钢筋混凝土板考虑加载面积边长比及纵筋影响的抗冲切试验研究

论文摘要

冲切问题在房屋、桥梁、港口工程及核反应容器安全壳等各种工程结构中都可能遇到，冲切问题至今仍是结构设计中的薄弱环节。通常情况下冲切破坏是一种突然性的局部脆性破坏，常可导致相邻构件，甚至整个结构因超载而发生连锁损坏，因此在结构设计中需要尽量避免产生冲切破坏。在混凝土结构构件受冲切承载力计算中，关于纵向钢筋的有利影响问题，欧洲规范EN 1992、MC 90、英国、德国等规范是有适当考虑的，但我国、美国ACI规范是忽略不计的；此外，随着车库建筑的发展，需要建造长宽比较大的扁柱，以合理安排车位，又迫切需要了解冲切荷载面长宽比对受冲切承载力的影响，而这方面的试验研究在国内仍很少。因此，有必要对混凝土构件受冲切破坏的受力特性及破坏机理进行较深入的研究。在收集国内外关于板受冲切文献资料及试验数据基础上，本文对考虑不同影响因素板受冲切的试验、冲切破坏机理以及主要混凝土结构设计规范关于板受冲切的计算方法和主要影响因素进行了分析研究；并制作12块钢筋混凝土板试件，进行竖向冲切荷载试验，板尺寸为2200mm×2200mm，板厚度200mm，混凝土强度等级因施工制作误差为C39～C46.9不等，板底纵向钢筋配筋率（纵筋率）有0.5％和1.3％两种，加载短柱边长比为1：1、1：2和1：4三种，作为本次课题研究的主要影响因素，其中每二块钢筋混凝土板为受冲切重复试验；此外使用ANSYS程序对上述试验板进行有限元非线性全过程计算及参数分析研究，利用试验采集数据以及文献中试验数据，本文研究纵筋率与加载短柱边长比对板受冲切的影响，以及板的冲切破坏机理；最后，提出板受冲切承载力计算建议公式，并对建议公式进行了可靠度分析，为钢筋混凝土板受冲切的设计应用以及我国规范修订相关内容提供借鉴与帮助。通过以上工作，本论文主要的创新成果如下：1、受冲切承载力随纵筋率的变化关系本试验证明纵筋率的提高可显著提高板受冲切承载力；国内外试验数据表明，板的受冲切承载力随p1fyk增加而增加，呈线性关系，但纵筋率高于2.5％时，纵筋率对板受冲切承载力的提高作用己不明显。2、受冲切承载力随加载短柱边长比的变化关系本试验结果及国内外试验数据表明，随着加载短柱边长比增大，板沿临界截面周长的平均剪应力呈线性降低；由ANSYS程序对本试验钢筋混凝土板受冲切破坏的有限元非线性全过程计算分析可知，短柱长边中部的剪应力随着加载短柱边长比的增大而减小，尤其是边长比是1：4情况下，短柱长边中部的剪应力在开裂荷载后变得十分小，意味着当加载短柱边长比增大时，板受力状态从双向冲切状态逐渐向单向受剪状态过渡，这也与试验现象相符合。本文建议采用加载短柱边长比1：4作为冲切状态与剪切状态的界限边长比。3、本次试验各试验板均为存在一定延性的弯冲破坏，加载短柱边长比为1：1、所配纵筋率0.5％的试验板弯冲破坏接近于纯弯曲破坏，加载短柱边长比为1：4、所配纵筋率1.3％的试验板弯冲破坏接近于纯冲切破坏。试验研究的冲切破坏特征及有限元计算分析表明，本试验钢筋混凝土板受冲切的破坏机理是，在竖向荷载作用下，试验板受拉区首先由弯、剪应力使板底混凝土开裂，该裂缝随着荷载增加不断向中性面延伸；然后纵向受拉钢筋在加载短柱下方的部分，在冲切破坏前均产生屈服，而且钢筋本身的销栓剪切作用对板抗冲切承载力起有利作用；随着板底面裂缝的不断发展，混凝土受压区高度逐渐减小，弯、剪裂缝迅速进一步向混凝土受压区扩展，依据板中纵筋率情况，最后沿非柱面形式的空间斜曲面，发生以错动变形为主的具有一定延性的局部脆性破坏。本次试验中各试验板的实测锥体破坏面与垂直方向夹角（冲切角）平均值是67.7°。4、基于课题试验数据及文献试验数据回归得到了建议计算公式（6.14b），采用刚塑性计算模型及双剪强度理论推导建立钢筋混凝土板受冲切承载力计算公式（6.22）与（6.26）。其临界截面周长按距离荷载面积周长h0处板垂直截面的周长计算，并考虑纵筋率、加载短柱边长比对板受冲切承载力的影响。三个建议公式的计算结果与课题试验数据及文献试验数据符合良好。此外，对建议公式进行可靠度分析，其可靠指标满足我国规范对一般工业与民用建筑对于脆性破坏（冲切破坏属于脆性破坏）的目标可靠指标3.7的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢筋混凝土板冲切选题背景及研究现状
• 1.1.1 钢筋混凝土板受冲切的国外研究概况
• 1.1.2 钢筋混凝土板受冲切的国内研究概况
• 1.2 钢筋混凝土板的冲切破坏机理及计算理论概述
• 1.2.1 三种早期经典的冲切破坏计算模型
• 1.2.2 其它的冲切破坏计算模型及计算理论
• 1.3 钢筋混凝土板受冲切的影响因素
• 1.4 存在的的问题以及本文的研究内容
• 1.4.1 存在的问题
• 1.4.2 本文的研究内容
• 第二章 国内外设计规范中钢筋混凝土板受冲切计算公式比较与可靠度分析
• 2.1 国内外设计规范中受冲切计算公式的整理
• 2.2 国内外设计规范中受冲切计算公式的计算比较
• 2.3 国内外设计规范受冲切计算公式的安全系数与可靠度计算比较
• 2.3.1 国内外设计规范受冲切计算公式安全系数的整理比较
• 2.3.2 国内外设计规范的可靠度计算比较
• 2.4 小结
• 第三章 钢筋混凝土板受冲切试验研究
• 3.1 钢筋混凝土板受冲切试验方案设计
• 3.1.1 试验目的
• 3.1.2 试验所用材料性能
• 3.1.3 试验方案设计
• 3.1.4 试验装置设计
• 3.1.5 试验加载及数据采集方案
• 3.2 试验采集数据汇总与整理
• 3.2.1 试验记录的整理
• 3.2.2 试验板的实测荷载-挠度曲线
• 3.2.3 试验板的受拉钢筋实测荷载-应变曲线
• 3.2.4 试验板的底面、侧面裂缝分布
• 3.3 试验板的冲切破坏过程
• 3.4 小结
• 第四章 钢筋混凝土板受冲切的有限元计算分析
• 4.1 有限元计算方法的概述及试验方案的计算考虑因素
• 4.1.1 有限元计算方法的概述
• 4.1.2 试件边界条件的有限元计算考虑
• 4.1.3 不同混凝土极限压应变的有限元计算考虑
• 4.2 试验方案的有限元计算及数据整理
• 4.2.1 试验方案的有限元计算考虑
• 4.2.2 整体式模型计算数据整理与比较
• 4.2.3 分离式模型计算数据整理与比较
• 4.3 小结
• 第五章 钢筋混凝土板冲切破坏特征及机理分析
• 5.1 板冲切的破坏特征
• 5.1.1 板底面挠度变化曲线
• 5.1.2 板面的混凝土压应变分布
• 5.1.3 纵向受拉钢筋的屈服位置分布
• 5.1.4 板冲切破坏面的形状及破坏形态
• 5.1.5 有限元分析整理的剪应力及Mises应力分布
• 5.2 板冲切的破坏机理
• 5.3 小结
• 第六章 钢筋混凝土板受冲切承载力的影响因素及计算公式
• 6.1 纵筋率对板受冲切承载力的影响
• 6.2 加载短柱边长比对板受冲切承载力的影响
• 6.3 由试验数据得出的冲切承载力计算公式
• 6.4 冲切计算模型及承载力计算公式
• 6.4.1 板受冲切的计算模型
• 6.4.2 混凝土强度准则
• 6.4.3 推导建议计算公式（一）
• 6.4.4 推导建议计算公式（二）
• 6.5 建议计算公式的计算分析比较
• 6.5.1 建议计算公式与试验数据的计算比较
• 6.5.2 建议计算公式在受冲切不同影响因素下的计算分析
• 6.5.3 建议的钢筋混凝土板受冲切承载力计算公式
• 6.6 小结
• 第七章 建议公式的国内外规范计算比较与可靠度分析
• 7.1 建议公式与国内外设计规范的计算比较
• 7.2 建议公式的可靠度分析
• 7.3 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 附录一 论文收集与参考的文献试验数据
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文