07钢筋混凝土开洞梁的试验分析及传力模式

钢 筋 混 凝 土 开 洞 梁 的 试 验 分 析 及 传 力 模 式!王 命 平 刘 晓 春 李 彬（ 青 岛 建 筑 工 程 学 院 土 木 系 青 岛!#$） 提 要 通 过 对 开 洞 深 梁 、 开 洞 短 梁 以 及 开 洞 浅 梁 试 验 结 果 的 分 析 ， 根 据 其 受 力 特 性 进 行 了 分 类 ， 并 分 别 阐 述了 破 坏 形 态 、 影 响 因 素 及 传 力 模 式 ， 供 开 洞 梁 设 计 参 考 。 关 键 词 开 洞 深 受 弯 梁 开 洞 深 梁 开 洞 短 梁 开 洞 浅 梁%&()*(+,-./012,&1-)3*2*40.+(.()+72*4,),&2+6)+(6.,8+,&+)84&,&.*:3+2;/*,085,0)673-./012,&1-)3*2*40，0&)+,-./012,&1-)3*2*40.*70&-./012,&1-)3*;2*40。 为了 对 开 洞 梁 进 行 较 系 统 的 研 究 ， 文 献 ? ， 还 进 行 了开 洞 短 梁 的 补 充 试 验 研 究 。 根 据 上 述 试 验 ， 本 文 拟 对钢 筋 混 凝 土 开 洞 梁 进 行 分 类 ， 并 探 讨 其 受 力 特 性 及 传力 模 式 ， 以 供 开 洞 梁 设 计 参 考 。二 、 开 洞 梁 的 分 类钢 筋 混 凝 土 结 构 通 常 可 分 为， 区 域 ：区符 合 平 截 面 假 定 ； 是 应 力 、 几 何 不 连 续 区 域 ， 如支 座 、 集 中 力 作 用 处 、 构 件 截 面 改 变 处 。 二 者 的 划 分 可采 用 圣 维 南 原 理 ， 即 局 部 扰 动 影 响 区 域 不 大 于 截 面 边长 ， 如 图=B。图= 区 与 划 分在 钢 筋 混 凝 土 开 洞 深 梁 、 开 洞 短 梁 及 小 剪 跨 的 开洞 浅 梁 中 ， 支 座 至 集 中 力 之 间 均 为 一 般 的 开 洞浅 梁 剪 跨 较 大 ， 则 在 支 座 至 集 中 力 之 间 还 存 在区 ， 尤其 大 洞 口 的 上 、 下 弦 也 存 在区 。 故 对 后 者 可 将 洞 口区 域 取 出 作 为 脱 离 体 来 分 析 ， 而 对 前 者 则 要 进 行 整 体分 析 。 因 此 可 将 开 洞 梁 分 为 二 大 类 ： 开 洞 深 受 弯 梁 及开 洞 浅 梁 （ 开 洞 深 梁 、 开 洞 短 梁 及 小 剪 跨 的 开 洞 浅 梁 均属 于 开 洞 深 受 弯 梁 ） 。三 、 开 洞 深 受 弯 梁 的 试 验 及 传 力 模 式开 洞 深 受 弯 梁 的 裂 缝 出 现 次 序 及 发 展 一 般 如 图!所 示!，?， 但 由 于 开 洞 短 梁 的 剪 跨 比 大 于 开 洞 深 梁 ， 故二 者 的 破 坏 形 态 还 有 差 异 。图!深 受 弯 梁裂 缝 开 展 图根 据 洞 口 大 小 、 位 置 及 洞 口上 下 的 水 平 、 垂 直 或 斜 向 腹 筋 布置 的 不 同 ， 开 洞 深 梁 的 传 力 模 式及 破 坏 形 态 见 图$C。 图$（.） 中洞 口 偏 上 ，!为 洞 口 上 部 剪 跨 ， 其剪 跨 比 大 于=D?。 若 洞 口 上 部 配腹 筋 很 少 ， 则 发 生 上 部 弯 曲 破 坏及 下 部 剪 切 破 坏 ； 再 增 加 腹 筋 ， 则洞 口 上 部 也 出 现 斜 裂 缝/， 洞 口上 下 均 发 生 剪 切 破 坏 ； 腹 筋 较 多 时 ， 则 还 可 能 出 现 斜 裂缝*， 说 明 力 流 这 时 能 直 接 绕 过 洞 口 内 侧 传 向 支 座 。图$（-） 中 洞 口 偏 下 ，!为 洞 口 下 部 剪 跨 ， 其 剪 跨 比 大 于=D?。 洞 口 下 部 腹 筋 较 多 时 ， 则 也 可 能 出 现 斜 裂 缝*，说 明 力 流 这 时 能 直 接 绕 过 洞 口 外 侧 传 向 支 座 。 图$（(）中 洞 口 偏 向 侧 边 且 扁 平 ， 侧 边 承 受 较 大 剪 力 ， 极 易 出 现斜 裂 缝/， 因 侧 边 剪 坏 而 引 起 深 梁 破 坏 。 图$（7） 中 洞口 长 边 不 大 于 梁 高 的=$且 位 置 适 中 ， 若 配 腹 筋 很 少 ，则 仍 是 洞 口 上 部 弯 曲 破 坏 及 下 部 剪 切 破 坏 ； 再 增 加 腹筋 ， 则 上 部 也 出 现 斜 裂 缝/； 腹 筋 较 多 时 ， 则 绕 洞 口 内外 侧 均 可 能 出 现 斜 裂 缝*， 说 明 力 流 这 时 能 绕 过 洞 口内 外 侧 传 向 支 座 ， 近 似 呈 整 体 剪 切 破 坏 形 态 。根 据 洞 口 大 小 、 位 置 及 腹 筋 形 式 的 不 同 ， 开 洞 短 梁$!第$=卷 第?期 建 筑 结 构!#=年?月的 破 坏 形 态 如 图!所 示。 若 改 变 洞 口 配 筋 形 式 ， 则图!（#） ，（$） 中 破 坏 形 态 如 图%一 样 发 生 变 化 。对 开 洞 深 梁 及 开 洞 短 梁 进 行 比 较 可 见 ， 由 于 后 者的 剪 跨 比 增 大 ， 破 坏 形 态 也 发 生 了 改 变 ， 即 剪 切 破 坏 面已 带 有 剪 压 破 坏 的 特 征 ， 并 且 不 可 能 再 发 生 整 体 剪 切破 坏 ； 同 时 试 验 表 明 ， 与 支 座 和 加 载 点 连 线 相 垂 直 布 置的 斜 筋 可 以 改 善 力 流 的 传 递 ， 充 分 发 挥 混 凝 土 的 作 用 ，显 著 地 提 高 承 载 力 ， 抑 制 斜 裂 缝 的 发 展。图%洞 口 大 小 、 位 置 及 腹 筋 对 破 坏 形 态 的 影 响图!开 洞 短 梁 洞 口 的 破 坏 形 态 裂 缝 图根 据 有 限 元 分 析 及 试 验 结 果 可 得 开 洞 深 受 弯 构 件的 传 力 模 型 如 图所 示&。图开 洞 深 受 弯 构 件 的 传 力 模 型在 文 献 提 出 的 计 算 公 式 基 础 上 ， 文 献 () 根 据图（$） 提 出 了 开 洞 深 受 弯 构 件 抗 剪 承 载 力!*的 公 式!*(+&#,-$%)（(）式 中 ：$，%)分 别 为 截 面 厚 度 、 有 效 净 高 度 ；#,-.#,（(/!&0123#&） 为 混 凝 土 有 效 抗 拉 强 度 ，#,为 混 凝 土 抗 拉强 度 ，&.04或05或06（ 分 别 为 洞 口 水 平 或 竖 向 或 斜向 钢 筋 的 配 筋 率 ） ，#&为 洞 口 钢 筋 与 支 座 和 加 载 点 连 线的 夹 角 ， 且#&)7，!为 剪 跨 比 对 腹 筋 强 度 的 影 响 系数 ， 取 值 为!)。式 （(） 适 用 于 洞 口 上 、 下 剪 跨 比 均 小 于3+)的 情况 。 若 不 满 足 ， 则 可 采 用 洞 口 上 、 下 分 别 应 用 式 （(） 计算 后 再 叠 加 的 方 法 ， 洞 口 上 部 剪 跨 比 为 洞 口 上 部 剪 跨与 洞 口 上 部 有 效 截 面 高 度 之 比 ， 同 理 可 计 算 洞 口 下部 剪 跨 比 ； 洞 口 上 、 下 分 开 计 算 时 ， 与 整 体 计 算 不 同 之处 是!取 值 为3)。根 据 式 （(） 对 部 分 试 验 结 果 进 行 了 反 算 ， 计 算 值 与%根 有 腹 筋 简 支 开 洞 深 梁 的 试 验 结 果 之 比 的 平 均 值为(+)%8， 变 异 系 数 为)+(9； 计 算 值 与33根 有 腹 筋 简支 开 洞 短 梁 的 试 验 结 果 之 比 的 平 均 值 为)+%!， 变 异系 数 为)+)&3()； 计 算 值 与()根 有 腹 筋 二 跨 连 续 开洞 短 梁 及根 有 腹 筋 二 跨 连 续 开 洞 深 梁 的 试 验 结 果 之比 的 平 均 值 为(+)%， 变 异 系 数 为)+)&(， 吻 合 较 好9。文 献 3 的 试 验 研 究 表 明 ， 连 续 开 洞 深 梁 在 从 加 载到 破 坏 的 过 程 中 表 现 出 较 明 显 的 内 力 重 分 布 性 质 ， 破坏 时 边 支 座 截 面 和 中 支 座 截 面 承 受 的 剪 力 值 接 近 相等 ， 并 建 议 采 用 与 简 支 开 洞 梁 相 同 的 计 算 方 法 。 文 献9 的 试 验 研 究 则 表 明 连 续 开 洞 短 梁 的 受 力 特 点 及 裂缝 发 展 与 连 续 开 洞 深 梁 相 似 ， 在 加 载 过 程 中 ， 连 续 开 洞短 梁 的 边 、 中 支 座 截 面 剪 力 随 内 力 重 分 布 不 断 发 生 变化 ， 其 与 跨 高 比 、 剪 跨 比 、 洞 口 大 小 、 加 载 形 式 、 配 筋 形式 、 荷 载 阶 段 均 有 关 。 在 加 载 初 期 ， 边 支 座 截 面 和 中 支座 截 面 承 受 的 剪 力 值 之 比 与 弹 性 有 限 元 分 析 结 果 接近 ， 随 着 不 断 加 载 ， 二 者 之 比 逐 渐 增 加 ， 但 直 到 破 坏 ， 比值 始 终 小 于(+)， 所 有 的 构 件 试 验 测 出 的 破 坏 阶 段 的比 值 最 大 的 为)+39， 而 该 构 件 在 加 载 初 期 时 的 比 值仅 为)+99。 此 外 再 考 虑 到 活 荷 载 的 不 利 布 置 ， 故 设计 时 按 弹 性 分 析 所 得 的 中 支 座 截 面 承 受 的 剪 力 进 行 设计 偏 于 安 全 ， 边 支 座 截 面 承 受 的 剪 力 则 应 偏 于 安 全 地按 简 支 梁 剪 力 取 值 ， 以 便 有 较 好 的 适 用 性 。四 、 开 洞 浅 梁 的 试 验 及 传 力 模 式对 开 洞 浅 梁 的 开 洞 区 域 可 取 出 脱 离 体 进 行 分 析 ；而 且 根 据 分 析 ， 开 洞 浅 梁 应 再 分 为 小 孔 梁 、 大 孔 梁 二类 。 文 献 ( 认 为 ， 若 改 变 桁 架 模 型 的 腹 杆 角 度 及 杆宽 ， 则 桁 架 模 型 就 能 绕 过 洞 口 ， 该 孔 为 小 孔 ， 如 图9； 否则 就 为 大 孔 。开 小 孔 梁 根 据 配 腹 筋 的 强 弱 会 产 生 剪 压 、 斜 拉 及斜 压 破 坏 ， 文 献 (3 给 出 了 截 面 设 计 方 法 ， 一 般 可 根 据桁 架 模 型 进 行 计 算 和 配 置 钢 筋 ， 如 图9。开 大 孔 梁 则 根 据 孔 洞 大 小 及 位 置 、 洞 口 四 侧 配 筋不 同 会 产 生 剪 压 、 压 弯 及 斜 拉 破 坏!。 因 在 支 座 与 加载 点 之 间 力 的 传 递 无 法 直 接 绕 过 洞 口 ， 当 孔 洞 长 度 与梁 高 之 比 大 于)+9时 ， 文 献 (% 认 为 可 按 空 腹 桁 架 进行 分 析 。文 献 ( 对 大 孔 梁 上 、 下 弦 反 弯 点 的 位 置 进 行 了计 算 和 分 析 ， 在 反 弯 点 截 面 处 割 开 并 根 据 内 力 平 衡 可求 出 作 用 在 洞 口 上 、 下 弦 杆 上 的 轴 力 。 但 在 洞 口 开 裂!3图!开 洞 浅 梁 开 小 孔 时 的 传 力 桁 架 及 配 筋 图及 出 现 塑 性 内 力 重 分 布 后 ， 反 弯 点 位 置 要 移 动 ， 若 取 反弯 点 位 于 弦 杆 中 点 ， 则 可 能 低 估 了 弦 杆 某 侧 的 局 部 弯矩 ， 以 致 于 出 现 过 大 裂 缝 ， 且 对 抗 剪 不 利 。 故 在 工 程 设计 时 ， 可 先 假 定 反 弯 点 位 于 弦 杆 中 部 ， 并 求 出 洞 口 上 、下 弦 杆 上 作 用 的 轴 力 ； 但 弦 杆 根 部 的 局 部 弯 矩 值 可 乘以 系 数#$， 以 考 虑 反 弯 点 偏 移 的 不 利 ， 这 样 处 理 既 简单 又 偏 于 安 全 ， 且 有 利 于 抗 剪 。另 外 ， 对 总 剪 力 在 洞 口 上 、 下 弦 间 如 何 分 配 也 很 有争 议%，。 文 献 % 认 为 受 压 弦 杆 承 担 的 剪 力 应 占&(!)(； 文 献 * 认 为 应 完 全 由 受 压 弦 杆 承 担 剪力 ， 这 样 当 受 压 弦 杆 截 面 高 度 偏 小 时 过 于 不 合 理 ； 也 有的 文 献 建 议 按 洞 口 上 、 下 弦 的 截 面 面 积 分 配 剪 力 ； 有 的文 献 建 议 按 洞 口 上 、 下 弦 的 抗 弯 刚 度 分 配 剪 力 ； 文 献+ 的 取 值 则 介 于 中 间 ， 其 建 议 按 洞 口 上 、 下 弦 截 面 面积 与 抗 弯 惯 性 矩 乘 积 的 开 方 值 进 行 剪 力 分 配 ， 若 为 矩形 梁 就 按 上 、 下 弦 截 面 高 度 的 平 方 值 进 行 剪 力 分 配 ， 这与 试 验 结 果 较 吻 合 。 考 虑 到 受 拉 弦 杆 开 裂 后 刚 度 下降 ， 则 受 压 弦 杆 承 担 的 剪 力 将 增 加 ， 因 此 可 将 受 压 弦 杆分 配 的 剪 力 乘 上 大 于#的 系 数 ， 而 受 拉 弦 杆 分 配 的剪 力 不 变 ， 这 样 的 处 理 偏 于 安 全$。为 了 既 合 理 又 偏 于 安 全 地 在 洞 口 上 、 下 弦 间 分 配剪 力 ， 可 采 用 如 下 剪 力 分 配 方 法 ：!,!#,$! ,#,$! ,% #-$! -!-!&#$!#$ ,（.）其 中 ：!为 总 剪 力 ；!,，! 拉 弦 杆 及 受 压 弦 杆 承担 的 剪 力 ；#,，$,为 受 拉 弦 杆 的 截 面 面 积 、 抗 弯 惯 性矩 ；#-，$ 压 弦 杆 的 截 面 面 积 、 抗 弯 惯 性 矩 。按 上 述 方 法 可 分 别 计 算 洞 口 上 、 下 弦 杆 的 纵 筋 及箍 筋 。 不 过 在 洞 口 二 侧 的/区 还 应 配 置 必 要 的 腹 筋 ，为 此 文 献 构 造 了 传 力 桁 架 模 型 ， 但 模 型 过 于 复 杂 ，不 便 应 用 ； 工 程 设 计 中 可 偏 于 安 全 地 采 用 文 献 . 给出 的 配 筋 方 法 。五 、 结 论根 据 对 有 关 试 验 结 果 的 上 述 分 析 ， 可 得 出 如 下 的结 论 ：（） 根 据 受 力 情 况 ， 开 洞 梁 可 分 为 开 洞 深 受 弯 梁 及开 洞 浅 梁 。（.） 根 据 洞 口 大 小 ， 开 洞 浅 梁 可 分 为 开 小 孔 梁 及 开大 孔 梁 。（%） 高 跨 比 大 小 、 剪 跨 比 大 小 、 洞 口 大 小 及 位 置 、 腹筋 形 式 及 配 筋 量 影 响 开 洞 梁 的 剪 切 性 能 。（+） 配 筋 适 当 时 ， 开 洞 深 受 弯 梁 剪 切 传 力 模 式 可 分为 整 体 剪 坏 及 上 、 下 分 别 剪 坏 二 类 。（$） 开 洞 浅 梁 为 开 小 孔 时 ， 可 直 接 按 传 力 桁 架 模 型配 置 腹 筋 。（!） 开 洞 浅 梁 为 开 大 孔 时 ， 反 弯 点 可 取 在 弦 杆 中 点来 计 算 弦 杆 轴 力 ， 但 弦 杆 局 部 弯 矩 可 偏 于 安 全 地 加 大 ，并 且 可 根 据 弦 杆 弯 、 剪 刚 度 乘 积 的 开 方 进 行 剪 力 分 配 ，受 压 弦 杆 上 分 配 的 剪 力 宜 适 当 再 加 大 。参 考 文 献# 012340，56785,8?1263F;A,A:，)*，.)（)） ：&J)；)*&，%（%） ：&)J)$;.#开 洞 深 梁 专