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高强混凝土梁抗剪性能研究现状及展望

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2012年第7期(总第273期) 混 凝 土 理论研究 Number 7 in 2012(Total No.273) Concrete THEoRETICAL RESEARCH doi:10.39690.issn.1002-3550.2012.07.016 高强混凝土梁抗剪性能研究现状及展望 蔡静。贾金青 (大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁大连1 16024) 摘要:改善高强混凝土梁的抗剪性能对提高结构安全性具有重要意义。总结了近十几年来国内外对高强混凝土梁、型钢高强混凝土梁 及预应力高强混凝土梁抗剪性能的研究现状及存在且亟需解决的主要问题。结合预应力钢筋、型钢和超高强混凝土的优点,对预应力型钢 超高强混凝土梁的可行性及优越性进行了展望。 关键词: 高强混凝土;型钢高强混凝土;抗剪性能 中图分类号:TU528.31 文献标志码:A 文章编号: 1002—3550(2012)07—0049—02 Research status and prospect of shear behavior of high strength reinforced concrete beam CAIJing,JIAJin-qing (StateKeyLaboratoryofCoastal andOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian 116024,China) Abstract:Improving the sheafing performance of high—strength concrete beam has signiifcance for increasing hte structural security.Summa— rizes sattusquo ofstudyon shearbehaviorofhigh-strength reinforced concretebeam,steel reinforcedhigh-strength concretebeamandprestressed high strength reinforced concrete beam over the lsat decade.The existing problems were also presented.Baeed on the advantages ofpre-stressed. section steel and super high-strength concrete,the practicabiliyt and hte superioriyt ofthe prestressed and steel reinforced super hihg strength con・ rcete beam is prospected. Kevwords:hihg—strength concrete;steel reinforcedhihg-strengthconcrete;shearbehavior 0 引言 工程领域中被广泛应用,针对高强混凝土梁的抗剪性能的研究, 国内外学者做了大量工作。 高强混凝土利用其强度高、早强性、变形小、耐久性能好、 重庆大学的李立仁等闭,做了18根超高强混凝土有腹筋约 经济效益显著等优点,被广泛的应用于高耸建筑和大跨重载等 束梁集中荷载作用下的剪切试验,定性的分析了试验中梁的抗 结构体系中,然而,高强混凝土在受压时表现出明显的脆性,因 剪强度随混凝土强度和配箍特征值的增大而增大,随剪跨比的 此如何提高其延性及高性能化成为当代高强混凝土应用研究 增大而减小。由于当时缺少超高强混凝土无腹筋梁的对比试 的热点。近几年通过对几次较大地震的震害分析发现:在地震作 验,该公式的第一项,沿用了GB 50010--2002((混凝土结构设 用下钢筋混凝土结构构件更容易发生剪切破坏。鉴于目前高强 计规范》抗剪公式中的第一项,而公式中混凝土强度的上限为 钢筋混凝土构件抗剪试验数据比较匮乏以及计算理论的不完 C80,没有考虑混凝土强度的提高对抗剪承载力的影响,因此该 善,导致许多力学特性没有明确地解决,因此各国仍沿用普通 公式不够准确。 强度钢筋混凝土构件抗剪承载力的设计原理。为了确保使用该 李欣[3]进行了18根超高强混凝土无腹筋梁(包括9根简支 种高强度材料的安全度,采用了比普通强度钢筋混凝土构件更 梁和9根约束梁)在集中荷载下抗剪强度的试验研究,在文献【2] 大的安全系数或者是规定了材料强度的上限【1】,但由于抗剪破 的基础上讨论了约束情况对构件抗剪强度的影响。结果表明, 坏机理过于复杂、影响因素较多,造成了各国规范关于抗剪承 简支梁抗剪强度高于约束梁,但是随着剪跨比增大,简支梁与 载力计算方法难以形成统一的理论体系。总结了高强混凝土 约束梁抗剪强度逐渐接近,并依据对试验数据的回归分析分别 梁、型钢高强高性能混凝土梁以及预应力高强混凝土梁抗剪性 得出了集中荷载作用下强度范围在C80-C1 10超高强混凝土无 能的研究现状,并结合以上各种形式的梁的优点分析了预应力 腹筋简支梁和约束梁的抗剪强度公式。然而由于试件数量较少且 型钢超高强混凝土梁抗剪研究的意义和可行性。 无腹筋梁在破坏时有很大的偶然性,该公式的可靠度难以保证。 1 高强钢筋混凝土梁抗剪性能的研究 湖南大学的潘柏荣嗍进行了12根无腹筋梁和有腹筋梁的 剪切破坏试验,其混凝土强度、剪跨比等因素对梁抗剪性能的 高强混凝土具有高强度等优良的力学性能,在工程中能够 影响与文献【2—3]相同;此外原文建立了考虑软化的压杆一拉杆 减少混凝土的用量,可节约大量不可再生的宝贵资源,有利于 桁架模型的抗剪理论,据该模型所推导的计算公式能较好地符 环境的保护,具有十分可观的经济效益。目前该材料已经在现代 合试验结果。 收稿日期:2012-01-27 基金项目:国家自然科学基金项目(51078059) ・49・ Yoon等 ]做了3组混凝土圆柱体抗压强度分别为36、67、 87 MPa的12根有腹筋梁的剪切试验,发现最小配箍率应随着 随着混凝土强度的增大而相应提高。Kong等[61进行了集中荷载 作用下高强混凝土有腹筋梁的剪切试验,试验表明:梁受剪承 载力随配箍率及纵向配筋率增加而增加,当剪跨比在大于2.5 后对抗剪强度影响较小等。Claderatn等在文献[5—6】的基础上进 一步探讨了最小配箍率对高强混凝土抗剪承载力的影响比普 通混凝土大,给出了箍筋的最小配筋面积随混凝土强度变化的 计算公式,同时根据修正压力场理论对试验值进行对比,结果 吻合良好,从而进一步验证了修正压力场理论对抗剪承载力计 算的准确性。 由于抗剪机理的复杂性、统计分析法的局限性以及出于对 构件安全考虑的需要,随着计算机技术在土木工程领域的应用, 非线性有限元分析已经成为复杂结构分析的一种重要方法。重 庆大学的冯宏【 对文献[2]的试验过程进行了模拟,验证了非线 性有限元程序用于模拟超高强混凝土有腹筋梁抗剪试验过程 的可行性。此外,哈尔滨工业大学的林懋[1]根据修正压力场理 论,用Matlab计算程序对混凝土强度、纵筋率、截面有效高度的 表达式进行修正,推导出超高强混凝土元腹筋梁受剪承载力计 算公式。经过对比发现基于修正压力场理论的抗剪公式的精度 较高。 综上所述,对于梁的抗剪因素的研究主要有:混凝土强度、 剪跨比、腹筋和腹筋强度、纵筋配筋率、截面尺寸等。其中腹筋 和腹筋强度是诸多因素中的主要因素,同时高强钢筋和高强混 凝土的配合使用逐步得到推广,但是目前对于这方面的工作进 行的比较少[9_10]。抗剪机理理论主要有:桁架模型、桁架一拱模 型、压力场理论、极限平衡理论、统计分析法和有限元分析法 等,其中压力场理论和桁架一拱模型理论能够较准确的反映抗 剪机理,有限元分析法对于复杂结构的抗剪分析有其优越性,但 因抗剪机理的复杂性,仍难以形成统一的理论体系。 2型钢高强钢筋混凝土梁抗剪性能的研究 高强高性能混凝土虽然在强度和耐久性等方面均优于普 通混凝土,但存在脆性大、延性差的缺点;型钢混凝土组合结构 因其承载能力高、刚度大、截面尺寸小和良好的抗震性能,已在 大跨度桥梁与高层、超高层建筑等重要工程中得到广泛应用【11】。 型钢与普通混凝土之间的黏结力较小,而将型钢混凝土与高强 高性能混凝土结合起来形成的型钢高强高性能混凝土梁,能够 提高黏结力,改善其承载力,既能充分发挥型钢中钢材的力学 性能,又能克服高强混凝土延性差的缺点,在工程上具有重要 的意义。 西安建筑科技大学的郑山锁等【 21进行了10榀型钢高强高 性能混凝土简支梁的抗剪试验,试验结果表明:型钢高强高性 能混凝土梁的受力破坏过程与普通型钢混凝土梁类似,均分为 初裂、裂缝开展和破坏3个阶段;梁的抗剪承载力在一定范围 内随着混凝土强度和含钢率的增加而提高,随着剪跨比的增加 而降低;提出了桁架一拱模型作为梁斜截面计算的简化模型,参 考我国现有的两本型钢规程,根据试验数据回归了型钢高强高 性能混凝土梁的抗剪公式。该公式将JGJ 138—2001《型钢混凝 土组合结构技术规范规程》与TB 9082--97((钢骨混凝土结构设 计规程》中抗剪公式中的. 变成. ,提高了安全储备与可靠度。 同时,用型钢的抗剪强度. 来取代. 和.厂蟠,概念明确,避免在计 ・50・ 算过程中参数之间的转换,可直接查用现行有关设计规范,简化 了计算方法。 王斌等[13】对9榀实腹式型钢高强高性能混凝土简支梁进行 了静力加载试验,并进行了有限元模拟,亦发现型钢高强混凝 土梁与普通型钢混凝土梁破坏过程类似,而混凝土强度、加载 方式、剪跨比、箍筋强度和配箍率以及型钢强度和配钢率都对 抗剪承载力有影响,指出有限元程序对型钢混凝土构件受力过 程进行模拟是可行的。原文中有限单元法的运用,为各种复杂型 钢混凝土结构和构件的分析提供了新方法,其中合理的建立黏 结单元以及黏结滑移本构模型,是模拟型钢与混凝土之间黏结 滑移性能的关键。 型钢高强高性能混凝土结构因其良好的力学性能,有着广 泛的应用前景,但是在正常使用极限状态下的裂缝宽度和挠度 并未有明显改善,而且对其深入的理论研究还较少。其中有些 方面有待深化:现在对于型钢高强高性能混凝土梁构件单调荷 载下的抗剪受力性能分析的较多㈣,而在疲劳荷载作用下的受 力性能以及抗震性能等相关问题上研究的较少,有待于深化。 另外,尽管对型钢高强高性能混凝土梁进行了有限元分析,但关 于型钢混凝土结构ANSYS、ABAQUS等数值模拟技术的研究 还不系统和深入,尤其是对黏结滑移理论缺乏统一的方法,目前 我国西安建筑科技大学的薛建阳、赵鸿铁[15lf故了较为系统的研 究,但是由于缺乏高强混凝土的黏结滑移本构关系,基于该理 论模拟型钢与高强混凝土间的黏结滑移仍具有一定的局限性。 3预应力高强混凝土梁抗剪性能的研究 预应力结构可以很好的控制结构的挠度、裂纹宽度等,同时 也可以一定程度上提高梁的抗剪承载力,目前对于预应力梁抗 剪的研究多数集中在普通混凝土,对于预应力高强混凝土梁的 抗剪研究相对较少 。 智菲等【l8】通过21根预应力高强混凝土无腹筋和有腹筋简 支梁的单调荷载试验,试件混凝土强度为62.7~84.3 MPa,观察 了不同参数变化下梁的斜向裂缝开裂特点和破坏形态,综合分 析了混凝土强度、剪跨比、预应力度(预压比)、配箍率和纵筋配 筋率对抗剪强度的影响及变化规律,提出了适合于集中荷载作 用下简支梁(T形或I字形截面)抗剪承载能力的建议公式。试 验结果表明:预压比较小的试件首先产生弯曲裂缝,预压比较 大的试件,首先产生腹剪裂缝;剪跨比较小的试件,首先产生腹 剪裂缝;剪跨比较大的试件,首先产生弯曲裂缝。预应力高强混 凝土有腹筋T形梁抗剪强度随混凝土强度的提高而提高;随剪 跨比的增加而降低;随预压比的增加而提高,且低配箍率更加 明显;预压比接近时,梁的抗剪强度随配箍率指数P 的增加 而提高;T形截面梁翼缘对抗剪强度的有利作用。 尽管预应力混凝土能提高构件正常使用极限状态的各种 性能,但是不能改善高强混凝土高脆性、延性差的缺点,甚至在 受拉区随着预应力筋配筋率的增大,梁的延性逐渐减小【l9-201。因 此应当结合型钢及高强混凝土优良的力学性能,改善梁的延性。 4预应力型钢超高强混凝土梁抗剪的展望 近些年来,随着大跨度桥梁及复杂结构形式的不断出现,对 结构的承载力及耐久性等方面的要求进一步提高,一种能够综 合各种材料优点并且满足工程需求的新型结构形式亟待提出。 ・下转第63页 【2]彭静.高速公路病害防治和水泥路面建造保养措施[ 胡南科技学院 学报,2008(8):140—141. 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