钢筋混凝土箱形截面梁抗剪承载力计算方法研究

蹇佳秀

（重庆交通大学，重庆400000）

钢筋混凝土构件在弯矩和剪力共同作用的截面上常常会出现斜裂缝，构件可能沿着斜截面发生破坏[1]。这种破坏往往比较突然，缺乏明显的征兆，结构一旦出现这种破坏将会引起巨大的灾难。钢筋混凝土梁构件斜截面的受剪性能及破坏机理十分复杂，国内外学者对此问题的研究可以追溯到一百多年以前，也一直是研究的重点问题。只有通过不断的研究和试验，才能清楚地了解破坏的实质，从而更好的解决这种破坏。国内外学者也就这个问题不断进行试验和理论研究提出了许多计算理论。

1 剪切破坏计算理论综述

1.1 桁架理论

第一次提出古典桁架模型是在设计腹筋时，由Ritter 和Morsch 学者提出。该模型提出用铰接桁架代替钢筋混凝土斜裂缝梁，桁架上弦杆按受压区混凝土考虑，腹杆由受压混凝土和箍筋组成，下弦杆按纵筋考虑，并假定斜裂缝的倾角为45°。该模型概念清晰、方法简单。但该模型认为腹筋承担全部剪力，没有充分考虑其他部分对剪力的分担效果，也没有考虑裂缝不同的影响等等。

软化桁架模型则认为钢筋混凝土梁可以基于压力场理论来计算其抗剪承载力。而且该模型同时适用于受扭构件和受剪构件，故又被称为“统一理论”[2]。所以它可以计算结构的许多力学性能，如抗剪强度、抗扭强度和变形。但模型如何考虑次应力是一个问题，剪跨比的影响系数也需要进一步完善等等。

根据桁架+拱模型理论，桁架破坏并不是大家普遍认为的纵向钢筋受拉屈服，而是腹板的混凝土被压碎或腹筋屈服造成的[3]。该模型的假定就说明该模型不仅可以计算塑性铰区的延性，还可以计算梁、柱以及剪力墙结构的非塑性铰区的抗剪承载力[4]。并且该模型成功被设计规范采纳并应用于实际工程，但该模型比较适用于框架柱的抗剪性能研究。

后来有学者认为可以用桁架- 拱模型代替钢筋混凝土梁的受力模型。桁架一拱模型是曲线形压杆，曲线形压杆可以同时担负起上弦压杆和拱腹的作用，还可以平衡弯矩；受拉下弦杆则可由梁底的纵筋代替[5]；斜腹杆就是腹筋间的混凝土。显而易见，该模型受力方式简单，但由于其计算公式复杂一般也不被大家采用。

1.2 塑性理论

塑性理论假设混凝土和钢筋都是刚塑性材料，忽略纵筋的“销栓”效应；混凝土的屈服条件采用“Coulomb 假定”，钢筋的屈服条件则为σs=fy。该方法概念清晰，计算比较简洁。但塑性理论无法得到结构在正常使用阶段的具体情况，并且不能确定斜截面破坏的位置，而且纵筋和水平腹筋也会对抗剪承载力产生影响，该理论并没有考虑，也存在一定的不足。

1.3 极限平衡理论

极限平衡理论充分考虑了斜裂缝顶端的纵向力和剪力、与斜裂缝相交纵筋的轴力和剪力、箍筋的轴力及作用在斜裂缝上的混凝土骨料咬合的纵向和横向分力，然后再对隔离体进行受力分析，建立内力平衡方程式来求解[6]。苏联学者根据极限平衡原理提出了“简单刚体一塑性机理”，但需联立多个方程求解，计算工作量太大，一般不被采用。

1.4 统计分析法

剪切破坏机理十分复杂，准确地计算抗剪承载力也十分困难，目前都没有一个准确计算的计算公式，所以国内外许多学者先做试验得到大量的试验结果，利用数据进行数理统计分析，再用分析结果研究影响构件抗剪承载力的主要因素，并以此建立具有一定可靠度的经验公式。统计公式形式简单，方便实用。但统计分析工作量大，耗时，不太适用于应用计算。

1.5 非线性有限元法

随着计算机技术的发展，土木工程行业也逐渐重视非线性有限元分析方法，并逐渐将其应用到计算中。非线性有限元分析可以进行大量的参数分析，获得详细的计算结果。但还是有计算量大、收敛性差等问题，但计算机技术的飞速发展注定非线性有限元方法将会成为主流方法。

2 箱形截面抗剪承载力计算方法研究

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG-3362-2018）采用下述半经验半理论的公式：

上述公式仅在一定的条件下才适用，因为这是根据试验资料建立的，必须限制其适用范围。

但随着桥梁结构朝着大跨度方向方向，普通截面的预应力混凝土桥梁已经不再满足需求，那是因为箱形截面相对于其他截面具有明显的优点。第一，箱形截面的顶板和底板都有较大面积的混凝土面积，可以有效地抵抗正负弯矩，并满足构造上的配筋要求；第二，箱形截面是闭合截面，其抗扭刚度大，具有很好的稳定性；第三，与施工方法相适应，如顶推法、悬臂施工法等；第四，预应力混凝土箱梁桥结构美观，经济性好，很好地符合现代桥梁的设计要求，行驶过程舒适。

斜截面剪切破坏机理十分复杂，所以国内外的学者对箱梁的抗剪性能研究成果较少，绝大多数国家甚至在规范上也没有对抗剪承载力的计算做出明确规定，一般采用半理论半经验公式进行计算，有些是将箱梁转化为矩形截面、工字形等截面，再按照相应截面的规范规定进行计算。

有很多学者已经验证通过非线性有限元软件对钢筋混凝土梁进行抗剪性能分析，能够较好地模拟钢筋混凝土梁的剪切性能，可以得到与试验梁比较吻合的数据结果，所以现在大家都普遍采用非线性有限元分析软件计算抗剪承载力。但数值分析计算结果与规范计算结果还存在一定差异，当前桥规在箱梁抗剪承载力计算中的适用性还有待进一步研究。虽然剪切破坏理论较以前越来越成熟，但仍然有许多没有考虑到的问题，所以我们还是需要进一步研究相关理论，完善计算公式[7]。