纵筋配筋率对无腹筋钢筋混凝土梁受剪性能的影响研究

2021-10-05安涛

工程建设与设计 2021年17期

安涛

（华陆工程科技有限责任公司，西安 710065）

1 引言

众所周知，剪切破坏是典型的脆性破坏，在破坏发生时没有明显的征兆，极易造成重大安全事故[1]。1955年，美国W ilkins空军仓库发生屋顶垮塌事故，调查结果表明，屋顶的无腹筋梁所发生的剪切破坏是事故发生的最直接原因[2]。由于钢筋混凝土构件的剪切破坏受到众多因素的影响，受力机理复杂，使得剪切破坏问题成为混凝土结构中最具特色的问题[3]。

纵向受拉钢筋在无腹筋梁抗剪中能为构件提供一定的“销栓作用”，同时，能够有效抑制斜裂缝的发展并改善裂缝表面的剪力传递性能。Kani[4]在试验中发现，当纵筋配筋率由0.8%提高到2.8%时，梁试件的受剪承载力提高了约1倍；Krefeld等[5]提出，无腹筋钢筋混凝土梁的剪切抗力，主要由未开裂区混凝土和纵筋的销栓作用提供，沿纵筋发生的撕裂破坏是最终破坏的直接原因。

本文通过收集无腹筋混凝土梁的剪切试验数据分析纵筋配筋率对受剪承载能力的影响，基于收集到的719根无腹筋混凝土简支梁剪切试验数据，评估了我国GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[6]（2015年版）（以下简称《规范》）在体现纵筋配筋率对受剪承载力的影响的效果。

2 集中荷载下纵筋配筋率对无腹筋简支梁受剪性能的影响

2.1 纵筋配筋率对无腹筋简支梁受剪承载力的影响

剪跨比较小时，无腹筋梁通常发生由混凝土抗压强度控制的斜压破坏，受剪承载力较大，中等剪跨比的梁则发生剪压破坏[7]。本文主要讨论剪跨比λ较大（λ≥2.5）的无腹筋细长梁的剪切破坏机理模型。收集了719根无腹筋钢筋混凝土简支梁剪切破坏试验数据来分析纵筋配筋率对无腹筋钢筋混凝土细长梁受剪承载力的影响及影响程度。表1给出了719根试验梁各参数变化范围的统计信息。

表1 719根试验梁参数变化范围

按照单一变量原则，这里选取无量纲变量V/ftbh0作为评估受剪承载能力的指标。基于719根试验梁数据，分析纵筋配筋率与抗剪强度之间的变化关系，结果如图1所示。

图1 受剪强度与纵筋配筋率变化关系

从图1中可以看出，纵筋配筋率对抗剪强度有着显著的影响，在纵筋配筋率较小时，抗剪强度较低，抗剪强度随着纵筋配筋率的增加而升高。从受力机理的角度来看，纵向受拉钢筋在无腹筋梁抗剪中能为结构构件提供一定的“销栓作用”，有效抑制斜裂缝的发展并积极改善裂缝表面的剪力传递性能。为了考虑剪跨比λ对抗剪强度的影响，这里对文献[4]中的试验数据进行整理，得出不同剪跨比下受剪强度与纵筋配筋率的变化关系（见图2）[8]。

图2 不同剪跨比下受剪强度与纵筋配筋率变化关系

在不同剪跨比条件下，纵筋配筋率对抗剪强度的影响有较大差异。当剪跨比为1.0和2.0时，纵筋配筋率由0.5%增加到2.75%，抗剪强度增长了约3倍，而在剪跨比为2.5时，抗剪强度增长了2倍，而当剪跨比超过了2.5达到3.0时，增长幅度明显降低，增幅小于2。在相同的配筋率增幅下，小剪跨比条件下抗剪强度的增长幅度比大剪跨比条件下更加显著。

2.2 我国《规范》

我国《规范》给出了受弯构件斜截面受剪承载力计算公式：

式中，Vc为受剪承载力设计值；λ为剪跨比；βh为截面高度影响系数，0.8≤βh≤1.0；ft为混凝土抗拉强度；b为截面宽度；h0为截面有效高度。

2.3 试验数据与我国《规范》的对比

为便于评估我国《规范》在预测受剪承载力时的合理性及稳定性，在719根中筛选了218根剪跨比约为3，同时满足h0≤800 mm的试验数据，来对比《规范》计算公式预测效果。

图3中给出了218根无腹筋简支梁试验实测数据与规范承载力预测值的对比结果。从图3可以看出，纵筋配筋率与抗剪强度的在大剪跨比情况下，展现出显著的非线性变化趋势。当纵筋配筋率ρ≤1.0%时，随纵筋配筋率的增大，承载力增长趋势尤为突出，大部分试验数据结果点落在规范计算值之下；当纵筋配筋率1.0%＜ρ≤2.0%时，增长趋势逐渐变缓，但仍有一些数据点落在规范计算值之下；当纵筋配筋率ρ＞2.0%时，增长趋势趋于平缓，绝大部分数据点试验实测结果大于计算公式预测值。