钢筋混凝土抗剪强度计算模型研究趋势

钢筋混凝土抗剪强度计算模型研究趋势

摘要：由于剪切破坏的复杂性和重要性，许多学者对此问题从各方面进行了研究。根据已有的钢筋混凝土梁抗剪性能研究成果，阐述了各种抗剪承载力的计算模型及基本原理，评述了各模型间的内在联系及适用性，指出了各种研究方法及模型的优缺点，探讨了该领域的研究发展趋势，并对未来的研究工作提出了建议。研究表明：现有抗剪理论存在各自的局限性，正确认识其特点才可合理运用于不同结构形式的抗剪性能分析。

关键字：钢筋混凝土抗剪承载力综述

Reinforced Concrete Shear Strength Calculation Model

Research Trend

Abstract: Due to the shear failure complexity and importance, many scholars from all the problems are studied. According to the domestic and foreign existing reinforced concrete beam shear performance research results, this paper expounds systematically shear capacity of the calculation model and basic principle, this paper reviews the inner relationship between the model and the applicability, points out the various research methods and the advantages and disadvantages of model, this paper probes into the development trend of the research in this area, and the future research are proposed. Research shows that: the existing shear theory existence the limitations of their respective understand correctly the characteristics can be reasonable to use in different structure form of shear performance of analysis.

Key words：Reinforced concrete；Shear；Bearing capacity；Review

1.前言

钢筋混凝土结构的抗剪问题十分复杂，相关的理论分析和试验研究是一个需要不断深入的课题，只有清晰认识剪切破坏机理的实质，才能有效避免此类破坏的发生。

目前，国内外混凝土结构设计规范中关于抗剪承载力计算公式大多是以试验数据为依据的半理论半经验公式，根据现有的钢筋混凝土梁抗剪承载力计算规范与过往的规范作出对比，现行规范有四点问题：1)纵筋对混凝土有销栓作用,所以纵筋的配筋率对钢筋混凝土的抗剪是有影响的,规范中没有反映出这一有利因素。当然，对于设计是偏于安全的。2)抗剪强度的增长率是小于截面高度的增长率的,规范中没有考虑尺寸效应。3)支座负弯矩的出现是对抗剪有利的,是偏于安全的,规范中忽略了这一点。4)规范中考虑剪跨比的影响只针对受集中荷载作用的构件,而对受分布荷载的构件却未考虑剪跨比的影响。

以上问题在一定程度上反映了混凝土抗压强度、钢筋屈服强度、截面几何特征及荷载类型等主要参数的影响，但该规范只有定量的物理概念，而没有明确的力学模型。

2.研究意义

从20 世纪初至今,国内外学者根据钢筋混凝土结构剪切破坏机理,提出了多种理论分析方法。其中主要有以下几大类:古典桁架理论、软化桁架模型、桁架+ 拱模型、压杆- 拉杆模型等。从发展历程来看, 每一种抗剪理论及模型都不是孤立存在的, 它们之间相互联系、相互影响并不断演变。根据已有的钢筋混凝土梁抗剪性能研究成果,对其存在的优缺点及适用范围进行了阐述,并指出了该领域的研究发展趋势,为抗剪承载力问题的认识提供了一定的

参考价值。

3.古典桁架理论

古典桁架模型是为设计钢筋混凝土梁腹筋而提出来的，其基本假定是混凝土和钢筋均为各向同性材料,剪应力沿截面均匀分布,开裂后混凝土拉应力忽略不计。在该模型中，将梁理想化为具有平行弦杆和斜压杆的桁架结构，上部弯压混凝土作为桁架上弦杆，底部纵向钢筋作为桁架下弦杆，腹杆则由受拉箍筋及裂缝间受压混凝土斜杆构成，假定斜裂缝倾角为45°，故又被称为平行弦桁架模型。随后，研究人员将该模型应用于梁的抗扭分析。古典桁架模型通过平衡方程的求解来分析并设计腹板抗剪箍筋，其方法简单、概念清晰，但完全没考虑混凝土的抗剪作用，全部剪力均由箍筋承担，这样使得箍筋的利用率较低，并造成很大的浪费。

在试验中发现，混凝土承担了一定的剪力而箍筋并非承担全部剪力。古典桁架模型在剪力分配方面没有考虑荷载作用下裂缝分布及应力状态不同带来的差别，在计算箍筋应力时没有考虑腹板相对刚度的影响，且不满足变形协调。为此，将该模型的上弦压杆看作倾斜或者改变混凝土斜压杆的角度，提出了考虑腹板相对刚度影响的修正古典桁架模型。变角桁架模型是古典桁架模型的细化，同样不考虑混凝土拉应力和变形协调，只是在建立平衡方程时将斜裂缝倾角假定为小于45°，较真实地反映受力状态。为考虑混凝土的抗剪作用，提出了改进桁架模型，以混凝土压碎作为控制条件，倾斜角可以在一定范围内变化。当抗剪承载能力一定时，选用角度较大或较小的桁架模型，可以减少箍筋或纵筋的用量。

以上桁架模型通过平衡方程求解内力，以材料强度准则作为杆件的受力依据，且不考虑变形协调，所以也被称为平衡桁架模型。

4.软化桁架模型

软化桁架模型假定实质上是钢筋混凝土服从压力场。由于混凝土是非弹性体，当非弹性体变形较大时主应力方向与主应变方向有较大偏差。研究表明，取两个主方向一致所造成的误差在±10°之间，由于软化桁架模型忽略钢筋的销栓作用及混凝土骨料的咬合作用，从理论上讲，当抗剪钢筋为粗钢筋或抗剪配筋率较大时，按软化桁架理论计算结果因不计骨料咬合作用而偏于安全，但在反复荷载作用下除桁架作用外其他抗剪机构均已随之退化，所以软化桁架理论计算结果更接近于反复荷载作用结果。

5.桁架+ 拱模型

研究结果表明：抗剪单元的抗剪强度由属于箍筋承担的主要部分和混凝土承担的次要部分组成，混凝土在抗剪过程中起到一定作用，特别是在以承受轴力为主的框架柱构件中，混凝土的抗剪贡献更显突出。构件中不仅存在桁架作用，还存在拱作用，二者叠加即为有腹筋构件的抗剪承载力。由于受力形式和抗剪钢筋数量的不同，伴随着梁、拱作用出现的变形并不协调，梁作用与拱作用在极限承载力中所占的比例难以确定，即拱作用的过渡难以处理。桁架+ 拱模型假定桁架作用的破坏是因为构件腹板混凝土压碎或腹筋屈服，而非纵向钢筋受拉屈服；拱作用的破坏由于塑性铰区骨料咬合作用的减小和混凝土的软化，且抗剪强度随塑性铰转动的增大而减小。（见图1）