无抗剪钢筋的HSC深梁拉压杆模型的试验验证
摘 要
支柱和拉杆模型（STM）已成为一种替代有效的设计方法，尤其是适用于D区和复杂结构混凝土构件。本文验证了STM方法在无腹筋高强混凝土深梁抗剪承载力预测中的适用性。共有18根深梁在四点弯曲直至失效的情况下进行了施工和试验。试验变量包括纵向配筋率、剪跨高比和梁深。利用STM对梁的承载力进行了预测。考虑到与上支柱高度相关的两个关键假设，对预测的准确性进行了检查。并与试验值进行了比较。比较结果表明，两个上支柱高度的假设对无剪切钢筋的高强度混凝土深梁的试验结果具有良好的预测能力，能够捕捉试验变量的影响。
介绍
目前许多建筑规范中的抗剪设计规定：任何钢筋混凝土或预应力混凝土梁之间的区域的划分，取决于剪跨比。简而言之，跨度被分为D区，其中D代表不连续性或受到干扰；对于这些区域，假定荷载传递遵循拱作用机理及跨中应变分布在非线性截面上。另一方面，梁作用荷载的剪跨更长的区域，称为B区，其中B代表梁为连续区，梁的截面应变为线性变化。结构混凝土构件可完全视为D区组成；然而，D区和B区更常存在于同一成员或结构中。深梁是典型的剪跨比小于两倍的D区例子。深度如图1所示，以拱作用来进行荷载传递为主。
一般来说，钢筋混凝土深梁的极限抗剪强度Vu 可通过两种不同的方法确定：分段法和构件法。分段法基于经验公式，通过将公式拟合到实验结果，而构件法是基于在拉压杆模型（STM）上。分段法通常不会对此类梁产生有意义的结果。因此，大多数设计规范已经用拉压杆模型取代了深构件的设计程序。2002年，ACI 318建筑规范取代了在前面的描述的，由STM设计加固混凝土深梁的方法。加拿大标准CSA-A23.3-04[6]和欧洲规范一样建议用拉压杆设计深构件。在该模型中，支柱和拉杆在节点处连接，如图2所示。本办法的适用条件包括尺寸规则、混凝土效率系数、钢筋限制和锚固要求。本文对这些关键要素进行了研究。STM方法的安全性取决于实践规范中的应力极限以及结构是否具有足够的延性来允许负载以这种方式支撑。
钢筋混凝土深梁在结构工程中，如桩帽、地基，桥梁、海上结构物和高架转换梁建筑物具有广泛的应用前景。根据跨高比，如果深梁使用了正常数量的纵向钢筋那么设计通常由剪切控制而不是弯曲控制。
图 1深梁作为D区的典型例子
图 2基本支柱和拉杆模型
尽管有大量有关支柱和拉杆模型的研究文献，但很少有无箍筋深梁模型的试验验证，特别是高强度混凝土（HSC）梁。高强度混凝土的一个特性是与普通强度混凝土梁相比结构梁更易发生脆性破坏。需要注意的是，STM是基于极限分析的极限定理。STM定理的适用于钢筋混凝土构件，基于钢筋的塑性行为的情况下。混凝土的脆性使得利用这一定理对钢筋混凝土构件来说不是一个理想的解决方案。因此，考虑到高性能混凝土的易碎性，大多数STM设计方法建议通过折减系数来降低构件的混凝土抗压强度。拉压杆模型对于高强度少抗剪钢筋混凝土和高强度无抗剪钢筋混凝土深梁的适用性需要验证zheacute;折 jiǎn减 xigrave;系 shugrave;数 。 gāo高 sugrave;速 gāng钢 de的 cuigrave;脆 xigrave;ng性 yǔ与 wuacute;无 jiǎn剪 qiē切 ǒu耦 heacute;合
reinforcement, the applicability of STM needs to be verified for HSC
。本次研究重点是评估深梁的抗剪强度，使用混凝土强度为55–60兆帕的钢筋网。这个混凝土强度代表了低等级的高强度混凝土，在建筑业的高强度混凝土应用中普遍使用。将梁的试验抗剪强度与使用拉压杆模型的预测对比。给出并讨论了对比结果。
深梁的拉压杆模型
图2显示的是集中荷载作用下深梁的拉压杆模型，同时图3显示了深梁在两个集中荷载下的拉压杆模型。他们类似于本研究中测试的梁，几何结构注释如图所示。图3中的STM包括顶部的水平支柱，两个倾斜支柱依次与水平拉杆连接。所有这些组件都连接到其他四个节点。不同的几何结构和容量的STM的组成部分将在下面的章节中讨论。
.混凝土支柱
顶部水平支柱的深度ht通常取为弯曲压缩深度c（从极压纤维到中性轴的距离）。通过考虑混凝土应力沿压缩深度的抛物线分布，中性轴深度c可由外部荷载和内力矩确定，如图3所示（忽略自重）：
图 3支柱和拉杆模型示意图
式中为等效矩形应力的深度系数,为根据式（1），支柱的深度可使用二次方程表示的剪切值计算
模型的水平力平衡要求：
当c达到最大值时，应力达到屈服应力。因此，
式中，和是钢筋的面积和屈服强度；为规定的混凝土强度，b为梁宽，倾斜支柱的尺寸取决于节点区的尺寸。斜支柱一般为非棱柱形[25]。斜支柱的上下宽度计算公式如下，参考图3 。
其中Bp和Bs是承载板宽度和支撑板宽度，ht为上部支柱高度；wt为拉杆宽度；以及 是支柱与纵向轴线的倾斜角。可由下式确定：
设计规范为评估混凝土支柱强度提供了参考，在ACI 318-08规范[1]附录A中， 混凝土支柱的强度计算如下：
其中是支柱一端的横截面积，是支柱混凝土的有效抗压强度； 是效率系数。值由表1给出的ACI 318[1]定。斜支柱中的应力取决于施加的荷载V，可计算并验证如下：
水平系杆
有效拉筋宽度一般取主筋质心至梁的张力纤维极限距离的两倍。ACI 318-08规范的附录A推荐了对应的静水节点区的宽度计算如下：
（11）
式中，为系材强度，为静液节点区混凝土的有效抗压强度，其中拉杆的强度计算如下：
根据施加的剪切力v，如图3所示，可计算如下：
节点区
确定节点区的抗压强度，如下：
这里的取下列中的较小值：
（1）力的作用线垂直作用于节点区表面的面积；
（2）合力线垂直作用于节点区的截面面积。
是节点区混凝土的有效抗压强度，是效率系数。表2给出了ACI 318规范建议的值。
水平支柱的压缩力Cc达到的最大值为，其中（棱柱形）由表1所示。拉杆中的拉力T由锚定系杆的CCT节点的节点承载力确定：,(CCT节点)由表2所示。考虑到的平衡，可以得出最大系杆宽度。
加载点和支架节点区的混凝土承载应力必须按以下方式进行验证：
表 1混凝土支柱（正常重量混凝土）效率系数的推荐值
|
支柱 |
效率系数 |
|
横截面积均匀的无裂缝支柱 （棱柱形） |
1.0 |
|
带腹筋的倾斜支柱（非棱柱）满足ACI 318规范附录A第A.3.3条的要求 |
0.75 |
|
无腹筋倾斜支柱（非棱柱） |
0.6 |
表 2节点区效率系数的推荐值
|
节点 |
效率系数 |
|
CCC |
1.0 |
|
CCT |
0.8 |
|
CTT |
0.6 |
CCC=由支柱或支撑区域或两者结合的节点区域；CCT=节点锚固一个拉杆的区域；CTT=锚固两个或更多拉杆的节点区域。
锚固拉杆的节点区的混凝土应力必须验证如下：
求解过程
采用STM计算钢筋混凝土深梁抗剪承载力的求解过程的总结如下图4。程序涉及给定的材料、尺寸，以及试验剪切值v，如步骤1所示。当支柱任易临界点的应力达到STM的最大值时，节点区或拉杆接近其容许应力。
在第2步，计算上棱柱支柱的宽度c，并与它的最大值相比，所以，其中表示梁已达到其抗弯承载力。然而本文将对以下两个上支柱深度值进行计算：和，如步骤3所示，得出两个预测值以检验上支柱深度对预测的准确性的影响。张力带宽度为在步骤4中给出。支柱角度的计算如步骤5所示。然后在步骤6的两端计算斜支柱的宽度。应注意的是，根据上述公式中，倾斜支柱的上端比下端窄，因此它控制支柱性能。在步骤7中，计算支柱中的最大应力并与许用有效应力进行了比较。第8步检查底部钢筋承受拉结力的充分性。最后，步骤9检查节点区的一部分支撑和加载板的适用性。这些步骤需要重复 V值，直到找到最大允许负载来按假定的值计算。
表1和表2中的系数和的值在本研究所述的求解过程中进行了应用。这些因素在一定程度上解释了不延申和易碎混凝土的性质。本研究的目的之一是探讨这些因素是否可安全地用于预测高强度混凝土深梁拉压杆模型的抗剪强度。
实验程序
本文所描述的实验程序是包括18根无箍筋钢筋混凝土深梁的抗剪试验。试验变量包括纵向量钢筋、剪切跨高比和梁深。
材料特性
在梁中，所用混凝土的目标抗压混凝土强度 28天后为55–60兆帕，这表示属于高强度混凝土（HSC）的较低类别。混凝土由当地预拌料供应商提供。表3给出了本研究所用混凝土的配合比。标准混凝土圆柱150300 mm在与试验梁相同的条件下和浇注梁固化过程中浇注。梁测试时的平均抗压强度是基于标准的混凝土圆柱体试验，抗压强度在55.3到57.5兆帕之间。
表 3混凝土配合
|
水灰比 |
0.37 |
|
水，kg/m3 |
167 |
|
水泥含量，kg/m3 |
450 |
|
细集料含量，kg/m3 |
787 |
|
粗集料粒径，mm |
9.5-19 |
|
粗集料含量，kg/m3 |
971 |
|
高效减水剂，L/m3 |
3 |
|
空气,% |
2 |
|
坍落度，mm |
140 |
图 4拉压杆的计算程序
变形钢筋用于加固试验梁。直径为12、14、18和20 mm的钢筋用作主受拉钢筋，直径10 mm作为顶部钢筋。用标准拉力测定钢筋的实际拉伸性能。对每种钢筋尺寸的三个样品进行的试验。钢筋的实际性能见表4。
表 4钢筋性能
|
直径（mm） |
屈服强度(MPa) |
极限强度(MPa) |
弹性模量(GPa) |
|
10 |
533 |
765 |
195 |
|
12 |
569 |
658 |
207 |
|
14 |
565 |
671 |
183 |
|
18 |
546 |
671 |
179 |
|
20 |
542 |
666 |
179 |
试件设计
共建造了18个全尺寸钢筋混凝土梁，并对其进行了破坏试验。根据梁深，测试梁被分为两大类。第一组包括9根梁，总深度700 mm，第二组包括9根总深度为400 mm的梁。三种不同的钢筋的配筋率为0.73%、1.21%和1.83%，以及有3种不同的的比值为1、1.5和2。所有梁都有相同的梁宽250mm，第一组和第二组梁长分别为3.6 m,3 m。
由于纵向钢筋的锚固是影响深梁性能的关键之一，这些梁的纵向钢筋端部均设有90度标准钩子。所有梁的悬垂长度为326–388 mm，超过每侧支架作为加固的锚固长度，避免剪切破坏前过早粘结破坏的钢材。此外，支架后面的两个悬垂部分是直径为8 mm的箍筋（每个3个箍筋）以加强粘结。并将纵向钢筋固定在其位置上。在梁的抗剪跨距的点荷载和支撑间没有箍筋。试样详情如下：如表5所示，如图5，6所示。指定梁使用字符B代表梁，第一个数字700或400表示梁的深度。第二个号码（1–2）表示。字符r1、r2和r3表示配筋率分别为0.73%、1.2
英语原文共 15 页
资料编号：[4567]
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