受弯构件抗剪承载力上限的试验值与规范值对比分析

唐小林，孙兵，王强

（1、同济大学，上海 200092；2、四川公路桥梁建设集团有限公司大桥工程分公司，四川 成都 610015）

1 引言

混凝土受弯结构斜截面抗剪破坏形态主要有3种：斜拉破坏、剪压破坏和斜压破坏[1]。为防止受弯构件发生斜压破坏，相关设计规范都规定了相应的抗剪承载力上限值。

目前，国内外受弯构件抗剪承载力上限值计算的主流规范有我国工民建《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[2]（简称《建规》）和美国混凝土结构设计规范《ACI318-14》[3]（简称《ACI规范》）。《建规》基于15根钢筋轻骨料混土梁斜压破坏时的试验结果，并参照4根陶粒秒轻混凝土梁的试验数据和15根普通混凝土梁的试验资料，对钢筋混凝土受弯构件提出了抗剪承载力上限值的建议公式[4]。《ACI规范》受弯构件抗剪承载力上限值公式是美国混凝土协会早期委员会根据小尺寸普通混凝土梁（平均截面高度340mm）的抗剪试验数据得出。2种规范抗剪承载力上限值计算公式的表达形式、混凝土强度表征参数等都有所不同，其计算结果也有很大差异。

国内外试验研究表明，影响受弯构件抗剪承载力上限值的关键参数有腹板宽度[5]、预应力和箍筋[6]、剪跨比[7]、腹板高宽比[8]及混凝土强度[9]等，另外，国内外学者根据试验结果提出了相关抗剪承载力上限值的计算方法[8][9][11]，并通过试验对比了国外相关规范公式计算值与试验值的差异[13][14]。而针对我国《建规》与美国《ACI规范》受弯构件抗剪承载力上限值计算公式的准确性与合理性还需进一步研究，基于收集的试验数据，对公式的基本表达形式开展主要差异性参数分析，对比国内外规范公式的准确性和合理性。

2 规范公式介绍及理论对比

2.1 规范公式介绍

《建规》规定的受弯构件抗剪承载力上限值公式如下：

式中，fcd为混凝土棱柱体(150mm×150mm×300mm)抗压强度设计值βc；为混凝土承载力等级影响系数：当混凝土承载力等级不超过C50时，取βc=1.0，当混凝土承载力等级为C80时，取βc=0.8，其间按线性内插法确定；b为矩形截面的宽度、T形截面或I形截面的腹板宽度；h0为截面的有效高度；hw为截面的腹板高度；矩形截面取有效高度，T形截面取有效高度减去翼板厚度，I形截面取腹板净高。

《ACI规范》规定的受弯构件抗剪承载力上限值公式如下：

2.2 理论分析对比

由上可知，《建规》与《ACI规范》抗剪承载力上限值计算公式差异性主要体现在混凝土强度表达式和腹板高宽比两方面。为了对比各规范的理论计算值的差异，将各规范中的混凝土抗压强度统一换算为《建规》中规定的棱柱体抗压强度标准值fck，近似考虑h0=0.9h时，计算公式由b、h0和fck三个参数表达，各规范计算的标准值对比情况如图1。

图1 各规范抗剪承载力上限值的计算值比较

从图1可知，对于受弯构件抗剪承载力上限值的计算值，《建规》计算值比《ACI规范》计算值偏大。为进一步分析各规范预测的准确性，还需大量试验数据加以验证。

3 试验数据及其与规范值的对比

3.1 试验数据

本文针对受弯构件的抗剪承载力上限值分析，收集的357根梁[15]的试验参数信息见表1。

3.2 试验值与规范值的对比

为了与试验值对比，需将《建规》算得的承载力设计值换算成标准值，《ACI规范》公式计算值已是标准值。试验值与规范值比值的平均值、标准差和变异系数如表2所示。

试验数据信息汇总 表1

试验值与规范值比值分析 表2

由表2可知，试验值与2种规范值比值的均值均大于1。相比试验值，《ACI规范》公式明显偏保守，且离散性较大、与试验数据偏差大；《建规》公式的均值低于《ACI规范》，且离散性小、符合试验数据。以试验值为横坐标，各规范公式的计算值为纵坐标，y=x为参考线，数据点分布越靠近参考线则公式计算值越准确。由图2可知，《ACI规范》公式拟合结果偏差较大，《建规》公式拟合结果较好。

图2 试验值与规范值对比

4 主要差异性参数影响规律分析

4.1 混凝土承载力表达式

以试验值与抗剪截面面积的比值为纵坐标、混凝土抗压强度标准值为横坐标，拟合2种规范抗剪承载力上限值与混凝土强度表达式的关系。由图3可知，抗剪承载力上限值与混凝土强度fck的0.88次方呈正比，与混凝土强度的1.76次方呈正比。因此，《建规》中抗剪承载力上限值与混凝土强度的一次方呈正比较符合试验规律。

图3 混凝土承载力表达式影响分析

图4 高宽比影响分析

4.1 腹板高宽比

以计算公式系数α为纵坐标、梁的腹板净高度与其宽度之比（腹板的净高度表示为hw）为横坐标，拟合公式系数随高宽比的变化和相关系数，进而分析高宽比对抗剪承载力上限值的影响。由图4可知，2种表达形式的公式系数都随高宽比的增大而减小，表明抗剪承载力上限值随高宽比的增大而减小。2种规范公式系数与高宽比相关系数的绝对值较大，表明腹板高宽比与抗剪承载力上限值的关联性较强。因此，《建规》中抗剪承载力上限值的计算更符合试验规律。

5 结论

本文基于收集的试验数据对比国内外2种主流规范的受弯构件抗剪承载力上限值计算公式，得到如下结论：

①《ACI规范》与《建规》相比公式表达形式不同且计算结果偏低，主要区别在于混凝土强度表达形式和腹板高宽比2个参数；

②相比试验值，《ACI规范》公式偏保守，且离散性较大、偏离试验数据，《建规》公式的均值接近1，且离散性最小、符合试验数据；

③针对混凝土强度表达式和腹板高宽比2个参数对受弯构件抗剪承载力上限值的影响分析，发现《建规》计算公式相比《ACI规范》更符合试验规律。