 蝴而ha n d 也伽忧t i c a l s t i l d y l h e m l b m l i l d e d p 麟吣e d c o n 拙b i 嬲飘岈代：t e d l os b e 缸h 羽帕b e c n t a k 瞰i n l l l i s 弘l p 阢 ( 1 ) o nt l l eb a s i so f 跚m m a 硒n gt h ec l 】哐他n t 飑s e 眦hs i t t l 撕o no fs h e 瓯as c r i 髓o ft e 吼k 籼w e 聘 d e s _ i g n e dt oi n w 塔吐g a t et h ei n n l 蛔n c 近gf 犯t 0 携s t l 髓rp 硎b 如均n ，s 眦h 勰l h eb 舶da n g l eo fc 毗、，e 舯嘲删t e l l d o 璐；锄d 血e d 鲫i i i n u 饥c ef a c t o 幅n l a tw l 鹏m o m u g l i l y 豫l 铭f c h e d 蚰c h 弱t h es h 鲫掣 瑚瞄o ，t h es i 鹅e 任砧t e t c t h em 萄o ra i m so ft h ea 【p i 洳e n tw e 心t oo t 擒删eh o wv 撕o u sf l a c t 0 侣射l i e c tt h e h e 越c a p a c 时o fb 狮s ，口kd 薯e l o p m tm o d e ，筋l m 屯p 甜锄，鳓c a n d ，t h es h e 缸p | 刑一o 】口匿啪o f 也e m i b o u n d e dp l 镁i 仃酬c 啾b e a l l 嵋i s 爬v i 隐l e dp 陀l i i | 面 耐l y ( 2 ) b a s e do nt h et e 鸭t h cm o s tm a t i l ma n s y sf i n i t ee l e m e n tp f o 毋狮m 0 i d e l sw 勰b u i nu pt oa 越l y z e 触gb d 娜i o ro f 雕s 臼嚣s e do 呲瞅eb c a 粥n e 谳i a b i l i t ) ro fm e 丘n i t ed 啪t 啪捌w 勰v 砥f i e db y a n a l 徊c a lr e s l l l 协o fl 懿tb 吒韧毗si n 唧a r i n 、历t ha 【p 渤e n t a lo n 嚣，t l l l 珞m d ep i _ e l 刎sf b r l h e 跚b 8 0 q i l 舳ts h 凼gf a c o o 堪他s 黜h ，趴l c h 舔n l el 垂劬曲l a l l y d i s t r i b u t c dw c br e i n f 0 锄e n t ，l h c n c r e 把 s 仃饥g l l l ，e t c ( 3 ) g i v 也el i m i 洲。璐o ft c s tm e t h o d s ，b a s e d l l l ef i i l i i ee l e i t i 饥tm o d e lw h i c hh 私b 嘲鹤协b l i s h e d b e f 0 ，t l l ep a p 盯p r o c e e d 撇觚a l y s i s i i l f l u 饥c i i l gf a c t 0 撂t l l a tt 岱t sd i d i l tf 她璐，s u c h 勰t t 坞 l o n 西t i l d i n a u 灿仃i b i i t e dw e b 他i i l f o 删e n tm t i o ，l l l ec o n c r e t es 仃i m g m ，e t c s 0 ，s h e 缸m l l a n i 锄o f l l n _ b o n d e dp 麟懈s e dc o n c 咄eb 鲫哪w 勰岫d e 璃t a n d e d 缸吼v 撕。惦锄g l 馏锄dm o p e 嘶n g l y b 够e d 蚰t l l e 麟p e 】曲啪t a l 瑚e a r c i l n 啪谢c a ls i i i l u l a t i o n 锄ds h e 盯i n n u 锄c i i l gf a c t 0 璐a 他l y s i s ，t l 圮s h e 盯c a p a c i 缈 托g 嘣两伽f o m m l ao f 瑚b o u n d e dp 懈缸镐s e dc e t cb 咖s 哪p i l tf o l 肿一a f l e rt a l 【i n g a l ll h e 幽e 甜 c o n t r i b 而so f m ei i l n u f a c t 0 鹉i n t o 仪咀s i d e r a t i o n ( 4 ) b 勰e d 谢a ：b l ea n 西em 墙s 嫩hm o d e l ，at l l e o r e d c a lf o m m l aw 鹞删o p e d t op 删c tt t l es h e 篮 p a u c i t ) ，o fu d b o n d e dp r e s n _ 髂s e dc o n c r 吼eb 黜s c o m p 删谢t l it l l et e s t e d 他跚l t s 姐d 吐l ef a i l u 飑s h e 盯 c a p a d 桫c a l c l l l a t c db yg b5 0 0 l o 2 0 0 2 ，a c l 31 8 d 2 锄da m 鲥c 觚从s h l dh i g h 啪y 嘶d g ed i 鲈 i i 东南大学硕士学位论文 s p e c i 丘c 撕鸭l h 腓a 曲o w nt h a t t l yw 勰m e t h 伽嘴t i c mf 0 棚m l ac 0 妇鼬p 喇s e k c 妒唧凼：s h e 叠r 岫b o 衄d e dp n s n - e s s e dc 蚰c 聆t e e x p e r i m e n t 砒聆s 魄托h ，n o n - h n rf h i 钯e k m e 雠 m e m o d s t a 恤廿c mr 铭聆s s i o na n a l y j 出 m 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 目录 第一章绪论l 1 1 弓l 言1 1 - 2 抗剪研究发展历程。l 1 2 1 国内抗剪研究发展综述l 1 2 2 欧美抗剪研究发展综述2 1 3 抗剪研究方法和影响因素2 1 3 1 抗剪承载力研究方法2 1 3 2 抗剪承载力影响因素5 1 4 预应力混凝土结构抗剪研究现状6 1 4 1预应力混凝土结构试验研究6 1 4 2 预应力混凝土结构抗剪理论研究7 1 - 5 钢筋混凝土结构非线性有限元分析研究现状8 1 6 当前抗剪研究存在的分歧及本文研究的内容9 1 6 1 预应力混凝土结构抗剪研究分歧9 1 6 2 本文研究的内容1 0 参考文献1 0 第二章无粘结预应力混凝土梁受剪试验1 3 2 1 弓i 言l3 2 2 试验方案介绍13 2 2 1 试件设计l3 2 2 2 材料性能16 2 2 3 加载方案1 7 2 2 4 边界处理l8 2 3 试件加载过程1 8 2 4 试验结果初步分析2 0 2 5 本章小结2 6 参考文献：2 7 第三章无粘结预应力混凝土粱非线性有限元分析2 8 3 1 引言。2 8 3 2 有限元模型的建立2 8 3 2 1 建模方式2 8 3 2 2 单元简介2 9 3 2 3 材料破坏准则3 0 3 2 4 材料本构关系3 2 3 2 5 收敛策略3 4 3 2 6 曲线预应力筋混凝土梁建模3 5 3 3 有限元与试验结果对比分析3 6 3 3 1 荷载一挠度曲线3 6 3 3 2 裂缝开展模式3 7 3 3 3 混凝土应变分布。3 9 东南大学硕士学位论文 3 3 4 钢筋应变- 3 3 5 预应力筋应力。 3 3 6 试验及数值模拟结果分析。 3 3 7 抗剪影响因素分析 3 4 无粘结与有粘结预应力混凝土梁对比分析 3 4 1 荷载一挠度曲线 3 4 2 有粘结及无粘结预应力混凝土梁数值模拟结果分析 3 5 数值模拟问题小结 3 6 本章总结 参考文献 第四章无粘结预应力混凝土粱抗剪承载力影响因素及回归公式 4 1j ；i 言 4 2 模拟方案设计 4 3 受承载力剪影响因素( 有限元计算补充因素) 参数分析 4 3 1 纵向分布钢筋。 4 3 2 混凝土强度 4 3 3 剪跨比。 4 4 无粘结预应力混凝土梁抗剪承载力回归分析 4 4 1 无粘结预应力混凝土梁抗剪影响因素小结 4 4 2 无粘结预应力混凝土梁抗剪承载力回归公式 4 5 本章小结 参考文献 第五章无粘结预应力混凝土粱受剪承载力推导 5 1 弓f 言6 9 5 2 基于变角桁架一拱模型的无粘结预应力混凝土梁抗剪承载力推导6 9 5 2 1 现有研究概述6 9 5 2 2 无粘结预应力混凝土梁抗剪机理分析7 0 5 3 各国规范公式与推导公式的对比分析。7 4 5 3 1 中国规范( ( m5 0 0 l m 2 0 0 2 ) 受剪承载力计算公式。7 4 5 3 2 美国规范( a c l 3 1 8 0 5 ) 受剪承载力计算公式7 4 5 3 3 美国a a s h l o 公路桥涵设计规范受剪承载力计算公式。7 5 5 3 4 基于试验数据的抗剪承载力计算方法分析比较7 5 5 4 本章小结7 6 参考文献7 6 第六章结论与展望7 7 6 1l ；论7 7 6 2 展望7 7 致谢7 9 v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 9 世纪2 0 年代水泥出现以来，随着社会的发展、生产的需要，结构混凝土的应用得到了巨大的 发展。其发展史可划分为三个阶段，第一阶段中，在混凝土内加入钢筋而产生了钢筋混凝土，于是结 构混凝土第一次以合格的复合材料的身份登上了建筑材料的历史舞台；第二阶段中，通过钢筋对混凝 土进行力学处理而产生了预应力混凝土，它使得结构混凝土成为一种具有强大生命力而可与其它任何 材料媲美的新型材料；第三阶段中，突破了全预应力混凝土的概念而发展了兼有全预应力和普通钢筋 混凝土两种结构优越性的部分预应力混凝土，使得结构混凝土的发展日趋完善，成为当今的一种主要 建筑材科而普及于全世界。 预应力的基本思想就是人为地造成内应力以抵抗使用过程中产生的应力，这种技术在日常生活中 也经常可见，如套紧铁箍的木桶、张紧的自行车轮子的辊条，绞紧蝇索的木锯等。将预应力思想首先 应用于混凝土的则是美国工程师p h j a c h s ，他于i9 世纪8 0 年代在钢筋混凝土拱内张紧钢拉杆 作楼板，并获得专利，接着德国的c e d ( 眦g 也获得了在楼板受荷前用已施加预应力的钢筋来 加强混凝土的专利，但这些早期的尝试都由于未认识到混凝土的收缩徐变变形会产生过大的预应力损 失而未能获得成功，直到1 9 2 8 年法国工程师弗来西奈( f r e g s s i t ) 在总结前人经验的基础上，认识到徐 变对预应力损失的影响，提出了预应力混凝土必须采用高强钢材和高强混凝上之后，预应力混凝土才 进入实用阶段j 。 预应力混凝土结构分为有粘结和无枯结两种。其中无粘结预应力技术作为后张预应力体系的一个 重要分支，由于其特有的优点得到了广泛的应用。首先，由于无粘结预应力筋不须留孔，截面有效高 度与截面高度的比值可以取的比较大，因而被采用于截面高度较小的结构构件，如平板、单向板和双 向板、密肋板和扁梁等：其次，由于无粘结预应力筋在张拉时引起的摩擦损失比有粘结预应力筋小得 多，。因而无粘结预应力筋也被应用于多跨超长束预应力结构中。另外，由于无粘结预应力结构的施工 工艺相对简单，在一些施工条件较为复杂的情况下也用得较多【2 1 。 从2 0 世纪2 0 年代无粘结预应力混凝土结构这一概念由德国的f a i b | 贸明确提出以来。无粘结预 应力混凝土的应用已有了8 0 年的历史，然而其抗剪机理一直没有完全弄清楚，至今仍没有找到一种合 理的模型去预测其抗剪性能。因此，各国抗剪设计规范都依赖于经验并带有明显的局限性。这些依赖 于经验的设计方法使工程师遇到非常规问题时无从下手；因为没有一个合理准确的模型，经验设计方 法往往对结构的抗剪承载力取的是下限值，造成了资源的浪费。因此，随着无粘结预应力混凝土结构 的广泛运用，其受剪承载力的研究也显得越来越重要。 1 2 抗剪研究发展历程 1 2 1 国内抗剪研究发展综述 我国传统的抗剪承载力计算大体上可以分为几个阶段【3 】。即5 0 年代以前采用容许应力的设计方法； 5 0 年代以后先是采用前苏联规范唧t y l 2 3 5 5 ，6 0 年代以后我国规范b j g 2 l - 6 6 也采用了前苏联的以 破损阶段法为基础的斜截面承载力计算的经验公式；7 0 年代我国根据自己的科研成果在规范 g b j l o 7 4 中采用较为简化的抗剪计算公式，该公式是在前苏联公式基础上的改进。自1 9 7 4 年以后的 1 0 多年中，我国开展了大规模的试验研究工作，仅抗剪承载力专题研究组进行的试验研究其试件数量 就超过一千个。在此基础上产生了g b j l 0 8 9 规范的斜截面受剪承载力计算公式，与g b j l o 7 4 规范相 1 东南大学硕士学位论文 比，新规范增加了偏心受力构件的斜截面受剪承载力计算公式，并且把抗剪承载力的计算扩大到连续 梁、约束梁、预应力梁和框架柱等各个领域。g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 中对g b j l 0 8 9 规范又作了进一步的规定 和细化，主要有：a - 进一步提高了受剪承载力的可靠指标，适当降低了某些承载力计算公式中的一些 系数和参数。b 增加了无腹筋板类受弯构件的斜截面受剪承载力计算公式。c 为使计算公式能适用于高 强混凝土，将原规范中的混凝土轴心抗压强度表达的混凝土受剪承载力改用以混凝土轴心抗拉强度表 达。正适应高强度混凝土，在原规范中的截面尺寸控制条件中，加入了考虑混凝土强度影响的系数。 e 增加了圆形截面构件的斜截面受剪承载力计算方法。增加了矩形截面双向受剪的钢筋混凝土框架柱 的受剪承载力计算公式。虽然中国规范的发展在很大程度上提高了混凝土抗剪计算的准确性同时也确 保了构件设计的安全性，但是因为其在抗剪设计中仅仅考虑了混凝土和腹筋的抗剪作用而忽略了纵筋、 弯矩、及轴向力对结构抗剪的影响，因此其计算结果具有一定的保守性又具有一定的非保守性 1 2 2 欧美抗剪研究发展综述 混凝土结构抗剪承载力的研究早从1 9 0 0 年起就开始了，欧洲和美国抗剪研究的进展情况可以划分 为下列几个阶段： 1 9 0 0 年以前研究抗剪破坏的机理，并最终确认剪切破坏主要是由斜拉力引起； 1 9 0 0 1 9 4 0 年以斜拉破坏为重点进行抗剪研究： 1 9 4 0 1 9 5 0 年经验公式探索时期： 1 9 5 0 1 9 5 5 年有组织的进行研究。美国1 9 7 3 年a c i - a s c ec 啪m i t t e 4 4 5 【4 】在剪切和斜拉报告中 认为1 9 5 0 1 9 6 0 年是美国集中抗剪研究时期，这一时期德国【肋n h a r d t 等人也进行了大量抗剪试验。 1 9 6 0 1 9 8 0 年对斜裂缝与剪切破坏形态、梁截面尺寸及形状、支座形式、配筋方法、荷载作用 方式、预应力、骨料的影响进行了较多的试验研究。 1 9 8 0 年以后，主要在抗剪理论研究方面有较大的发展，其中建立在桁架模型基础上的斜压场理 论( c f l r ) 【5 】【8 】统一理论【9 j ，拉压杆模型( s 1 m ) 【1 0 】f 1 2 l ，扰动应力场理论( d s f m ) 【1 3 l 【1 5 l 相继被介绍到抗剪设计中来。另外，随着计算机的极大发展，建立在非线性有限元基础上的数值分析 方法也不断被使用。同时为了能比较全面的考虑众多的抗剪影响因素，人们引进了新的抗剪承载力预 测模式一神经网络方法。近十几年来，新材料和新结构的出现也给抗剪带来新的课题，如高强混凝土， 碳纤维布等的出现。 经过一个多世纪的试验和理论研究，人们对抗剪的影响因素有了较清晰的认识。影响抗剪的因素 多达二十多种，主要有：剪跨比、混凝土强度、纵筋配筋率和强度、梁截面形状和尺寸、荷载形式和 集料品种等。 1 3 抗剪研究方法和影响因素 1 3 1 抗剪承载力研究方法 混凝土构件的受剪承载力，无论是国内还是国外都是广泛研究的课题。一百多年来，各国学者对 这一复杂问题进行了有益的探索，取得了丰硕的成果。计算理论及方法归纳起来有以下几种“。卜： 基于大量试验数据的统计分析方法；基于混凝土在复杂应力作用下强度理论的极限破坏理论；基于拱 或桁架的模拟分析理论；基于有限元的数值分析方法；基于神经网络的抗剪承载力预测方法 1 统计分析方法 早期的受剪计算理论是基于材料力学的弹性计算方法，一直采用容许应力法，它以线弹性理论为基础 2 第一章绪论 以构件危险截面的某一点或某局部的计算应力小于或等于材料的容许应力为准则。在应力分布不均匀的情 况下，用这种设计方法比较保守容许应力设计法定义为：构件在容许应力荷载组合作用下的计算应力不能 超过规定的材料容许应力值，般表达式为：o 【o 】，其中，计算应力a 按荷载标准值以线性弹性理论计算； 容许应力【c r l 由规定的材料弹性极限除以大于l 的单安全系数而得。由于容许应力法设计应用简便，目前 还有少数国家，如日本还采用此法。我国铁路桥梁规范在相当长时间内也是采用容许应力法的。但由于单一 的安全系数是个笼统的经验系数，所以给定的容许应力值不能保证各结构具有比较一致的安全水平，也没 有考虑荷载增大的不同比率或具有异号荷载效应情况对结构安全的影响。因此，结构设计的现行趋势是朝着 以强度设计理论为基础的设计方法发展。2 0 世纪4 0 年代晚期，基于试验，m o 鹏的提出了个计算名义受 剪承载力的经验公式，式中包含混凝土抗压强度和纵向钢筋配筋率。1 9 5 0 年到1 9 6 0 年间，关于钢筋混凝土 结构受剪承载力的研究开始急剧增加，研究表明钢筋混凝土梁的剪切破坏是个非常复杂的过程，与很多因 素相关。之后，研究者普遍认为钢筋混凝土结构的受剪承载力由三部分组成：v = v c + u + v n ，其中k 为 无腹筋钢筋混凝土结构承担的剪力，v s 和v d 分别为普通钢筋和预应力钢筋的承担的剪力。各国规范也都给出 了钢筋混凝土结构的受剪承载力表达式，考虑的因素主要有：混凝土强度、剪跨比、梁高、配筋率和骨料尺 寸等。 统计公式形式简单，便于工程应用。但是存在试验工作量大，适用范围窄等缺点，对构件抗剪承载力的 预测往往太过保守，不够经济。同时统计分析方法公式中的各物理量只具有定量的物理概念，缺乏明确的力 学模型。 2 桁架模型法 欧美规范对于有腹筋梁的计算基本上由此法推导而来，它一般包括如下几种基本形式 1 ) 4 s 。角桁架模型( 4 s 。t r i 鹋m o d e l ) 4 s 。桁架模型由鼬t t e r 于1 8 9 9 年提出，m o 璐c h 于1 9 0 2 年又进一步发展了此模型。该模型忽略了混 凝土拉应力对抗剪的贡献，并假设剪力由斜向受压混凝土( 压应力f 2 ) 承担，并且其方向角o ( 与水平夹角) 保持4 s 。不变，而惘s4 s 。，故该理论的计算结果偏于保守 2 ) 变角度桁架模型( a b l 争a n 翻e t m 鼹m o d e l ) 该模型同样忽略了混凝土拉应力对抗剪承载力的贡献，并假设剪力由斜向受压混凝土( 压应力f 2 ) 承担， 但其方向角o ( 与水平夹角) 是可变的( 0s4 s 。) ，由该模型可以建立3 个平衡方程，但是，却有4 个未知数， 其解决方法有：文采用最小能量原理求解0 ：b 假设破坏时混凝压杆达到屈服( f 2 = f c ) ；a 假设破坏时 腹筋、纵筋均达到屈服。 3 ) 压力场理论c f t ( c c 粕掣巴s s i 伽f i e l dn 巧) 该理论参照了拉力场理论( t e 瓞i 伽f i e l dd 1 哆) ，放弃了脚衙关于材料线弹性的假设，将开裂的混凝 土看作一种新的材料，假设主应力和主应变方向一致，该理论包含三个平衡方程、两个相容方程和材料的本 构关系( 均是用平均应力应变来表达的且考虑混凝土的软化) ，不仅可以预测构件的抗剪承载力，还可以对 受剪构件进行全过程分析。但由于忽略了裂缝间的混凝土中拉应力的贡献( f 1 = 0 ) ，故该理论的计算结果 也偏于保守。 4 ) 修正的压力场理论m c f r ( m 0 d i 丘e dc c 衄卵e s s i f i e l d1 呐) 在压力场理论的基础上考虑了裂缝间的混凝土中拉应力的贡献( f 1 0 ) ，认为失效并非由平均应力引起， 而是由局部应力引起，平均应力仅用来评估临界斜裂缝的角度；此理论应用于常规设计过于复杂，但对于具 有复杂几何形状和荷载条件的构件有应用价值。 3 东南大学硕士学位论文 j 5 ) 变角软化桁架模型胁s t m 昧幽血毋a n 翊es o f b e n 。d r n 】鼹m 0 d e i ) 该理论在压力场理论的基础t 考虑了裂缝问的混凝土拉应力的贡献，与压力场理论主要区别在于：软化 桁架模型把钢筋混凝土单元体受外力的平面平均应力状态分解成素混凝土平面应力状态和钢筋应力状态之 和，并在不同应力状态下定义了。转角”和“定角”的概念，而压力场理论则把钢筋混凝土单元体看成各向 异性的均质材料。与m c f r 不同的是，其通过局部应力来考察裂缝面上的应力传递，通过调整钢筋平均应 力应变的关系来考虑裂缝处钢筋的局部屈服，并且与m c f r 的预测结果也有差别，当配筋率低时，r a s n 仁 m c 兀 ，配筋率高时，r a 删心妃f r ，其适用范围为斜裂缝角度变化( 相对于初始斜裂缝) 不超过1 2 。 6 ) 固定角软化桁架模型f a s n 订( f i x e d - a n 四鹤o f i e n 。d - t 1 1 璐m o d e i ) 与变角软化桁架模型不同的是，该模型假设初始斜裂缝出现后，其方向保持不变，即混凝土斜压杆始终 平行予初始斜裂缝( 初始斜裂缝的方向决定于开裂前混凝土的主应力方向) ，但开裂后，压杆中的主应力方 向与开裂方向不一致了，其适用于i 钭裂缝角度变化( 相对于初始斜裂缝) 超过1 2 。的情况。 7 ) 拉一压杆模型s 1 m ( s t l l l t - a n d 币em o d e l ) 以匕所述方法均需满足平截面假定，故称之为截面( 局部) 设计方法。s 1 m 模型为全构件设计方法， 是广义化的桁架模型( 仇l 鼹m o d e d ，可应用于结构中任何部分；该模型根据构件的受力特点，用s 仃i l t ( 混凝 土压杆) 模拟压应力流，雠( 纵筋拉杆) 模拟拉应力流；其优点在于：受力明确、直观，且可同时直接考虑 m 、v ：对于b 区域( & 锄饵b e m o u m 咖) 、d 区域( d i s t i 】| i b e d 啦) 及节点区可采用统一的设计方 法；最大的优点在于可以设计具有复杂内力分布的d 区域( 如不连续的截面处、集中荷载区等) ，而截面设 计方法只能设计b 区。 3 极限平衡原理 极限平衡原理计算钢筋混凝土构件抗剪承载力，主要是采用试验资料的统计公式，并给公式赋予一定的 物理概念和解释。二十世纪五十年代前后苏联学者首先采用了破损阶段法来计算斜截面受剪承载力，在大量 试验基础上找出了影响构件受剪承载力因素的具体描述。m c 鲍里申斯基等研究表明m q h o 或a m o 与承载力 的关系，斯图加特大学的f 莱昂哈特和瓦尔特给出了最小承载力与剪跨比的关系；1 9 1 2 年c 巴赫和q 格拉 夫进行了几批r 形梁试验，r 琼斯在此试验基础上得出了配有箍筋与弯起钢筋对受剪及抗弯的影响；米特罗 法诺夫曾试验了批未配箍筋的矩形截面梁，这些梁人为的向上开裂了楔形裂缝，试验结果表明纵向钢筋承 受剪力值是受压区混凝土承受剪力值的3 0 4 嘶。这是因为受拉纵筋包裹区出现了“剪力”拉力；还分别试验 了粗细不同骨料情况下的斜裂缝的咬合力。在以上众多试验及推理基础上得出了一些计算方法。萨列沙夫 ( 1 9 7 7 年) 提出以临界斜截面和临界受剪垂直截面为界的计算简图的极限平衡理论，用人们比较熟悉的垂直截 面代替至今还不很清楚的斜截面。通过对隔离体的受力分析，并根据试验结果确定有关内力的分布和极值， 建立三个平衡方程求解，在确定极值时考虑了平面应力状态下混凝土的强度准则，采用了变形的平截面假定。 该方法后被引人俄国现行设计规范。虽然极限平衡理论可以获得相当高的计算精度，但需求解多个联立方程， 计算比较复杂，应用不便。 4 非线性有限元分析法 由于抗剪机理的复杂性，以及出于对构件安全考虑的需要，随着计算机技术在土木工程领域中应用的深 入，非线性有限元分析己经成为复杂结构分析的种重要方法。在钢筋混凝土非线性有限元分析中，非线性 有限元分析模型逐渐显现出分析问题能力强、处理问题难度更大、适用范围更广的优势。对于钢筋混凝土非 线性分析而一言，非线性有限元分析模型不但能较为准确地描述构件在非线性加载过程中的整体反应，而且 更为重要的是可以描述构件的局部反应和考虑当构件处于复杂受力状态时的工作性能。这些只要通过合适地 选择理论方法、单元模型、材料本构模型、控制方法和求解算法，就能够到达相应的目的。 4 受剪承载力计算理论的复杂性首要原因就在于其影响因素众多，现行的各国规范和研究中，一般考虑 的几种影响因素如下卜瞳引：弯矩与剪力的比值，即剪跨比的大小、纵向钢筋配筋率、截面的尺寸效应、预 应力、混凝土强度、荷载类型和加载方式等等。 1 剪跨比 1 9 5 0 年，c l 卸出介绍了种名义剪应力的预测公式。该公式首次包含剪跨比、纵筋率、混凝土强度等参 数。因为剪跨比入= 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，所以被认为 是抗剪承载力表达式中重要的参数。随着剪跨比的增大，抗剪承载力降低。九 4 时，抗剪承载力变化不大。此时主压应力角度较小，拱作用减小， 梁以斜拉破坏为主，抗剪承载力主要由混凝土抗拉强度控制 2 尺寸效应 我国g b5 0 0 l 0 0 2 规范对截面高度较大的梁，规定在梁两个测面配置纵向构造钢筋，因为纵向构造钢 筋和箍筋对限制斜裂缝的发展，改善骨料咬合作用很有效。所以在梁的斜截面受剪承载力计算中就没有考虑 截面高度对受剪承载力的影响( 尺寸效应) ；另外，对于不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件，考虑 到大的截面尺寸对受剪承载力的降低作用，对其作折减修正；美国a c b l 8 0 2 规范对截面高度的影响未作具 体规定，但在条文说明中认为受剪承载力随着截面高度的增大而降低；英国b s8 1 l o 规范和欧洲e l 珊0 0 d e 2 规范中考虑小的截面尺寸对受剪承载力的提高作用，对其作增大修正。 3 荷载类型或加载方式 ( 1 ) 荷载类型( 集中荷载或均布荷毒妁 集中荷载作用下：在相同情况下，连续梁抗剪承载力小于简支梁，而在均布荷载作用下：如把实测的破 坏剪力折算为支座剪力，则连续梁大于简支梁。 ( 2 ) 加载方式( 直接加载或间接加载) 荷载加在梁的顶面，称作直接加载；荷载加在梁的形心轴以下，称为间接加载。直接加载有利于梁 通过拱作用来传递剪力，故斜截面承载力较高。相反，间接加载会破坏梁的拱作用，斜截面承载力较低。 我国规范通过在主次梁相交处设置吊筋和附加箍筋的构造规定，来考虑间接加载的不利影响。 5 东南大学硕士学位论文 4 纵向钢筋配筋率 虽然中国规范并没有考虑纵向钢筋对抗剪的影响，但是纵向钢筋对抗剪承载力会产生一定的影响已是不 争的事实。纵向钢筋配筋率和受剪承载力大体上呈线性关系，由于销栓作用，纵筋可直接承受一定剪力l 并可以抑制斜裂缝的开展和延伸，加大混凝土剪压区高度，间接提高v u ：但随着剪跨比的增大而降低，特别 是大剪跨比( 九 3 ) 时，由于容易产生撕裂裂缝，而使纵筋的销栓”作用减弱。 5 混凝土强度 已有的研究表明：混凝土强度是影响钢筋混凝土结构受剪性能的重要因素之一，当剪跨比九 3 时，结构 _ 般发生斜拉破坏，故主要取决于混凝土的抗拉强度，两者近似成线性关系：当剪跨比1 九3 时，一 般发生剪压破坏，此时v r u 与混凝土拶澉抗拉强度均有关。 6 预应力 在构件出现裂缝以后，预应力不但能阻滞弯曲裂缝和斜裂缝的出现和发展，而且减小了裂缝宽度，减缓 了支座与加载点间斜裂缝沿截面高度的发展，增加了斜截面的受压区高度，改善了骨料间的咬合性能，因而 综合地提高了混凝土结构的抗剪承载力。同时，由于预应力的作用，在弯距较小的区段没有开裂的受拉边 缘也可以承受部分剪力。 1 4 预应力混凝土结构抗剪研究现状 综合国内外文献，对于预应力混凝土梁抗剪研究基本分为两大类：一是试验研究成果的总结：二 是依据试验研究成果，结合理论分析与工程经验，提出可供工程设计参考的半理论半经验公式及计算 模型。为此，本文也将按此思路分别予以介绍。 1 4 1 预应力混凝土结构试验研究 1 有粘结预应力混凝土结构试验研究 结合工程和课题，国内从上世纪7 0 年代末起就对预应力混凝土的抗剪性能进行了多方面的研究， 并取得了不少成果。7 0 年代末，东南大学吕志涛等【2 6 】为了研究预应力混凝土梁抗剪承载力较非预应力 混凝土梁抗剪承载力提高的原因及影响因素，对9 3 根配有各种钢丝、钢筋的预应力混凝土矩形、工字 形截面梁进行了试验研究，提出了在工程设计中考虑预应力的有利作用及预应力混凝土梁抗剪承载力 方法的建议。天津大学吴智眉和康谷贻【2 q 等通过综合国内外的试验资料后进行分析研究，认为预应力 混凝土抗剪承载力主要与混凝土强度等级、有效预应力值和剪跨比等因素有关，并提出了考虑剪跨比 和有效预应力影响的计算斜截面抗剪承载力的经验公式，弥补了规范公式的不足。与此同时，同济大 学、中国建筑科学研究院等科研单位也针对预应力混凝土的抗剪承载力做了大量的研究工作。到了8 0 年代，西南交大张开敬等【2 7 】对部分预应力混凝土t 梁进行试验研究，分析了预应力度和剪跨比等因素 对梁斜截面抗裂性能和抗剪承载力的影响。提出了部分预应力混凝土t 梁、考虑剪跨比影响的斜截面 开裂剪力的计算公式及抗剪承载力计算公式。车惠明等【2 3 】1 2 9 】分别研究了无箍筋和有箍筋情况下预应 力对混凝土t 梁抗剪承载力的影响。 2 无粘结预应力混凝土结构试验研究 以上试验研究主要是针对有粘结预应力混凝土的，规范上对有粘结预应力混凝土结构抗剪承载力 6 第一章绪论 计算方法与无粘结的也没有加以区分，在进行无粘结预应力混凝土结构抗剪设计时只能使用有粘结预 应力混凝土的计算公式。而国内外的不少研究已表明，无粘结部分预应力混凝土梁的极限弯矩小于有 粘结的极限弯矩，文献【3 i 田也指出无粘结部分预应力混凝土粱的极限受剪承载力比有粘结粱的受剪承 载力低。因此