大尺寸钢筋混凝土梁受剪试验研究

论文摘要

工程中常出现的大尺寸钢筋混凝土粱（非深梁）及厚板等是否安全会对整个结构的安全性产生重大影响。研究表明ACI规范及我国现行规范对大尺寸粱的截面尺寸效应考虑不足,偏于不安全。同时我国规范受剪承载力计算公式所依据的试验数据中大尺寸梁的数据不充分,因此有必要对大尺寸钢筋混凝土梁的受剪性能进行研究。本文结合国家自然科学基金项目（50778034）和国家自然科学基金重点项目（50838001）,对大尺寸钢筋混凝土梁在集中荷载作用下的受剪性能展开了系统地试验研究和分析,主要内容总结如下：（1）通过集中荷载作用下的受剪试验,研究了截面高度对钢筋混凝土无腹筋梁受剪承载力的影响。结果表明,试件的开裂剪切强度和极限剪切强度都呈现出明显的尺寸效应现象。以截面高度500mm的试件为基准,当截面有效高度增加112%和158%时,开裂剪切强度减小31%和34%,极限剪切强度减小26%和41%。（2）以纵筋配筋率为参数,研究了集中荷载作用下大尺寸钢筋混凝土无腹筋梁受剪承载力的影响。结果表明,在纵筋配筋率较低的情况下,纵筋率的变化对无腹筋梁受剪性能的影响较大。与纵筋率0.67%的试件相比,纵筋率1.10%的试件开裂剪切强度提高26%,极限剪切强度提高73%。（3）对试件沿梁高配置水平纵向钢筋或按照最小配箍率配置箍筋,研究了不同的腹筋类型和腹筋配置对集中荷载作用下大尺寸钢筋混凝土梁受剪承载力的影响。研究表明,腹筋的配置能够提高试件的受剪承载力。与相同截面高度下的无腹筋梁相比,沿梁高配置水平纵向钢筋的试件,极限剪切强度提高14%；按照最小配箍率配置箍筋的梁,能够分散裂缝,极限剪切强度提高66%。（4）研究了截面高度对斜裂缝间距的影响。研究表明,斜裂缝在纵筋重心高度处的平均裂缝间距与截面高度无关,与试件保护层相关；斜裂缝在截面一半高度处的平均裂缝间距与截面高度相关,表现出一定的尺寸效应。对比截面高度500mrn和1200mm的试件,二者在纵筋重心高度处的平均裂缝间距分别为258mm和243mm,为保护层厚度的4.3倍和4.1倍；二者在截面一半高度处的平均裂缝间距分别为192mm和450mm。（5）研究了截面不同位置、截面高度、纵筋配筋率和腹筋对斜裂缝宽度和开展速度的影响。研究表明,在相同剪应力下,距梁顶0.5ho处的裂缝宽度和开展速度要大于裂缝尖端和纵筋重心位置处；试件斜裂缝的宽度和开展速度随着截面高度的增加和纵筋配筋率的降低而增大；相同截面高度的情况下,腹筋的配置能够有效的限制斜裂缝的宽度和开展速度。（6）研究了无腹筋梁受压区混凝上在加载过程中提供的受剪承载力。结果表明,受压区混凝土提供的剪力占总剪力的比值,随着截面高度和纵筋配筋率的增加而减小。（7）结合受剪试验数据库,在我国规范公式的基础上提出了经验公式,着重考虑了尺寸效应和纵筋配筋率的影响。分析结果表明,对于大尺寸梁和低纵筋率梁,经验公式的预测值精度较好,离散程度较小。（8）通过截面分析,提出了大剪跨比钢筋混凝土无腹筋梁受剪承载力计算公式。在受剪试验数据库的基础上,利用对比分析法和缺陷点数分析法对GB50010-2010规范、ACI318-08规范、CSA A23.3-04规范和本文公式进行对比研究。结果表明,对于截面高度大于600mm和纵筋配筋率小于等于1.0%的无腹筋梁,GB50010-2010规范和ACI318-08规范计算结果偏于不安全。CSA A23.3-04规范和本文公式的预测结果较为准确,且离散程度较小。（9）结合一起钢筋混凝土厚板桥梁的剪切破坏实例以及收集的大尺寸梁和厚板试验数据,对我国混凝土规范GB50010-2010的无腹筋构件抗剪计算公式的安全性进行了分析,探讨了最小配箍率和纵向分布钢筋对构件受剪承载力的影响。分析表明,规范公式虽然引入了尺寸效应系数,但尚不能充分考虑截面高度对受剪承载力的影响；规范规定的最小配箍率能够有效避免大尺寸构件发生剪切破坏,而纵向分布钢筋则不能有效避免高度大于1000mm的无腹筋构件的剪切破坏。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 无腹筋梁受剪承载力
• 1.1 受剪机理
• 1.1.1 未开裂混凝土区域的剪力传递
• 1.1.2 界面剪力传递
• 1.1.3 销栓作用
• 1.1.4 残余拉应力
• 1.1.5 受剪钢筋
• 1.2 影响无腹筋梁受剪承载力的因素
• 1.2.1 混凝土强度
• 1.2.2 截面高度
• 1.2.3 剪跨比
• 1.2.4 纵筋配筋率
• 1.2.5 轴力
• 1.2.6 加载方式
• 1.2.7 其他因素
• 1.3 破坏形式
• 1.4 大尺寸钢筋混凝土构件的工程应用
• 1.5 尺寸效应相关试验
• 1.5.1 Leonhardt和Walther的试验
• 1.5.2 Kani的试验
• 1.5.3 Shioya的试验
• 1.5.4 多伦多大学的试验
• 1.5.5 Sneed的试验
• 1.6 计算模型
• 1.6.1 齿模型
• 1.6.2 临界剪切理论
• 1.6.3 基于截面分析的方法
• 1.6.4 基于修正压力场理论的方法
• 1.6.5 基于断裂力学的方法
• 1.6.6 统计分析方法
• 1.7 各国规范计算公式
• 1.7.1 中国规范GB 50010-2010
• 1.7.2 美国规范ACI 318-08
• 1.7.3 加拿大规范CSA A23.3-2004
• 1.7.4 欧洲规范BS EN 1992-1-1：2004
• 1.7.5 日本规范JSCE Standards 1986
• 1.7.6 新西兰规范NZS3101
• 2 大尺寸钢筋混凝土梁受剪试验研究
• 2.1 试验目的
• 2.2 试件设计与制作
• 2.2.1 试件设计
• 2.2.2 试件材料
• 2.2.3 试件制作
• 2.2.4 试件吊装及就位
• 2.3 加载方案
• 2.3.1 加载设备
• 2.3.2 加载方案
• 2.4 量测方案
• 2.4.1 量测所需仪器设备
• 2.4.2 量测内容及测点布置
• 3 试验结果和试验现象
• 3.1 试验现象
• 3.1.1 BN系列试件
• 3.1.2 BL系列试件
• 3.1.3 BSR系列试件
• 3.1.4 BST系列试件
• 3.2 试件受剪承载力试验结果
• 3.2.1 试验梁受剪承载力
• 3.2.2 荷载-挠度曲线
• 3.3 试验梁裂缝
• 3.3.1 裂缝形态
• 3.3.2 裂缝类型
• 3.3.3 裂缝宽度
• 3.4 试件破坏形态
• 3.5 纵筋应变曲线
• 3.6 剪跨区混凝土开裂及滑移
• 3.7 本章小结
• 4 试验结果分析
• 4.1 各因素对试件开裂剪切强度和极限剪切强度的影响
• 4.1.1 截面高度的影响
• 4.1.2 纵筋配筋率的影响
• 4.1.3 腹筋的影响
• cr与v_u的关系'>4.1.4 各系列试件v_cr与v_u的关系
• 4.2 试验值和计算值的对比分析
• 4.3 荷载-挠度曲线
• 4.3.1 截面高度的影响
• 4.3.2 纵筋配筋率的影响
• 4.3.3 腹筋的影响
• 4.3.4 试件开裂前的变形能力
• 4.4 纵筋受力应变曲线
• 4.4.1 截面高度的影响
• 4.4.2 纵筋配筋率的影响
• 4.4.3 腹筋的影响
• 4.5 水平纵向钢筋应变曲线
• 4.6 箍筋应变曲线
• 4.7 裂缝的发展与角度
• 4.7.1 斜裂缝出现时间
• 4.7.2 裂缝发展与形态
• 4.7.3 裂缝角度
• 4.8 裂缝间距
• 4.9 裂缝宽度
• 4.9.1 截面不同位置的影响
• 4.9.2 截面高度的影响
• 4.9.3 纵筋配筋率的影响
• 4.9.4 腹筋的影响
• 4.10 剪跨区应变曲线
• 4.11 受压区混凝土分析
• 4.11.1 混凝土表面应变
• 4.11.2 受压区混凝土提供的剪力
• 4.12 本章小结
• 5 无腹筋梁受剪承载力计算方法
• 5.1 抗剪统一模型
• 5.2 大剪跨比钢筋混凝土无腹筋梁受剪承载力
• 5.2.1 基本假定和破坏准则
• 5.2.2 截面受力分析
• 5.2.3 计算方法
• 5.3 无腹筋梁受剪数据库
• 5.3.1 数据筛选准则
• 5.3.2 试验数据库建立
• 5.4 本文模型及主要国家规范公式计算结果分析
• 5.4.1 计算结果与试验结果对比
• 5.4.2 缺陷点数分析法
• 5.5 我国规范公式改进
• 5.6 本章小结
• 6 受剪构件安全性分析
• 6.1 GB 50010-2010规范受剪承载力规定
• 6.2 蒙特利尔桥梁倒塌概况及验算结果
• 6.3 安全性分析
• 6.3.1 无腹筋构件
• 6.3.2 按最小配箍率配筋的梁
• 6.3.3 配置水平纵向钢筋的梁
• 6.4 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 附录A 钢筋混凝土无腹筋梁受剪试验数据库
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介