钢筋混凝土深梁抗剪强度模型的比较研究外文翻译资料

钢筋混凝土深梁抗剪强度模型的比较研究

刘健，Boyan I. Mihaylov

摘要：自20世纪60年代以来，研究人员提出了不同的经验公式和钢筋混凝土深梁抗剪强度分析模型。其中一些方法在应用于小波束测试集时显示出足够的准确性，而它们预测大范围测试变量效果的能力仍然未知。本文通过73篇出版物总结了深梁的模型，并着重于通过使用574个深梁测试数据库，对10个最新模型进行了详细评估。研究发现，深梁的半经验拉压杆模型（STM）和双参数运动学理论（2PKT）产生最少的散射预测。前者模型产生的平均抗剪强度实验预测比率为1.00，变异系数（COV）为19.8％，而后者实验结果的平均值为1.08，COV为15.4％。通过将Vexp/Vpred比率与不同测试变量作图，并通过单个测试系列进行参数研究，也可以比较两种模型。结果表明，半经验STM模型在剪切跨度与深度比方面表现出一定的偏差，而2PKT在整个实验数据范围内产生均匀的结果。研究还指出，半经验STM比2PKT方法需要的计算量少。

关键词：深梁；抗剪强度；预测模型统计；比较参数研究；Strut-and-tie模型；运动模型

1.概述

自20世纪50年代以来，钢筋混凝土深梁的剪切性能一直是密集实验研究的主题。人们早已认识到，由于其较小的剪跨深比（a/d le;2.5），深梁可以承受比细长梁更大的剪力。因此，深梁通常用作建筑物中的传递梁，桥梁中的盖梁，地基中的桩帽以及其他重载结构构件。从建模的角度来看，深梁不遵守经典的平截面假定，因此需要与细长梁不同的模型。自20世纪60年代以来，研究人员提出了各种用于评估深梁抗剪强度的经验公式和分析模型。这些方法中最常用的是基于深梁主要特性的拉压杆模型方法，即通过压缩应力（载荷作用或拱作用）将载荷直接传递到载体上。这种方法代表了结构设计的一个简单而强大的工具，这通常是提供保守的强度预测。与小组实验数据相比，其他方法在预测剪切强度方面也显示出足够的准确性，而它们捕捉大范围测试变量影响的能力仍然未知。因此，本文的目的是对已发布的深梁抗剪强度模型进行更全面的评估和比较。这些模型将通过使用a/dle;3.0的574组梁的测试数据库进行比较。比较将根据主要物理假设，统计性能和模型捕获不同实验变量对深梁抗剪强度影响的能力进行。

表1 命名法

2.钢筋混凝土深梁抗剪承载力模型

作为这项研究的一部分，已经对1987年至2014年间发表的73篇关于深梁抗剪强度模型的论文进行了详细综述。这些模型适用于在点荷载（通常为一个或两个荷载）作用下受单曲率弯曲的梁。考虑到它们的主要特点，这些模型分为以下六类：人工智能模型，数值模型（即有限元模型，有限元和离散元模型，DEM），拉压杆模型，上限塑性模型，剪切板模型和其他力学模型。从中图1可以看出，这73份出版物中的大多数着重于STM模型，其次是数值模型和人工智能模型。最小的类别是“其他机械模型”，其中包括由Zararis提出的模型和Mihaylov等人提出的双参数运动学理论（2PKT）。在所有回顾的方法中，本研究集中在十个最近的模型上来自四个类别，不包括数值方法和人工智能模型。这些模型是从Senturk和Higgins 以前的研究中采用的，除了对于他们研究后出版的两种模型。所选的型号已列入表格1其中还提供了其主要特点的总结。数值模型被排除在讨论之外，因为它们不是专门为深梁开发的，而且比其他方法复杂得多。由于本文的目标之一是比较深梁建模的不同物理假设，人工智能模型也被排除在讨论之外。

图1. 1987年至2014年发表的钢筋混凝土深梁抗剪承载力模型

从表1可以看出，所选择的模型被分为分析或半经验。通过半经验，这意味着理论模型包括了通过拟合深梁试验得到的剪切强度得出的因子。正如表1最后一栏所列，在模型开发中使用的物理假设和测试变量的范围限制了它们的适用性。正如在描述模型的原始论文中所报告的那样，这些限制通常按照术语定义（a/d）或剪切跨度-深度比（a/h）。例如，限制a/hle;2.0和a/hge;0.23意味着分别将深梁与细长梁和柱状构件分开。2PKT采用了不同的方法：该模型已被开发应用于短剪切跨度的构件，其中由该模型预测的剪切强度V2PKT将超过用于较长跨度的截面设计程序预测的剪切强度Vsect。以下小节简要介绍了它们各自类别中的十个选定模型。

2.1.Strut-and-tie模型

自1984年以来它已成为设计规范的一部分，这一事实表明，STM模型建模是深梁最常用的方法。本研究中包括六个支撑与配合模型，其中三个是半经验模型和三个分析模型表格1。在一般情况下，深梁的支柱模型包括三种抗剪机制：负载与支撑之间的直接对角支撑，包含垂直腹板加固的桁架机构以及涉及水平腹板加固的桁架机构，如图2。支柱和领带连接在装载点和支撑点附近的节点区域。Hwang等人假定三种机构中的每一个所承受的剪切比例可以基于对角支柱h的角度来确定。在腹板钢筋屈服之前，垂直腹板钢筋承受的剪切比例随h增加而减小，而水平腹板钢筋承载的比例随h增加。对角支柱抵抗的剪力比例增加到45°的支柱角度，并且对于更大的角度减小。随着腹板钢筋的屈服，剪力的增加完全由斜梁承担，直至梁的破坏。由于混凝土在节点区域附近的破碎，假定发生破坏。

图2. STM模型中的抗剪力机制

Matamoros和Wong提出了一个半经验的拉压杆模型，其中包括计算三种机制强度的因素，如图2所示。作者通过将模型拟合到175组深度光束测试中，为这些因素制定了保守表达式。Russo等人采用类似的方法，但系数符合240次测试，目标是平均实验-预测剪切强度比为1.0。在这个模型中，剪切强度用下面的公式表示：v=v/(bd)=v_c v_w

其中v_c是对角线支撑提供的剪切贡献，v_w是水平和垂直腹板增强的贡献。术语v_c取决于混凝土的抗压强度，从经典梁理论获得的压缩区深度以及支柱h的角度。另一方面是术语v_w取决于纤维网增强材料的比率，纤维网增强材料的屈服强度，a/d比率和角度h。

唐和谭提出了一种用于深梁抗剪强度的交互式拉压杆模型。在这个模型中，梁的失效取决于两种失效模式的相互作用：支柱破碎和对角分裂。假定两种模式之间的相互作用遵循线性关系，类似于经典的Mohr-Coulomb失效准则。此外，假设由混凝土段，腹板加固和弯曲加固提供的分裂能力对相同速率的动力贡献。谭和程对该模型提出了修改以更好地捕捉剪切中的尺寸效应。修改后的模型用支柱的几何形状，以及腹板钢筋的间距和直径来解释尺寸效应。Yang和Ashour提出了另一个支撑和结合模型，它也解释了剪切的尺寸效应基于断裂力学。作者在对角支柱中引入了裂纹带区和应力消除带，并在两个区域中使用了能量平衡。在这个模型中，剪切破坏是由对角支柱的破碎决定的。表格1总结了十种模型中假定的主要失效模式，并指出了哪些模型解释了剪切中的尺寸效应。

符号：a=从支撑中心到负载中心的剪力跨度；d=剖面的有效深度；h=剖面的总深度； Ln=

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