第5章 受弯构件斜截面承载力

第5章受弯构件斜截面承载力第一节：概述第二节：斜截面受剪破坏形态和破坏机理第三节：斜截面受剪承载力计算第四节：保证斜截面受弯承载力的构造措施§5．1概述钢筋混凝土受弯构件除承受弯矩外，一般还同时承受剪力。在弯剪区，会沿着斜向裂缝发生斜截面破坏。斜截面破坏的形式有受剪和受弯破坏两类。工程设计中，斜截面受剪承载力是通过计算由混凝土、箍筋和弯起钢筋来承担；斜截面受弯承载力则是通过构造措施来满足的。§5．1概述通常，板具有足够的斜截面承载力，故受弯构件斜截面承载力主要是研究梁及厚板。梁具有一个合理的截面尺寸，并配置箍筋或配置弯起钢筋。箍筋、弯起钢筋统称为腹筋。有箍筋、弯起钢筋和纵向钢筋的梁称为有腹筋梁；无箍筋和弯起钢筋但有纵向钢筋的梁称为无腹筋梁。试验概况纯弯区CD段，产生垂直裂缝，形成正截面破坏。§5．2斜截面受剪破坏形态和破坏机理弯剪区AC和DB段，出现斜裂缝。应力分析正应力yIM0剪应力bIVS00主拉应力2242tp主压应力2242cp主应力的作用方向与梁纵轴的夹角)2arctan(21斜裂缝形式通常情况下，弯剪区段中，截面下边缘的受弯正拉应力较大，因此首先出现垂直裂缝，并随着荷载的增大，垂直裂缝将沿主压应力迹线斜向发展，形成弯剪斜裂缝。斜裂缝形式当梁的腹板很薄而高宽比较大（薄腹T形梁）或集中荷载离支座很近时，构件腹部剪应力较大，构件腹板中部主拉产生的拉应变达到混凝土的极限拉应变而开裂，并沿上、下主压应力迹线发展为斜裂缝，称为腹剪斜裂缝。斜截面的受力分析脱离体上作用的外剪力为V，斜截面上的抗力有混凝土剪压区的剪力和压力、纵筋的抗力、纵筋的销栓力、骨料咬合力等。0XaxscVTC0YsaycVVVV0MzVzVzVVazTaxaassay2121受力特点无腹筋梁斜裂缝形成后，发生应力重分布，有以下特点：1）荷载引起的剪力使斜裂缝上方的混凝土既受压又受剪，成为剪压区。斜裂缝出现以前，荷载引起的剪力由全截面承担，斜裂缝出现后，主要由斜裂缝上端剪压区的混凝土截面来承担，由于剪压区截面面积远小于全截面面积，故其剪应力和压应力将显著增大。受力特点2）在斜裂缝出现前斜截面起点处纵筋的拉应力由该处的弯矩所决定;斜裂缝出现后，斜截面起点处纵筋的拉应力将由斜截面顶端处的弯矩决定，由于，斜裂缝出现后纵筋的拉应力突然增大；同时，纵筋的销栓作用会使纵筋周围的混凝土产生撕裂裂缝，削弱钢筋混凝土的粘结，因此对纵筋在支座处的锚固提出了更高要求。EMCMCBMM破坏形态剪跨比λ无腹筋梁出现相互平行的腹剪斜裂缝，主压应力超过混凝土的抗压强度，沿斜向压坏，破坏时斜裂缝多而密，梁腹发生类似柱体受压的侧向膨胀，故称为斜压破坏。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的比值则称为计算剪跨比λ0/ha1)斜压破坏剪跨比较小(λ1)时。破坏形态1)斜压破坏破坏取决于混凝土的抗压强度，且破坏是突然的，为脆性破坏，与正截面的超筋破坏相类似。2)剪压破坏剪跨比适中(1≤λ≤3)剪弯区段的受拉边缘出现一些垂直裂缝，随着荷载的增加，这些垂直裂缝将沿压应力迹线向集中荷载作用点处延伸，形成一些斜裂缝；其中一条延伸较长、开展较宽的斜裂缝发展成临界斜裂缝，向梁顶混凝土受压区发展。2)剪压破坏剪跨比适中(1≤λ≤3)到达破坏荷载时，斜裂缝上端混凝土被压碎，破坏时剪压区的混凝土在压应力、切应力及荷载产生的竖向局部压应力的共同作用下达到复合受力的极限强度，破坏取决于混凝土的剪压复合强度，其承载能力高于斜拉破坏的情况。设计时应将构件控制为剪压破坏类型。3)斜拉破坏剪跨比较大(λ3)时斜裂缝一旦出现就很快向梁顶发展，形成临界裂缝，将残余混凝土截面斜向撕劈成两半而破坏，同时沿纵筋产生劈裂裂缝。3)斜拉破坏剪跨比较大(λ3)时斜拉破坏是由于受压区混凝土截面面积急剧减小，梁的承载力取决于混凝土的抗拉强度，破坏荷载和斜裂缝出现时的开裂荷载差不多，其值相当低。该过程快速而突然，变性很小，无明显征兆，具有很大脆性和危险性，设计时按构造要求设置腹筋可防止斜拉破坏。不同剪跨比的无腹筋梁的破坏形态和承载能力虽有不同，但达到承载力时梁的挠度均不大，且破坏后荷载均急剧下降。其中，斜拉破坏脆性最为突出，斜压破坏次之，剪压破坏稍好。破坏时承载能力各不相同，斜压破坏时抗剪能力最大，其次是剪压，斜拉最小。受剪承载力的组成有腹筋梁斜截面受剪破坏斜截面的受剪承载力由下列各项所组成ayssbsvcuVVVVVV有腹筋梁斜截面的受力分析在有腹筋梁中，斜裂缝出现后，与斜裂缝相交的腹筋（箍筋和弯筋）应力显著增大，直接承担部分剪力。腹筋能限制斜裂缝的开展和延伸，增大斜裂缝上端混凝土剪压区的截面面积，提高混凝土剪压区的抗剪能力。有腹筋梁斜截面的受力分析箍筋还将提高斜裂缝交界面骨料的咬合和摩擦作用，延缓沿纵筋的粘结劈裂裂缝的发展，防止混凝土保护层的突然撕裂，提高纵向钢筋的销栓作用。因此，腹筋将使梁的受剪承载力有较大的提高。有腹筋梁斜截面受剪破坏形态（1）斜压破坏当剪跨比较小(λ1)或λ虽较大但箍筋配置数量过多时，箍筋应力增长缓慢，在箍筋尚未屈服时，发生斜压破坏，梁腹斜裂缝间混凝土即达到抗压强度而发生斜压破坏其承载力取决于混凝土强度及截面尺寸，再增加配箍率对提高受剪承载力已不起作用。有腹筋梁斜截面受剪破坏形态（2）剪压破坏当剪跨比适中(1≤λ≤3)时，配箍筋率适当，或剪跨比较大(λ3)，且腹筋数量不过多时，斜裂缝出现后，箍筋承担了部分剪力，限制斜裂缝开展，使荷载可有较大的增长，最后箍筋屈服，受压区混凝土在切应力和压应力的共同作用下达到构件的极限强度，丧失其承载能力，发生剪压破坏。这种破坏的极限承载力主要取决于混凝土强度及配箍率。有腹筋梁斜截面受剪破坏形态（3）斜拉破坏。当剪跨比较大(λ3)时，且配箍率过低，如同正截面受弯的少筋梁一样，斜裂缝一出现，箍筋即达到屈服，箍筋对斜裂缝开展的约束作用不复存在，相当于无腹筋梁，发生斜拉破坏。无腹筋梁的抗剪计算模式临界斜裂缝出现后，梁被斜裂缝分割为套拱式机构。内拱（Ⅲ）通过纵筋的销栓作用和混凝土骨料的咬合作用把力传给相邻外侧拱，最终传给基本拱体Ⅰ，再传给支座。无腹筋梁的抗剪计算模式无腹筋梁的传力体系可比拟为一个拉杆拱，斜裂缝顶部的残余截面为拱顶，纵筋为拉杆，基本拱体Ⅰ为拱体。当拱顶混凝土强度不足时，将发生剪压破坏；当拱身的抗压强度不足时，将发生斜压破坏；当支座纵筋锚固不足时将发生粘结破坏。有腹筋梁的抗剪计算模式在有腹筋梁中，临界斜裂缝形成后，腹筋依靠“悬吊”作用把内拱（Ⅱ、Ⅲ）的内力直接传递给基本拱体Ⅰ，再传给支座。有腹筋梁的抗剪计算模式有腹筋梁的传力体系可比拟为拱形桁架模型。混凝土基本拱体Ⅰ是拱形桁架的上弦压杆，斜裂缝之间的小拱（Ⅱ、Ⅲ）为受压腹杆，纵筋为受拉弦杆，箍筋为受拉腹杆。当配有弯起钢筋时，它可以看作拱形桁架的受拉斜腹杆。腹筋中存在拉应力，斜裂缝间的混凝土承受压应力。当受拉腹杆（腹筋）较弱时可能发生斜拉破坏；当受拉腹杆（腹筋）配置适当时将发生剪压破坏；当受拉腹杆过强（腹筋过多）时可能发生斜压破坏。影响斜截面受剪承载力的主要因素1)剪跨比对于对称集中力作用下的简支梁000///VhMPhPaha201bhMa02bhVa021VhMaa0VhM按斜压破坏(λ1)、剪压破坏(1λ3)和斜拉破坏(λ3)的顺序变化，其受剪承载力则逐渐减弱。当λ3时，剪跨比的影响将不明显。在剪跨比和其他条件一定时，斜截面受剪承载力随混凝土强度fcu的提高而增大，两者基本为线性关系。2)混凝土强度剪跨比λ1时为斜压破坏，取决于混凝土的抗压强度；剪跨比λ3时为斜拉破坏，取决于混凝土的抗拉强度；剪跨比1≤λ≤3时为剪压破坏，受剪承载力与混凝土强度的压剪复合受力强度有关。第5章受弯构件斜截面承载力由于纵筋的增加相应地加大了剪压区混凝土的高度，间接地提高了梁的抗剪能力。3)纵筋配筋率纵筋的增加提高了销栓作用，同时限制了斜裂缝的发展。增加纵筋配筋率可提高梁的受剪承载力，剪跨比λ较小时，纵筋纵筋配筋率对受剪承载力影响大；剪跨比λ较大时，属斜拉破坏，纵筋配筋率对受剪承载力的影响小。4)箍筋配箍率及箍筋强度bsAnbsAsvsvsv1梁的斜截面受剪承载力随配箍率与箍筋强度的乘积的增大而提高，两者呈线性关系。5)斜裂缝的集料咬合力和纵向钢筋的销栓作用斜裂缝的集料咬合力对开裂前斜截面受剪承载力有较大的影响，但随着斜裂缝的开展，其作用逐渐减弱。纵向钢筋的销栓作用对斜截面受剪承载力的影响较弱。（6）加载方式和受力类型•加载方式（梁顶或中间加载）和受力类型（简支梁或连续梁）对斜截面承载力也有一定的影响。中间加载的简支梁的受剪承载力小于梁顶加载的。在集中荷载作用下，连续梁的受剪承载力低于相同条件的简支梁，在均布荷载作用下两者相当。（7）截面尺寸和形状•对无腹筋梁，梁高增大，斜裂缝的宽度也增大，骨料咬合作用和纵筋的销栓作用减弱，受剪承载力降低。对有腹筋梁，腹筋的存在限制斜裂缝的开展，尺寸效应的影响减小。§5．3受弯构件斜截面受剪承载力计算计算原理有腹筋梁沿斜截面破坏可能出现斜压破坏、斜拉破坏和剪压破坏三种破坏形态。工程设计中不允许出现斜压破坏和斜拉破坏的梁。通过构造措施，控制最大配箍率，即控制构件最小截面尺寸，防止发生斜压破坏；§5．3斜截面受剪承载力计算计算原理用配置一定数量的箍筋和保证必要的箍筋间距来防止斜拉破坏。对于常见的剪压破坏，通过受剪承载力计算给予保证。《混凝土结构设计规范》的受剪承载力计算公式就是依据剪压破坏特征建立的。有箍筋和弯起钢筋的简支梁，斜截面上的抗剪力有混凝土剪压区的剪力和压力、箍筋和弯起钢筋的抗力、纵筋的抗力、纵筋的销栓剪力、骨料咬合力等。《规范》采用半理论半经验方法建立受剪承载力计算公式sbsvcuVVVV无弯起钢筋时，公式可简化为cssvcuVVVV无腹筋梁斜截面受剪承载力不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件，其斜截面的受剪承载力应符合下列规定07.0bhfVVthc410800hh斜截面破坏具有明显的脆性，只有截面高度小于150mm的小梁，才允许使用无腹筋梁，高度大于150mm的梁，需按抗剪承载力计算或构造配置钢筋。仅配置箍筋梁的斜截面受剪承载力矩形、T形、I形截面的一般受弯构件，当仅配置箍筋时，其斜截面的受剪承载力应符合下列规定00hsAfbhfVVsvyvtcvcs▬斜截面混凝土受剪承载力系数，对于一般受弯构件取0.7；集中荷载下（包括作用有多种荷载,其中集中荷载对支座截面或节点边缘所产生的剪力值占总剪力值的75%以上的情况）的独立梁175.1cvcv箍筋和弯起钢筋梁的斜截面受剪承载力矩形、T形、I形截面的受弯构件，当配置箍筋和弯起钢筋时，其斜截面的受剪承载力应符合下列规定ssbycsuAfVVVsin8.01)截面限制条件为了防止斜压破坏，箍筋不能配得太多，或者说截面尺寸不能太小，《混凝土结构设计规范》规定时当4/bhw025.0bhfVcc时当6/bhw02.0bhfVcc时当6/4bhw0/14025.0bhfbhVccw对于T形或I形截面的简支受弯构件，当有实际经验时，可以放宽为030.0bhfVcc如果上述条件不能满足，则必须加大截面尺寸或提高混凝土的强度等级。当梁内配置一定数量的箍筋且其间距又不过大时，可防止发生斜拉破坏矩形、T形和I形截面一般受弯构件，当符合下列条件07.0bhfVt集中荷载为主的矩形、T形和I形截面的独立梁0175.1bhfVt2)最小配箍率和构造配箍yvtsvff/24.0min,构造配箍以上情况可不进行斜截面受剪承载力计算（即不按计算配箍），但应按构造配置箍筋。构造配箍要求应满足箍筋设置位置、箍筋最小直径和箍筋的最大间距等方面。对矩形、T形和I形截面的一般受弯构件，当符合下列条件集中荷载为主的矩形、