对深受弯构件受力特点的探讨

对深受弯构件受力特点的探讨
【摘要】针对深受弯构件与普通钢筋混凝土梁的不同特点，简要对比了新旧混凝土结构设计规范中深受弯构件的承载力计算公式、构造等思路及要求，突出了新规范的改进创新之处。

【关键词】深受弯构件；规范；承载力；构造
1 深受弯构件的受力特点
钢筋混凝土深受弯构件是指跨高比较小（l0 /h<5）的受弯构件。

深受弯构件因其跨度与高度相近，在荷载作用下同时兼有受压、受弯和受剪状态，受力特性与普通梁有一定的差别，其正截面应变不符合平截面假定，自顶面到底面呈明显的曲线变化，在跨高比很小时，甚至出现了多个应变为零的点。

但随着跨高比的变化，受力特性会有显著的变化，对于简支梁，在跨高比l0 /h ≤2时，截面应变曲线特征明显，规范将其列为深梁；在跨高比2<l0 /h≤5时，截面应变逐渐由曲线回归到平截面假定的状况，规范将其列为短梁。

文中应用通用有限元程序ansys，对不同跨高比的简支梁在均部荷载下跨中截面的截面正应力进行
了计算，并绘出自顶面到底面的变化情况。

2 新规范的计算公式
2.1 正截面受弯破坏形态及承载力计算
短梁的破坏形态和普通梁相同。

根据配筋的量有适筋破坏、超筋破坏和少筋破坏。

对于深梁，当跨中的纵向受拉钢筋首先达到屈服强度时，深梁即发生正截面弯曲破坏。

其特点是：破坏开始时深梁
的挠度较小，但在弯坏的过程中却有较大的延性，当纵向受拉钢筋的配筋率增加到某一程度时，深梁的破坏形态将由弯曲破坏转化为剪切破坏，此时的配筋率称为弯剪界限配筋率；当纵筋配筋量继续增大时，将出现弯剪区斜裂缝开展较跨中垂直裂缝快的现象，并形成所谓拉力拱的受力体系，因此，深梁不会出现超筋破坏形态。

无水平分布筋的深受弯构件，规范中正截面受弯承载力设计值mu 可按下列公式计算：
mu=?yasz （1）
其中，fy，as 分别为纵向钢筋的抗拉强度设计值和截面面积；z 为内力臂。

该公式力学含义非常明确，并且力学含义与深受弯构件的受力特性相吻合，新规范与旧规范在mu的计算公式上是一致的，只是公式中内力臂z的计算有所不同，新规范内力臂考虑了跨高比（l0 /h）的影响，下面比较了新旧规范内力臂z的计算：
旧规范：z=0.1（l0 +5.5h）（当 l0 <h时，z =0.65h0）（2）新规范：z= αd（h0—x/2）（3）
αd=0.8+0.04（l0 /h）（当l0<h时，z=0.6h0）（4）
内力臂z来源于试验成果，使构件正截面计算变得简单，新规范公式较旧规范公式提高了构件安全度，考虑了跨高比（l0 /h的连续变化对构件受力性能的影响，并且实现了与普通梁正截面承载力公式的衔接问题（l0 /h=5时，αd=1.0，从而z=ho— x/2，即为普通梁的内力臂取值）。

2.2 斜截面受剪破坏形态及承载力计算
对于短梁，根据斜裂缝发展的特征，依据荷载类型（集中荷载或均布荷载）与跨高比，其破坏形态可分为斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏。

对于深梁构件，当纵向配筋率较高，超过上述弯剪界限配筋率时，随着荷载的增加在梁腹下半部靠近支座的地方出现较长的斜裂缝，斜裂缝的发展使梁形成拉杆拱的受力状态。

若配置适量腹筋的深梁，拉杆不会屈服而拱肋（梁腹加载点至支座的斜压带）的混凝土先行压碎，即为斜压破坏，无腹筋的梁则容易发生斜拉破坏或劈裂破坏。

无论斜压破坏，还是斜拉破坏，由于都始于混凝土压碎破坏，都属于脆性破坏，但如果配有适当的竖向分布筋，延性会好些。

在深受弯构件剪切破坏形态中，只要配置适当的腹筋就可避免斜拉（劈裂）破坏。

受剪承载力计算主要是防止斜压破坏。

新规范与旧规范在斜截面抗剪能力ν的计算公式形式上有很大
的变化，下面比较了新旧规范关于ν的计算：
1）旧规范：ν≤0.12[1+22（ρ+ ρsh）]?cbh
（5）
式中：ρ，ρsh——分别为纵向钢筋及水平分布钢筋的配筋率；?c——混凝土轴心抗压强度；
b，h——截面尺寸。

2）新规范：
a.均布荷载下：
（6）
b.集中荷载（或其产生的剪力占总剪力的75%以上）下：
（7）
其中，及分别为竖向分布钢筋和水平分布钢筋的截面面积、间距、钢筋强度设计值。

λ为剪跨比，当l0 /h ≤2时，取l0 /h=2，λ =0.25。

公式（5）显然形式简单、使用方便，但从其本身的力学含义而言，却是有欠妥当的。

首先公式（5）中的（ρ+ ρsh ）实质上相当于增大系数，考虑了纵向受力钢筋及水平分布钢筋总配筋率对增加抗剪承载力的影响，但其未计入竖向分布钢筋对承载力的贡献。

再次，公式（5）也未考虑剪跨比λ对深受弯构件抗剪承载力的影响，根据相关文献资料，剪跨比λ对构件抗剪承载力的影响是很大的，并且剪跨比λ越小，其影响越显著，因而其对深受弯构件抗剪承载力的影响更大，从普通梁抗剪承载力公式即可看出这点。

新规范公式（6），（7）力学意义明确，第一项是混凝土的抗剪承载力，第二项是竖向分布钢筋的抗剪承载力，第三项是水平分布钢筋的抗剪承载力，各项均计入了跨高比l0 /h的变化影响，并且将原规范的一个公式分出两种情况考虑，在集中荷载的情况下，又计入了剪跨比λ的影响。

在l0 /h=5时，公式的形式与普通梁的抗剪承载力公式完全相同，简单并有效地实现了深梁到短梁再到普通梁的过渡问题。

3 构造要求
钢筋混凝土结构向来对构造都是很重视的。

根据深受弯构件的独特力学特点，新规范深梁设计把构造措施的重要性提得更高，并且深梁有些部位的强度主要靠构造措施来满足。

如在连续梁中间支座截面，随着跨高比（l0 /h）的减小，弯矩产生的拉应力下移，最低能下移到中和轴稍下的位置。

按照理论计算，对跨高比不同的深梁理应规定不同的负钢筋配置范围，因此新规范规定了随着l0 /h 的变化，沿截面高度布置相应的纵向受力钢筋，并且新规范规定：对跨高比l0 /h≤1时的连续深梁，在中间支座上部0.2l0 ～0 .6l0 高度范围内的总纵向受拉钢筋配筋率不应小于0.5%，用构造措施满足了这种应力分布的要求。

对于深受弯构件中的短梁，在截面下部1/2高度范围内以及支座截面上部高度1/2 范围内，纵向构造钢筋应较普通梁适当加强，其他构造相对普通梁无特别要求。

4 结语
文中分析了深受弯构件的受力特点，验证了跨高比（l0 /h）对跨中截面正截面应变的影响，随着跨高比的减小，正截面应变从符合正截面假定逐渐过渡到不符合正截面假定。

新规范增加了跨高比（l0 /h）介于2～5之间，深受弯构件中的短梁的相应承载力计算，将短梁与深梁合并称之为深受弯构件用同一公式，采用与普通梁相同的公式形式，巧妙地完成了深梁与普通梁之间的衔接问题，填补了该部分的空白，方便了工程设计人员。

新规范中，深受弯构件受弯和抗剪承载力计算公式考虑了剪跨比值及跨高比（l0 /h）对承
载力的影响而加以修正，另外，抗剪承载力计算公式科学地计入了竖向分布钢筋对抗剪的贡献。

新规范为深梁定出了不同截面位置的受力钢筋配置范围。

在配置钢筋之前对配筋范围已经一目了然，计算工作只是确定钢筋数量，在算出所需钢筋面积以后，就可以按此范围直接配置钢筋。