第四章-受弯构件斜截面受剪承载力计算

1第4章受弯构件的斜截面承载力教学要求：1深刻理解受弯构件斜截面受剪的三种破坏形态及其防止对策。2熟练掌握梁的斜截面受剪承载力计算。3理解梁内纵向钢筋弯起和截断的构造要求。4知道梁内各种钢筋，包括纵向受力钢筋、纵向构造钢筋、架立筋和箍筋等的构造要求。4.1概述在保证受弯构件正截面受弯承载力的同时，还要保证斜截面承载力，它包括斜截面受剪承载力和斜截面受弯承载力两方面。工程设计中，斜截面受剪承载力是由计算和构造来满足的，斜截面受弯承载力则是通过对纵向钢筋和箍筋的构造要求来保证的。图4-1箍筋和弯起钢筋图4-2钢筋弯起处劈裂裂缝工程设计中，应优先选用箍筋，然后再考虑采用弯起钢筋。由于弯起钢筋承受的拉力比较大，且集中，有可能引起弯起处混凝土的劈裂裂缝，见图4-2。因此放置在梁侧边缘的钢筋不宜弯起，梁底层钢筋中的角部钢筋不应弯起，顶层钢筋中的角部钢筋不应弯下。弯起钢筋的弯起角宜取45°或60°4.2斜裂缝、剪跨比及斜截面受剪破坏形态4.2.1腹剪斜裂缝与弯剪斜裂缝钢筋混凝土梁在剪力和弯矩共同作用的剪弯区段内，将产生斜裂缝。主拉应力：2242tp，2主压应力2242cp主应力的作用方向与构件纵向轴线的夹角a可按下式确定：22tg图4-3主应力轨迹线图4-4斜裂缝(a)腹剪斜裂缝；(b)弯剪斜裂缝这种由竖向裂缝发展而成的斜裂缝，称为弯剪斜裂缝，这种裂缝下宽上细，是最常见的，如图4-4(b)所示。4.2.2剪跨比在图4-5所示的承受集中荷载的简支梁中，最外侧的集中力到临近支座的距离a称为剪跨，剪跨a与梁截面有效高度h0的比值，称为计算截面的剪跨比，简称剪跨比，用λ表示，λ=a/h0。3对于承受集中荷载的简支梁，λ=M/(Vh0)=a/h0，即这时的剪跨比与广义剪跨比相同。对于承受均布荷载的简支梁，设l为梁的跨度，βl为计算截面离支座的距离，则λ可表达为跨高比l/h0的函数：剪跨比λ反映了截面上正应力σ和剪应力τ的相对比值，在一定程度上也反映了截面上弯矩与剪力的相对比值。它对无腹筋梁的斜截面受剪破坏形态有着决定性的影响，对斜截面受剪承载力也有着极为重要的影响。4.2.3斜截面受剪破坏的三种主要形态1无腹筋梁的斜截面受剪破坏形态图4-6主应力迹线分布图在剪跨比小的图4-6(a)中，在集中力到支座之间有虚线所示的主压应力迹线，即力是按斜向短柱的形式传递的。可见，剪跨比小时，主要是斜向受压而产生斜压破坏。在剪跨比大的图4-6(c)中，集中力与支座之间没有直接的主压应力迹线，故以弯曲传力为主，产生沿主压应力迹线的斜裂缝，并发展为斜拉破坏。试验也表明，无腹筋梁的斜截面受剪破坏形态与剪跨比λ有决定性的关系，主要有斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏三种破坏形态。图4-7斜截面破坏形态(a)斜压破坏；(b)剪压破坏；(c)斜拉破坏4(1)斜压破坏(图4-7a)λ＜1时，发生斜压破坏。这种破坏多数发生在剪力大而弯矩小的区段，以及梁腹板很薄的T形截面或I形截面梁内。破坏时，混凝土被腹剪斜裂缝分割成若干个斜向短柱而压坏，因此受剪承载力取决于混凝土的抗压强度，是斜截面受剪承载力中最大的。(2)剪压破坏(图4-7b)1≤λ≤3时，常发生剪压破坏。其破坏特征通常是，在弯剪区段的受拉区边缘先出现一些竖向裂缝，它们沿竖向延伸一小段长度后，就斜向延伸形成一些斜裂缝，而后又产生一条贯穿的较宽的主要斜裂缝，称为临界斜裂缝，临界斜裂缝出现后迅速延伸，使斜截面剪压区的高度缩小，最后导致剪压区的混凝土破坏，使斜截面丧失承载力。(3)斜拉破坏(图4-7c)λ＞3时，常发生斜拉破坏。其特点是当竖向裂缝一出现，就迅速向受压区斜向伸展，斜截面承载力随之丧失。破坏荷载与出现斜裂缝时的荷载很接近，破坏过程急骤，破坏前梁变形很小，具有很明显的脆性，其斜截面受剪承载力最小。图4-8斜截面破坏的F-f曲线图4-8为三种破坏形态的荷载-挠度(F-f)曲线图。可见，三种破坏形态的斜截面受剪承载力是不同的，斜压破坏时最大，其次为剪压，斜拉最小。它们在达到峰值荷载时，跨中挠度都不大，破坏时荷载都会迅速下降，表明它们都属脆性破坏类型，是工程中应尽量避免的。另外，这三种破坏形态虽然都是属于脆性破坏类型，但脆性程度是不同的。混凝土的极限拉应变值比极限压应变值小得多，所以斜拉破坏最脆，斜压破坏次之。为此，规范规定用构造措施，强制性地来防止斜拉、斜压破坏，而对剪压破坏，因其承载力变化幅度相对较大所以是通过计算来防止的。2有腹筋梁的斜截面受剪破坏形态配置箍筋的有腹筋梁，它的斜截面受剪破坏形态是以无腹筋梁为基础的，也分为斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏三种破坏形态。这时，除了剪跨比对斜截面破坏形态有决定性的影响以外，箍筋的配置数量对破坏形态也有很大的影响。当λ＞3，且箍筋配置数量过少时，斜裂缝一旦出现，与斜裂缝相交的箍筋承受不了原来由混凝土所负担的拉力，箍筋立即屈服而不能限制斜裂缝的开展，与无腹筋梁相似，发生斜拉破坏。如果λ＞3，箍筋配置数量适当的话，则可避免斜拉破坏，而转为剪压破坏。这是因为斜裂缝产生后，与斜裂缝相交的箍筋不会立即受拉屈服，箍筋限制了斜裂缝的开展，避免了斜拉破坏。箍筋屈服后，斜裂缝迅速向上发展，使斜裂缝上端剩余截面缩小，使剪压区的混凝土在正应力σ和剪应力τ共同作用下产生剪压破坏。如果箍筋配置数量过多，箍筋应力增长缓慢，在箍筋尚未屈服时，梁腹混凝土就因抗压能力不足而发生斜压破坏。在薄腹梁中，即使剪跨比较大，也会发生斜压破坏。所以，对有腹筋梁来说，只要截面尺寸合适，箍筋配置数量适当，使其斜截面受剪破坏成为剪压破坏形态是可能的。4.3简支梁斜截面受剪机理4.3.1带拉杆的梳形拱模型5带拉杆的梳形拱模型适用于无腹筋梁。图4-9梳状结构图4-10齿的受力图4-11拱体的受力4.3.2拱形桁架模型拱形桁架模型适用于有腹筋梁。图4-12拱形桁架模型4.3.3桁架模型图4-13桁架模型(a)45°桁架模型；(b)变角桁架模型；(c)变角桁架模型的内力分析64.4斜截面受剪承载力的计算1剪跨比随着剪跨比λ的增加，梁的破坏形态按斜压(λ＜1)、剪压(1≤λ≤3)和斜拉(λ＞3)的顺序演变，其受剪承载力则逐步减弱。当λ＞3时，剪跨比的影响将不明显。2混凝土强度斜截面破坏是由混凝土到达极限强度而发生的，故混凝土的强度对梁的受剪承载力影响很大。3箍筋的配筋率梁内箍筋的配筋率是指沿梁长，在箍筋的一个间距范围内，箍筋各肢的全部截面面积与混凝土水平截面面积的比值。图4-14箍筋的肢数(a)单肢箍；(b)双肢箍；(c)四肢箍图4-15箍筋的配筋率对梁受剪承载力的影响74纵筋配筋率纵筋的受剪产生了销栓力，它能限制斜裂缝的伸展，从而使剪压区的高度增大。所以，纵筋的配筋率越大，梁的受剪承载力也就提高。5斜截面上的骨料咬合力斜裂缝处的骨料咬合力对无腹筋梁的斜截面受剪承载力影响较大。6截面尺寸和形状(1)截面尺寸的影响截面尺寸对无腹筋梁的受剪承载力有较大的影响，尺寸大的构件，破坏时的平均剪应力比尺寸小的构件要低。有试验表明，在其他参数(混凝土强度、纵筋配筋率、剪跨比)保持不变时，梁高扩大4倍，破坏时的平均剪应力可下降25%～30%。对于有腹筋梁，截面尺寸的影响将减小。(2)截面形状的影响这主要是指T形梁，其翼缘大小对受剪承载力有影响。适当增加翼缘宽度，可提高受剪承载力25%，但翼缘过大，增大作用就趋于平缓。另外，加大梁宽也可提高受剪承载力。4.4.2斜截面受剪承载力的计算公式1基本假设国内外许多学者曾在分析各种破坏机理的基础上，对钢筋混凝土梁的斜截面受剪承载力给出过不少类型的计算公式，但终因问题的复杂性而不能实际应用。我国规范目前采用的是半理论半经验的实用计算公式。对于斜压破坏，通常用控制截面的最小尺寸来防止；对于斜拉破坏，则用满足箍筋的最小配筋率条件及构造要求来防止；对于剪压破坏，因其承载力变化幅度较大，必须通过计算，使构件满足一定的斜截面受剪承载力，从而防止剪压破坏。(1)梁发生剪压破坏时，斜截面所承受的剪力设计值由三部分组成，见图4-16，即图4-16受剪承载力的组成(2)梁剪压破坏时，与斜裂缝相交的箍筋和弯起钢筋的拉应力都达到其屈服强度，但要考虑拉应力可能不均匀，特别是靠近剪压区的箍筋有可能达不到屈服强度。(3)斜裂缝处的骨料咬合力和纵筋的销栓力，在无腹筋梁中的作用还较显著，两者承受的剪力可达总剪力的50%～90%，但在有腹筋梁中，由于箍筋的存在，虽然使骨料咬合力和销栓力都有一定程度的提高，但它们的抗剪作用已大都被箍筋所代替，试验表明，它们所承受的剪力仅占总剪力的20%左右。另外，sbscuVVVV8研究表明，只有当纵向受拉钢筋的配筋率大于1.5%时，骨料咬合力和销栓力才对无腹筋梁的受剪承载力有较明显的影响。所以为了计算简便，将不计入咬合力和销栓力对受剪承载力的贡献。(4)截面尺寸的影响主要对无腹筋的受弯构件，故仅在不配箍筋和弯起钢筋的厚板计算时才予以考虑。(5)剪跨比是影响斜截面承载力的重要因素之一，但为了计算公式应用简便，仅在计算受集中荷载为主的独立梁时才考虑了λ的影响。2无腹筋梁混凝土剪压区的受剪承载力试验结果与取值我国《混凝土结构设计规范》规定的受弯构件斜截面受剪承载力的计算公式主要是以无腹筋梁的试验结果为基础的。图4-17无腹筋梁混凝土剪压区受剪承载力的试验结果(a)均布荷载作用下；(b)集中荷载作用下3计算公式(1)仅配置箍筋的矩形、T形和I形截面受弯构件的斜截面受剪承载力设计值(2)当配置箍筋和弯起钢筋时，矩形、T形和I形截面受弯构件的斜截面承载力设计值9图4-18弯起钢筋承担的剪力(3)不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件，其斜截面受剪承载力设计值4对计算公式的说明(1)Vcs由二项组成，前一项αcsftbh０是由混凝土剪压区承担的剪力，后一项fyvAsvsh０中大部分是由箍筋承担的剪力，但有小部分属于混凝土的，因为配置箍筋后，箍筋将抑制斜裂缝的开展，从而提高了混凝土剪压区的受剪承载力，但是究竟提高了多少，很难把它从第二项中分离出来，并且也没有必要。因此，应该把Vcs理解为混凝土剪压区与箍筋共同承担的剪力。(2)与λ＝1.5～3.0相对应的αcs=0.7～0.44，这说明当λ＞1.5时，均布荷载作用下的无腹筋独立梁，它的受剪承载力比其他梁的低，λ愈大，降低愈多。(3)现浇混凝土楼盖和装配整体式混凝土楼盖中的主梁虽然主要承受集中荷载，但不是独立梁，所以除吊车梁和试验梁以外，建筑工程中的独立梁是很少见的。(4)试验研究表明，箍筋对受弯构件抗剪性能的提高优于弯起钢筋，故《混凝土结构设计规范》规定，“混凝土梁宜采用箍筋作为承受剪力的钢筋”，同时考虑到设计与施工的方便，现今建筑工程中的一般梁(除悬臂梁外)、板都已经基本上不再采用弯起钢筋了，但在桥梁工程中，弯起钢筋还是常用的。(5)计算公式(4-11)和式(4-14)都适用于矩形、T形和I形截面，并不说明截面形状对受剪承载力没有影响，只是影响不大。对于厚腹的T形梁，其抗剪性能与矩形梁相似，但受剪承载力略高。这是因为受压翼缘使剪压区混凝土的压应力和剪应力减小，但翼缘的这一有效作用是有限的，且翼缘超过肋宽两倍时，受剪承载力基本上不再提高。对于薄腹的T形梁，腹板中有较大的剪应力，在剪跨区段内常有均匀的腹剪裂缝出现，当裂缝间斜向受压混凝土被压碎时，梁属斜压破坏，受剪承载力要比厚腹梁低，此时翼缘不能提高梁的受剪承载力。5计算公式的适用范围由于梁的斜截面受剪承载力计算公式仅是针对剪压破坏形态确定的，因而具有一定的适用范围，也即公式有其上、下限值。(1)截面的最小尺寸(上限值)。当梁截面尺寸过小，而剪力较大时，梁往往发生斜压破坏，这时，即使多配箍筋，也无济于事。因而，为避免斜压破坏，梁截面尺寸不宜过小，这是主要的原因，其次也为了防止梁在使用阶段斜裂缝过宽(主要是薄腹梁)。《混凝土结构设计规范》对矩形、T形和I形截面梁的截面尺寸作如下的规定：当hwb≤4时(厚腹梁，也即一般梁)，应满足V≤0.25βcfcbh010当hwb≥6时(薄腹梁)，应满足V≤0