钢筋混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力计算

桥梁工程系－杨剑4钢筋混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力计算——杨剑主讲桥梁工程系－杨剑本章主要内容4-1概述4-2受弯构件斜截面的受力性能4-3受弯构件斜截面承载能力设计计算本章重点：受弯构件斜截面破坏的主要形态及主要因素；受弯构件斜截面承载力的计算公式及适用条件，防止斜压和斜拉破坏的措施；桥梁工程系－杨剑4.1概述桥梁工程系－杨剑受弯构件在荷载作用下，同时产生弯矩和剪力。在弯矩区段，产生正截面受弯破坏，而在剪力较大的区段，则会产生斜截面受剪破坏。一.梁的内力MV桥梁工程系－杨剑二.斜裂缝的形成当梁上所施加的荷载较小，斜裂缝出现前，此时钢筋混凝土梁可足够精确地视为线弹性体而按材料力学的公式分析其应力状态。02tp2cp2412()2VSMyIIbarctg；＝桥梁工程系－杨剑①②③③①②桥梁工程系－杨剑当主拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂，梁内即有沿主压应力方向（垂直于主拉应力方向）开展的斜裂缝产生，梁有可能沿斜截面发生破坏。梁内可设置抗剪腹筋（箍筋＋斜筋）来防止斜截面破坏发生。桥梁工程系－杨剑腹剪斜裂缝弯剪斜裂缝首先出一些较短的垂直裂缝，然后延伸成斜裂缝，向集中荷载作用点发展，这种由垂直裂缝引伸而成的斜裂缝的总体，沿主压应力迹线产生腹部的斜裂缝桥梁工程系－杨剑13211τσ2σ145°1131弯剪型腹剪型τσ45°45°στ(d)桥梁工程系－杨剑三.两个名词剪跨比MVaah0aa－剪跨（剪力跨度）桥梁工程系－杨剑2000MbhMVVhbh反映截面弯矩（正应力）与剪力（剪应力）之比0MVh0000MVaaahVhVhh对图示集中荷载＝＝剪跨与截面有效作用的简支梁，：高度则有之比。桥梁工程系－杨剑配箍率11svsvsvsvnAAbSbSnA，为箍筋肢数；为单肢箍筋的截面面积svssIIsbI-IAsv1n=2桥梁工程系－杨剑4.2受弯构件斜截面的受力性能桥梁工程系－杨剑4.2.1无腹筋梁的受力破坏特征随着剪跨比的变化，无腹筋梁可能发生斜拉、斜压和剪压三种沿斜截面的破坏形态。一.斜拉破坏当剪跨比3时可能发生。桥梁工程系－杨剑破坏特征■剪跨比较大，主压应力角度较小。■一旦出现斜裂缝，就很快形成临界斜裂缝，荷载传递路线被切断，承载力急剧下降，脆性性质显著。■破坏是由于混凝土（斜向）拉坏引起的，称为斜拉破坏。■斜拉传力机构，取决于混凝土的抗拉强度，故承载能力很低。Pf斜拉破坏桥梁工程系－杨剑无腹筋斜拉破坏试验录像桥梁工程系－杨剑二.剪压破坏剪跨比时可能会发生。13Pf剪压破坏桥梁工程系－杨剑破坏特征■弯剪斜裂缝不只一条，当荷载增加到某一值时，几条弯剪裂缝形成一条主要的斜裂缝(临界斜裂缝)■临界斜裂缝出现后，承载力没有很快丧失，荷载可以继续增加，并出现其它斜裂缝。■最后，上端混凝土在剪应力和压应力的共同作用下，达到混凝土的复合受力下的强度而破坏。■承载能力取决于混凝土的复合应力下（剪压）的强度。桥梁工程系－杨剑无腹筋剪压破坏试验录像桥梁工程系－杨剑剪跨比时可能会发生。1三.斜压破坏Pf斜压破坏桥梁工程系－杨剑破坏特征■梁腹部出现若干大体平行的斜裂缝。■混凝土在斜向压应力的作用下受压破坏。■斜压传力机构，取决于混凝土的抗压强度，故承载能力很高。桥梁工程系－杨剑无腹筋斜压破坏试验录像桥梁工程系－杨剑无腹筋梁的受剪破坏都是脆性破坏。◇斜拉破坏为受拉脆性破坏，脆性性质最显著；◇斜压破坏为受压脆性破坏；◇剪压破坏界于受拉和受压脆性破坏之间。不同破坏形态的原因主要是由于传力路径的变化引起应力状态的不同而产生的。Pf斜压破坏剪压破坏斜拉破坏桥梁工程系－杨剑4.2.2有腹筋梁的受力破坏特征一.梁内箍筋的作用◆斜裂缝出现后，拉应力由箍筋承担，增强了梁的剪力传递能力；◆箍筋控制了斜裂缝的开展，增加了剪压区的面积，骨料咬合力Va也增加；◆吊住纵筋，延缓了撕裂裂缝的开展，增强了纵筋销栓作用Vd；◆箍筋参与斜截面的受弯，使斜裂缝出现后纵筋应力s的增量减小；直接参与抗剪，使传力机制发生变化。◆但配置箍筋对斜裂缝开裂荷载没有影响，也不能提高斜压破坏的承载力，即对小剪跨比情况，箍筋的上述作用很小；对较大剪跨比情况，箍筋配置如果超过某一限值，则产生斜压破坏，继续增加箍筋没有作用。桥梁工程系－杨剑VcVaVdVP纵筋销栓作用骨料咬合作用桥梁工程系－杨剑二.破坏形态影响有腹筋梁破坏形态的主要因素有剪跨比和配箍率sv剪跨比配箍率1133无腹筋sv很小sv适量sv很大剪跨比配箍率11≤≤33无腹筋斜压破坏剪压破坏斜拉破坏sv很小斜压破坏剪压破坏斜拉破坏sv适量斜压破坏剪压破坏剪压破坏sv很大斜压破坏斜压破坏斜压破坏随剪跨比和配箍率的变化，有腹筋梁同样可能发生斜拉、斜压和剪压三种沿斜截面的破坏形态。斜拉破坏：剪跨比较大且配箍率较小时会发生。通过构造要求来避免。剪压破坏：剪跨比和配箍率均较适中时会发生，破坏时与斜裂缝相交的箍筋一般能达到屈服。通过计算来避免。斜压破坏：剪跨比较小或配箍率均过大时会发生，破坏时与斜裂缝相交的箍筋不能达到屈服。通过构造要求来避免。桥梁工程系－杨剑以上的三种剪切破坏形态，就它们的抗剪承载力而言，对同样的构件，斜拉破坏最低，剪压破坏较高，斜压破坏最高，但就破坏性质而言，均属脆性破坏，其中斜拉破坏脆性最突然，斜压破坏次之，剪压破坏稍好，因此对于受弯构件，应尽可能设计成强剪弱弯，即若梁破坏，应尽可能使构件发生正截面破坏。受弯构件沿斜截面除了可能发生上述三种剪切破坏外，还可能发生沿斜截面的抗弯破坏，这种破坏亦通过构造要求来避免。桥梁工程系－杨剑三.无腹筋梁和有腹筋梁的传力机构无腹筋梁－拉杆拱桥梁工程系－杨剑VuVu有腹筋梁－桁架机构桥梁工程系－杨剑有腹筋梁的传力机构－桁架机构的组成◆缝上部及受压区混凝土相当于受压弦杆；◆梁中配置箍筋，出现斜裂缝后，梁的剪力传递机构由原来无腹筋梁的拉杆拱传递机构转变为桁架与拱的复合传递机构；◆斜裂缝间齿状体混凝土有如斜压腹杆；◆箍筋的作用有如竖向拉杆；◆临界斜裂纵筋相当于下弦拉杆；◆箍筋将齿状体混凝土传来的荷载悬吊到受压弦杆，增加了混凝土传递受压的作用；◆斜裂缝间的骨料咬合作用，还将一部分荷载传递到支座（拱作用）桥梁工程系－杨剑4.2.3影响受弯构件抗剪承载力的主要因素一.剪跨比◆影响荷载传递机构，从而直接影响到梁中的应力状态◆剪跨比大，荷载主要依靠拉应力传递到支座◆剪跨比小，荷载主要依靠压应力传递到支座桥梁工程系－杨剑剪跨比0bhfVtc(a)集中荷载桥梁工程系－杨剑(b)均布荷载0bhfVtc剪跨比=L0/(4h)0.7桥梁工程系－杨剑三.混凝土强度等级◆剪切破坏是由于剪压区应力达到复合应力（剪压）状态下强度而发生的，故混凝土强度对受剪承载力有很大影响。◆试验表明，随着混凝土强度的提高，Vu与ft近似成正比。◆事实上，斜拉破坏取决于ft，剪压破坏也基本取决于ft，只有在剪跨比很小时的斜压破坏取决于fc。◆而斜压破坏可认为是受剪承载力的上限。桥梁工程系－杨剑Vc/bh0(MPa)fcu(Mpa)桥梁工程系－杨剑ccfVs三.纵筋配筋率纵筋配筋率越大，受压区面积越大，受剪面积也越大，并使纵筋的销栓作用也增加。同时，增大纵筋面积还可限制斜裂缝的开展，增加斜裂缝间的骨料咬合力作用。桥梁工程系－杨剑四.箍筋的配筋强度svsvf0bhfVtu=3.0=1.5svfsv在一定范围之内，随箍筋配筋强度的增大，梁的抗剪承载能力不断提高。桥梁工程系－杨剑五.预应力的影响对构件施加预应力，在一定范围内可以提高构件的抗剪承载能力。桥梁工程系－杨剑4.3受弯构件斜截面抗剪承载能力设计计算桥梁工程系－杨剑一.基本假定前已述及，受弯构件沿斜截面可能发生斜拉、斜压及剪压三种剪截破坏形态，而斜拉、斜压破坏将通过构造要求来予以避免，剪压破坏则通过计算来避免。因此，下面的计算公式是用来计算剪压破坏时斜截面承载能力的。影响受剪承载力的因素很多，很难综合考虑，而且受剪破坏都是脆性的。《规范》是根据大量的试验结果，取具有一定可靠度（95%）的偏下限经验公式来计算受弯构件抗剪承载力。桥梁工程系－杨剑基本假定根据梁的剪压破坏特征，建立以下的基本假定：1.忽略斜裂缝结合面上骨料咬合力以及纵筋销栓作用的抗剪能力，假定斜截面的抗剪承载力Vu由剪压区混凝土、箍筋和弯起钢筋三者提供，即：Vu=Vc+Vsv+Vsb2.梁沿斜截面发生剪压破坏时，假定与斜裂缝相交的箍筋与斜筋均达到其屈服强度，但考虑其应力不均匀的影响。桥梁工程系－杨剑VcVusssTADcrh0a斜裂缝水平投影长度svsvAfssc计算简图桥梁工程系－杨剑混凝土结构设计规范(GB50010-2002)二.计算公式桥梁工程系－杨剑《规范》公式：根据无腹筋梁抗剪的实验数据点，满足目标可靠度指标[]=3.7,取偏下线作为斜截面承载力的计算公式。1.无腹筋梁受剪承载力计算公式均布荷载作用下：Vc＝0.7ftbh0桥梁工程系－杨剑集中荷载作用下：式中Vc–––无腹筋梁受剪承载力设计值–––计算剪跨比,1.5≤λ≤3a–––集中荷载作用点至支座边缘的距离0tc1.75bhfVλ1.00ha桥梁工程系－杨剑不配箍筋的板类构件（无腹筋）：其中：截面高度影响系数：，取；，取othbhf7.0V41)800(ohhmmho800mmho800mmho2000mmho2000桥梁工程系－杨剑2.有腹筋梁受剪承载力计算公式只适用于剪压破坏的情况桥梁工程系－杨剑2.1仅配有箍筋的梁《规范》公式是以剪压破坏的受力特征作为建立计算公式的基础：Vcs＝Vc+Vsv式中：Vsv–––配有箍筋梁的抗剪承载力的提高部分。VCS/bh0与ƒt及之间存在着线性关系，即有：VCS/bh0＝αc·ƒt＋αsvρsvƒyv变成无量纲形式yvfsvtyvsv0tCSffρSVcbhfVαα相对名义剪应力配箍系数待定系数，与截面形式、荷载情况有关桥梁工程系－杨剑2.1.1矩形、T形和I形截面一般受弯构件tyvsvtcsffbhfV25.17.00写成极限状态设计表达式为：000.71.25svcstyvAVVfbhfhs本公式适用于矩形、T形、工字形截面简支梁、连续梁、约束梁等一般受弯构件桥梁工程系－杨剑2.1.2受集中荷载为主的矩形、T形和I形独立梁受集中荷载为主——指受不同荷载形式时，集中荷载在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。独立梁——不与楼板整体现浇的梁，包括简支梁、连续梁、约束梁001.751.0svcstyvAVVfbhfhs注意：λ：取计算剪跨比，，0ha0.35.1a为计算截面到支座截面或节点边缘的距离桥梁工程系－杨剑a取值示意截面宽度b取值bbb桥梁工程系－杨剑2.2配有箍筋和弯起钢筋的梁弯筋的抗剪承载力：0.8–––应力不均匀系数–––弯筋与梁纵轴的夹角，一般取45，h800mm时取60Vsb=fy·Asb·sinAsb——配置在同一弯起平面内的弯起钢筋的截面面积Vu＝Vcs+VsbVuVcVsvVsb受剪承载力的组成0.8桥梁工程系－杨剑弯终点弯起点弯起筋纵筋箍筋架立筋ash0ssb1φ202φ201φ202φ20桥梁工程系－杨剑1、矩形、T形和I形截面一般受弯构件（一般情况）2、受集中荷载为主的矩形、T形和I形独立梁(特殊情况)–––计算截面剪跨比，＝a/h0，1.53.0sin8.025.17.0ysb0yvsv0tfAhfsAbhfVsin8.00.175.1ysb0yvsv0tfAhfsAbhfV桥梁工程系－杨剑2.3公式的适用范围当配箍系数ρsvƒyv／ƒt≥1.2或配箍率ρsv≥1.2ƒt／ƒyv时•继续增加箍筋用量，梁的斜截面受剪承载力几乎