第5章-钢筋溷凝土受弯构件斜截面承载力计算.ppt

第5章钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力计算 钢筋混凝土受弯构件在荷载作用下 同时产生弯矩和剪力 在主要承受弯矩的区段 产生正截面受弯破坏 而在剪力和弯矩共同作用的区段 则会产生斜截面受剪破坏或斜截面受弯破坏 剪切破坏为脆性破坏 5 1概述5 1 1受弯构件斜截面受力与破坏分析 两类主要斜裂缝 主应力轨迹线 裂缝 箍筋 弯起钢筋 腹筋 箍筋布置与梁内主拉应力方向一致 可有效地限制斜裂缝的开展 但从施工考虑 倾斜的箍筋不便绑扎 与纵向筋难以形成牢固的钢筋骨架 故一般都采用竖直箍筋 弯起钢筋则可利用正截面受弯的纵向钢筋直接弯起而成 弯起钢筋的方向可与主拉应力方向一致 能较好地起到提高斜截面承载力的作用 但因其传力较为集中 有可能引起弯起处混凝土的劈裂裂缝 首先选用竖直箍筋 然后再考虑采用弯起钢筋 选用的弯筋位置不宜在梁侧边缘 且直径不宜过粗 斜裂缝的出现 使混凝土受剪面积减小 受压区混凝土剪力增大 斜裂缝出现后 截面a a的钢筋应力ss取决于临界斜裂缝顶点截面b b处的Mb 因此 斜裂缝出现使支座附近的ss与跨中截面的ss相近 这对纵筋的锚固提出更高的要求 随着斜裂缝逐渐加宽 沿纵筋保护层可能劈裂 钢筋的销栓作用逐渐减弱 无腹筋梁受力及破坏分析 梁中配置箍筋 出现斜裂缝后 梁的剪力传递机构由原来无腹筋梁的拉杆拱传递机构转变为桁架与拱的复合传递机构 有腹筋梁的受力破坏分析 箍筋将齿状体混凝土传来的荷载悬吊到受压弦杆 增加了混凝土传递受压的作用 斜裂缝间的骨料咬合作用 还将一部分荷载传递到支座 拱作用 斜裂缝间齿状体混凝土有如斜压腹杆 箍筋的作用有如竖向拉杆 临界斜裂缝上部及受压区混凝土相当于受压弦杆 纵筋相当于下弦拉杆 箍筋的作用 斜裂缝出现后 拉应力由箍筋承担 能够增强梁的剪力传递能力 箍筋限制了斜裂缝的开展 增加了剪压区的面积 使骨料咬合力Va也增加 吊住纵筋 延缓了撕裂裂缝的开展 增强了纵筋销栓作用Vd 箍筋参与斜截面的受弯 使斜裂缝出现后纵筋应力ss的增量减小 配置箍筋对斜裂缝开裂荷载没有影响 也不能提高斜压破坏的承载力 即对小剪跨比情况 箍筋的上述作用很小 对大剪跨比情况 如果箍筋配置数量过多 则产生斜压破坏 继续增加箍筋没有作用 对集中荷载简支梁 集中力到支座之间的距离a称为剪跨 剪跨a与梁的有效高度h0的比值则称为剪跨比 1 剪跨比和跨高比 剪跨比 计算截面的弯矩与该截面的剪力及h0乘积的比值 广义剪跨比 计算剪跨比 5 1 2影响斜截面受力性能的主要因素 剪跨比越大 抗剪承载力越低 随剪跨比的增大 影响荷载传递机构 梁的破坏形态将发生变化 对于承受均布荷载作用的梁 跨高比是影响受剪承载力的主要因素 随着跨高比的增大 受剪承载力降低 集中荷载 均布荷载 配箍率 sv 配箍率 Asv 同一截面箍筋的截面积 Asv nAsv1b 梁的截面宽度 s 箍筋间距 Asv 单肢箍筋截面积 n 箍筋肢数 2 腹筋的数量在一定范围内 随着腹筋数量的增大 梁的抗剪强度增大 3 混凝土强度 剪切破坏是由于混凝土达到极限强度而发生的 所以混凝土强度对梁的受剪承载力有很大的影响 梁斜压破坏时 受剪承载力取决于混凝土的抗压强度 梁斜拉破坏时 受剪承载力取决于混凝土的抗拉强度 而抗拉强度的增加较抗压强度来的缓慢 故混凝土强度的影响略小 剪压破坏时 混凝土强度的影响居于上述两者之间 4 纵筋配筋率 纵筋配筋率越大 受压区面积越大 受剪面积也越大 并使纵筋的销栓作用也增加 同时 增大纵筋面积还可限制斜裂缝的开展 增加斜裂缝间的骨料咬合力作用 5 其他因素截面形状 T形截面有受压翼缘 增加了剪压区的面积 对斜拉破坏和剪压破坏的受剪承载力有提高 20 但对斜压破坏的受剪承载力并没有提高 截面尺寸及尺寸效应 梁截面尺寸增大 抗剪承载力提高 但对于无腹筋梁 高度很大时 撕裂裂缝较明显 销栓作用大大降低 斜裂缝宽度也较大 骨料咬合作用削弱 受剪承载力降低 对于高度较大的梁 配置梁腹纵筋 可控制斜裂缝的开展 配置腹筋后 尺寸效应的影响减小 预应力 预应力能阻滞裂缝的出现和开展 增加混凝土剪压区高度 从而提高混凝土所承担的抗剪能力 预应力混凝土梁的斜裂缝长度比钢筋混凝土梁有所增长 也提高了斜裂缝内箍筋的抗剪能力 梁的连续性 连续梁的受剪承载力与相同条件下的简支梁相比 仅在受集中荷载时低于简支梁 在受均布荷载时则是相当的 即使在承受集中荷载作用的情况下 也只有中间支座附近的梁段因受异号弯矩的影响 抗剪承载力有所降低 边支座附近梁段的抗剪承载力与简支梁相同 5 1 3斜截面破坏的主要状态 与正截面的破坏类似 梁的斜截面破坏不止一种 由于配箍率 剪跨比等因素的不同 梁的斜截面破坏也有多种形态 主要有三种破坏形式 1 斜拉破坏 2 剪压破坏 3 斜压破坏 斜截面破坏的三种主要形态 剪跨比比较大 l 3 无腹筋或腹筋比较少 破坏特征 在荷载作用下首先在梁底产生竖向垂直裂缝 一旦出现斜裂缝 裂缝将很快延伸至加载边缘形成临界斜裂缝 把梁劈裂成两部分二破坏 承载力急剧下降 脆性性质显著破坏面比较光滑 破坏是由于混凝土 斜向 拉坏引起的 称为斜拉破坏 构件承载力取决于混凝土的抗拉强度 承载力低 在设计时通过限制最小配箍率来保证不发生这种破坏 1 斜拉破坏 l 1 破坏特征 支座和集中荷载之间的混凝土犹如斜向受压的短柱 承受压力作用 破坏时斜裂缝较多 形成许多短柱 腹部混凝土发生类似短柱的破坏 故为斜压破坏 破坏时箍筋未屈服 钢筋没有得到重复发挥 设计时应避免 在设计时通过限制截面尺寸保证不发生这种破坏 这种构件的承载力主要决定于混凝土的抗压强度 2 斜压破坏 剪跨比很小 l 1 箍筋较多 破坏特征 随荷载的增加 出现斜裂缝 最后形成一条临界裂缝 裂缝延伸至加载垫块下方 形成剪压区 在剪压区由于混凝土受剪力和压力的共同作用 达到混凝土的复合受力下的强度 混凝土被压碎发生破坏 破坏时剪压区出现许多平行的短裂缝和混凝土碎渣 由于这种破坏是剪压面上混凝土压碎引起的破坏 故称剪压破坏 破坏时与斜裂缝相交的箍筋屈服 剪跨比中等 1 l 3 腹筋配置适中 3 剪压破坏 三种破坏形态的斜截面承载力各不相同 但它们都属脆性破坏类型 其中 斜拉破坏为受拉脆性破坏 脆性性质最显著 斜压破坏为受压脆性破坏 剪压破坏界于受拉和受压脆性破坏之间 5 2建筑工程中受弯构件斜截面设计方法5 2 1一般受弯构件斜截面设计 1 受弯构件斜截面受剪承载力的计算 1 不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件 规范 根据大量的试验结果 经过回归分析 考虑到主要影响 取具有一定可靠度 95 的偏下限经验公式来计算受剪承载力 公式如下 Vc 0 7bhftbh0 当h0小于800mm时取h0 800mm当h0 2000mm时取h0 2000mm 2 矩形 T形和工字形截面的一般受弯构件 计算公式 由平衡条件得 式中Vc并不等于无腹筋梁的抗剪承载力 它包括了由于箍筋的存在 抑制了斜裂缝的发展 使混凝土剪压区面积增大 从而导致抗剪强度提高 还反映了由于钢筋骨架的约束使混凝土强度得到充分发挥 而使混凝土抗剪强度提高的程度 Vc 混凝土剪压区所承受的剪力 Vs 与斜裂缝相交的箍筋承受的剪力 Vsb 与斜裂缝相交的弯起钢筋所承受的剪力 Vu Vc Vs Vsb Vc与无腹筋梁相比提高了多少与箍筋配置有关 但无法确定 为了计算简单 规范 规定就取无腹筋梁的抗剪强度 Vs也就不单纯是箍筋承担的剪力 它包括了箍筋承担的剪力和混凝土抗剪承载力提高的部分 设Vcs 混凝土和箍筋共同承担的剪力 即 Vcs Vc Vs Vu Vcs Vsb 均布荷载作用的矩形 T形和工形截面的一般受弯构件 集中荷载作用下的独立梁或同时作用多种荷载 其中集中荷载在支座截面产生的剪力占总剪力的75 以上时 当剪跨比l3 0 取l 3 0 且支座到计算截面之间均应配置箍筋 矩形 T形和工形截面的一般受弯构件 集中荷载作用下的独立梁 配有箍筋和弯起钢筋时抗剪强度计算 当梁中还设有弯起钢筋时 其受剪承载力计算公式中应增加一项弯起钢筋所承担的剪力值Vsb 为弯起钢筋与构件轴线的夹角 一般取45 60 上式中的系数0 8 是对弯起筋受剪承载力的折减 这是因为考虑到弯起钢筋与斜裂缝相交时有可能已接近受压区 钢筋强度在梁破坏时不可能全部发挥作用的缘故 弯起钢筋 计算公式适用条件 截面限制条件与最小配箍率 hw截面腹板高度 矩形截面取hw h0 T形截面取hw h0 hf 工形截面取hw h0 hf hfb为矩形截面的宽度或T形截面和工形截面的腹板宽度 c为砼强度影响系数 当砼不超过C50时 取1 0 砼C80时取0 8 其间按直线内插取用 一 截面尺寸限制条件 规范 通过控制受剪截面剪力设计值不大于斜压破坏时的受剪承载力来防止梁截面尺寸过小 配箍率过高引起的斜压破坏 受剪截面应符合下列截面限制条件 二 最小配箍率及配箍构造 对于一般受弯构件 相应受剪承载力为 3 斜截面受剪承载力的计算位置 支座边缘截面 1 1 腹板宽度改变处截面 2 2 箍筋直径或间距改变处截面 3 3 受拉区弯起钢筋弯起点处的截面 4 4 设计问题根据钢筋混凝土梁正截面承载力设计 初步确定截面尺寸和纵向钢筋后 进行斜截面受剪承载力设计计算 已知 截面尺寸 材料强度 设计剪力 求 腹筋 4 斜截面受剪承载力计算步骤 具体计算步骤如下 验算截面限制条件 如0 25 cfcbh0 V 如不满足应 加大截面尺寸 验算是否需要按计算配筋如V Vc 如满足按最小配箍率配箍筋且满足构造要求 计算腹筋 如0 25 cfcbh0 V Vc 一般受弯构件 集中荷载作用下的独立梁 仅配箍筋梁的设计计算 先确定箍筋 再求弯起钢筋 as为弯起钢筋与构件轴线的夹角 一般取45 60 根据Asv s计算值确定箍筋肢数 直径和间距 并应满足最小配箍率 箍筋最大间距和箍筋最小直径的要求 既配箍筋又配弯起钢筋 为防止弯筋间距太大 出现不与弯筋相交的斜裂缝 使弯筋不能发挥作用 规范 规定当按计算要求配置弯筋时 前一排弯起点至后一排弯终点的距离不应大于表中V 0 7ftbh0栏的最大箍筋间距smax的规定 mm 250 截面校核 已知 截面尺寸 材料强度 设计剪力 腹筋 求 抗剪承载力 由强度计算公式可求得承载力 2 斜截面的受弯承载力计算在剪力和弯矩共同作用下产生的斜裂缝 还会导致与其相交的纵向钢筋拉力增加 引起沿斜截面受弯承载力不足及锚固不足的破坏 斜截面的受弯承载力应满足规范规定 见公式 当受弯构件中配置的纵向受力钢筋满足各项锚固要求以及箍筋的间距符合构造要求时 可不进行构件斜截面的受弯承载力计算 抵抗弯矩图 材料图 以下简称MR图 表示构件抵抗弯矩能力大小的图形 就是沿梁长各正截面实际配置的纵筋抵抗弯矩的图形 3 纵向受力钢筋的弯起 截断和锚固等构造 1 正截面受弯承载力图 材料图 梁配置的纵筋为2 25 1 22 如果钢筋的总面积等于计算面积 则材MR图的外围水平线正好与M图上最大弯矩点相切 若钢筋的总面积略大于计算面积 则可根据实际配筋量利用下式来求得MR图外围水平线的位置 即 每根钢筋所承担的Mri 可近似按该钢筋的面积Asi与总钢筋面积As的比值乘以材料图MR R 钢筋 充分利用点 不需要点 25 1 22 25 a c b d 钢筋充分利用点 号钢筋在2点以外 向支座方向 就不再需要 号钢筋在3点以外也不再需要 号钢筋在a点以外也不再需要 钢筋不需要点 MR 弯起钢筋 2 满足斜截面受弯承载力的纵向钢筋弯起位置 在受弯构件中 按正截面受弯所配置的纵向钢筋 其所依据的弯矩都取自最大弯矩的截面 实际上 沿梁的统长弯矩是变化的 从正截面抗弯角度来看 梁上各截面的纵筋数量是可以随弯矩的减小而减少 在实际工程中 可将纵筋截断或弯起 弯起的纵筋正好利用其受剪 达到经济的效果 纵向钢筋的弯起必须满足三个条件 1 满足斜截面抗剪承载力的要求 如需要弯起钢筋抗剪 则弯起钢筋的数量及位置由抗决定 2 满足正截面抗弯强度的要求 钢筋弯起后的材料图应在弯矩图的外面 3 满足斜截面抗弯强度的要求 弯起钢筋的弯起点与按计算充分利用该钢筋截面之间的距离不小于h0 2 同时弯起钢筋与梁中心线的交点应位于按计算不需要该钢筋的截面以外 Z 内力臂 垂直截面内力臂 如图所示 i i为弯起钢筋的充分利用点处的截面 现在假定出现一条斜裂缝st 裂缝顶端t位于该钢筋的充分利用的处 I I截面的弯矩为M 未弯起前钢筋的面积为As 对I I截面有 取斜截面左边一端为分离体 对斜截面其弯矩仍为M 所以要满足斜截面抗弯承载力应有 M斜 斜截面抗弯能力 Zw 弯起钢筋内力臂 为什么弯起钢筋的弯起点与按计算充分利用该钢筋截面之间的距离不小于h0 2 弯起点的位置 整理得 考虑到 一般为600 450 且近似取Z 0 9h0 弯终点的位置 弯起钢筋的弯终点到支座边或到前一排弯起钢筋弯起点之间的距离 都不应大于箍筋的最大间距要求 其值见表 这一要求是为了使每根弯起钢筋都能与斜裂缝相交 以保证斜截面的受剪和受弯承载力 当弯起钢筋不能同时满足正截面和斜截面的承载力要求时 可单独设置仅作为受剪的弯起钢筋 但必须在集中荷载或支座两侧均设置弯起钢筋 这种弯起钢筋称为 鸭筋 当弯起钢筋作为抗剪腹筋时 其间距还应满足抗剪的构造要求 同时弯折终点应有一直线段锚固长度 当直线段位于受拉区时 直线段长度不小于20d 当直线段位于受压区时 直线段长度不小于10d 弯起钢筋要求小结 1 画出弯矩图和材料图 2 根据各根钢筋面积大小按比例分配材料图 不弯起的钢筋在里面 3 找出需要弯起钢筋的充分利用点和不需要点 4 从充分利用点向外延伸h0 2 作为弯起钢筋的弯起点 并找出弯起钢筋与中和轴交点在材料图上的相应点 如该点在不需要点的外面 说明可以 否则再向外延伸 5 验算是否满足斜截面受剪承载力要求和其它构造要求 3 纵向钢筋的截断位置 c点为3 钢筋的充分利用点 b点为3 钢筋的不需要点 理论断点 d点为3 钢筋实际截断点 3 2 f 25 2 1 延伸长度ld钢筋截断点到计算最大负弯矩截面的距离 V 0 7ftbh0 当最大负弯矩较小时 钢筋可一次全部截断 a点为钢筋的充分利用点 b点为全部钢筋的不需要点 理论断点 c点为钢筋实际截断点由于ab间还有一段弯矩变化区 实际截断点c到钢筋充分利用点a的锚固长度 即延伸长度ld 要求比基本锚固长度la大 V 0 7ftbh0 当最大负弯矩较小时 钢筋可一次全部截断 a点为钢筋的充分利用点 b点为全部钢筋的不需要点 理论断点 c点为钢筋实际截断点 延伸长度ld钢筋截断点到计算最大负弯矩截面的距离 当弯矩较大时 钢筋可分批截断 V 0 7ftbh0 在弯剪区段内 纵向钢筋的粘结锚固问题 当在支座负弯矩区出现斜裂缝后 在截面B处的纵筋应力必然增大 钢筋的零应力点会从反弯点向截断点C移动 这种移动称为拉应力的平移 或称拉应力错位 随着B截面钢筋应力的增大 钢筋的销栓剪切作用会将混凝土保护层撕裂 在梁上引起一系列由B向C发展的针脚状斜向粘结裂缝 若纵筋的粘结锚固长度不够 形成纵向水平劈裂裂缝 梁顶面也会出现纵向裂缝 最终造成构件的粘结破坏 所以还必须自钢筋的充分利用点以外 延伸ld长度后再截断钢筋 V 0 7ftbh0 一般取a1 1 0 钢筋充分利用点到实际截断点的延伸长度为h0 1 2la 实际截断点距理论断点的距离不应小于h0或20d 当按上述方法确定的钢筋截断点仍位于负弯矩区段内时 则钢筋充分利用点到实际截断点的延伸长度为1 7h0 1 2la 且实际截断点距理论断点的距离不应小于1 3h0或20d 悬臂梁的负弯矩钢筋 一般将钢筋全部伸到悬臂端 并向下弯折不小于12d若需要根据弯矩变化来布置钢筋时 一般应有不少于两根上部钢筋伸到悬臂端 并向下弯折不小于12d 其余钢筋应采用下弯后锚固的方法 弯起点位置按前述弯起钢筋的方法确定 注意此时为负弯矩 4 纵向钢筋在支座处的锚固基本锚固长度 规范 是以拔出试验为基础确定基本锚固长度的 取粘结强度tu与混凝土抗拉强度ft成正比 并根据试验结果 取钢筋受拉时的基本锚固长度为 ft 当大于C40时 按C40取 构件中钢筋的实际锚固长度应根据钢筋的受力情况 保护层厚度 钢筋形式等的影响 采用基本锚固长度la乘以以下修正系数 当带肋钢筋的直径大于25mm时 锚固长度应乘以修正系数1 1 环氧树脂涂层钢筋 锚固长度应乘以修正系数1 25 当锚固钢筋在混凝土施工过程中易受扰动时 如滑模施工 锚固长度应乘以施工修正系数1 1 当带肋钢筋锚固区混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍时 锚固长度可乘以修正系数0 8 除构造需要的锚固长度外 当受力钢筋的实际配筋面积大于其设计计算面积时 锚固长度可乘以配筋余量修正系数 其数值为设计计算面积与实际配筋面积比值 抗震设计的结构及直接承受动力荷载的结构构件 不得考虑上述修正 经上述修正后的锚固长度不应小于基本锚固长度的0 7倍 且不应小于250mm 机械锚固当钢筋末端采用图示机械锚固措施时 包括附加锚固端头在内的锚固长度可取基本锚固长度的0 7倍 受压钢筋的锚固长度不宜小于受拉钢筋锚固长度的0 7倍 机械锚固时的箍筋要求采用机械锚固时 锚固长度范围内的箍筋不应少于3个 其直径不应小于钢筋直径1 4 间距不应大于钢筋直径的5倍 简支支座锚固要求支座处有横向压应力 使粘结作用得到改善 因此支座处的锚固长度las可比基本锚固长度la减小 光面钢筋末端应设置标准弯钩 当伸入支座的锚固长度不符合要求时 可在钢筋端部加焊锚固钢板或将钢筋焊接在梁端预埋件上 锚固区箍筋要求在受力钢筋锚固长度范围内箍筋的直径不小于0 25d 箍筋间距不大于