基于橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的鋼筋混凝土T梁抗剪承載力尺寸效應(yīng)影響研究

馮浩雄，張為民，黃 河

(1．益陽(yáng)市交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，湖南 益陽(yáng) 413000；2．湖南城市學(xué)院 土木工程工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng)413000；3．新田縣城市建設(shè)投資發(fā)展集團(tuán)公司，湖南 新田 425700；4．益陽(yáng)市市政工程建設(shè)公司，湖南 益陽(yáng) 413000)

基于橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的鋼筋混凝土T梁抗剪承載力尺寸效應(yīng)影響研究

馮浩雄1,2，張為民3*，黃 河4

(1．益陽(yáng)市交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，湖南 益陽(yáng) 413000；2．湖南城市學(xué)院 土木工程工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng)413000；3．新田縣城市建設(shè)投資發(fā)展集團(tuán)公司，湖南 新田 425700；4．益陽(yáng)市市政工程建設(shè)公司，湖南 益陽(yáng) 413000)

結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼筋混凝土T梁的抗剪承載力進(jìn)行了研究﹒收集整理了60根T形梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)和1根矩形梁抗剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同尺寸效應(yīng)影響的鋼筋混凝土T梁抗剪承載力進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明了翼緣寬度、腹板寬度、梁高對(duì)鋼筋混凝土T梁的抗剪有明顯的尺寸效應(yīng).

橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范；鋼筋混凝土T梁；抗剪承載力；尺寸效應(yīng)

鋼筋混凝土梁的抗剪承載力是混凝土結(jié)構(gòu)中的經(jīng)典問題之一．影響鋼筋混凝土梁的抗剪承載力因素很多，如混凝土強(qiáng)度、縱筋率、配箍率、預(yù)應(yīng)力度、尺寸大小、剪跨比等．鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)復(fù)雜，抗承載理論模型也很多，如桁架模型、(修正)壓力場(chǎng)理論、桁架-拱模型、極限平衡理論、統(tǒng)計(jì)分析法等．各國(guó)規(guī)范對(duì)抗剪承載力的計(jì)算也各不相同，國(guó)內(nèi)有混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，國(guó)外有美國(guó)的ACI、AASHTO、歐洲規(guī)范、英國(guó)規(guī)范、加拿大規(guī)范CSA等，均沒有建立一套較完整的理論體系，對(duì)鋼筋混凝土梁的受剪機(jī)理研究不足．

幾百年前達(dá)·芬奇用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)解釋了長(zhǎng)繩的強(qiáng)度低于短繩的理由，這稱為尺寸效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)模型，也是最早的關(guān)于尺寸效應(yīng)的描述．混凝土強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)就是指混凝土的配合比、制作工藝、養(yǎng)護(hù)條件、試件形狀和試驗(yàn)方法都相同，但試件的尺寸不同，得到不同的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果[1]．尺寸效應(yīng)是混凝土力學(xué)性能的主要特點(diǎn)之一．20世紀(jì) 20年代混凝土受壓的尺寸效應(yīng)有了系統(tǒng)的研究．Bazant對(duì)無(wú)腹筋混凝土梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)考慮尺寸效應(yīng)進(jìn)行了歸納，現(xiàn)有的86%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自高度600 mm以下的梁的試驗(yàn)結(jié)果，而實(shí)際工程中梁的高度達(dá)到6 m以上．20世紀(jì)60年代，混凝土抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)有了較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)．50多年前，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的 Leonhardt和 Walther進(jìn)行了一系列鋼筋混凝土梁、板的受剪性能試驗(yàn)和研究，其中就包括梁的高度對(duì)受剪承載力的影響 ．1967年Kani做了具有實(shí)際工程意義的試驗(yàn)，試驗(yàn)梁高按照1︰2︰4︰8進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大梁高達(dá)到122 cm，試驗(yàn)結(jié)果表明鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的剪切破壞表現(xiàn)出顯著的尺寸效應(yīng)[3]．近20年來(lái)，Reineck等總結(jié)了439根無(wú)腹筋梁抗剪試驗(yàn)結(jié)果，證明了梁的受剪承載力隨著梁的有效高度增加而有下降的趨勢(shì)．本文結(jié)合我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)不同翼緣寬度的鋼筋混凝土T梁的抗剪承載力與其他影響因素進(jìn)行了分析研究．

1 鋼筋混凝土T梁抗剪承載力影響因素

影響鋼筋混凝土T梁抗剪承載力的因素很多，其中主要的有混凝土強(qiáng)度、剪跨比、縱筋率、配箍率、預(yù)應(yīng)力度(軸向壓力)、尺寸大小和縱筋與鋼筋的銷栓力、混凝土骨料粒徑、荷載類型等．研究表明，隨著混凝土強(qiáng)度的增加，鋼筋混凝土 T梁的抗剪承載力也會(huì)增加，梁的抗剪強(qiáng)度與混凝土的抗拉強(qiáng)度呈近似的線形關(guān)系．縱筋配筋率對(duì)梁的抗剪承載力有顯著提高，在文獻(xiàn)[4]中的抗剪承載力計(jì)算公式

剪跨比對(duì)梁的剪切破壞形態(tài)影響很大，在相同的破壞形態(tài)下，剪跨比同樣對(duì)抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響，試驗(yàn)研究表明，隨著剪跨比的增大，抗剪承載力減弱，剪跨比小于2時(shí)，梁的拱起主要作用，抗剪承載力下降幅度最大，當(dāng)剪跨比超過4以后，抗剪承載力值變化不大．梁的抗剪強(qiáng)度隨著有效預(yù)應(yīng)力的增加而增加，預(yù)應(yīng)力可以提高梁的開裂荷載，增加剪壓區(qū)的面積，從而提高預(yù)應(yīng)力梁的抗剪承載力．但當(dāng)梁中換算截面重心處混凝土有效預(yù)應(yīng)力與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度之比達(dá)到0.3～0.4時(shí)，預(yù)應(yīng)力的有利作用有下降的趨勢(shì)，軸向力對(duì)抗剪的有利作用是有限的．文獻(xiàn)[4]抗剪承載力計(jì)算公式增加了1個(gè)預(yù)應(yīng)力提高系數(shù)，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，=1.25．配置箍筋后，梁的抗剪承載力提高，箍筋對(duì)受壓區(qū)混凝土形成約束作用，并限制斜裂縫的開展，從而使混凝土承擔(dān)的剪力增加；其次，箍筋能使縱筋的銷栓力增加，因此配筋后混凝土和縱向鋼筋分擔(dān)的剪力都有增加，從而提高了梁的抗剪承載力．文獻(xiàn)[4]抗剪承載力計(jì)算公式中規(guī)定了箍筋的作用．

2 尺寸效應(yīng)對(duì)鋼筋混凝土T梁抗剪承載力的影響

尺寸效應(yīng)對(duì)鋼筋混凝土T梁抗剪承載力的影響圍繞T梁高度、腹板寬度兩方面在研究．2011年，Yu和Bazant在ASCE的結(jié)構(gòu)工程雜志Journal of Structural Engineering上發(fā)表論文討論腹筋梁的尺寸效應(yīng)，證明有腹筋梁的剪切破壞存在尺寸效應(yīng)，大尺寸鋼筋混凝土梁表現(xiàn)更加明顯[4]．孫闊[5]在鋼筋混凝土深梁受剪承載力與尺寸效應(yīng)中的研究結(jié)果證明，鋼筋混凝土深梁受剪承載力存在顯著的尺寸效應(yīng)，該尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致我國(guó)規(guī)范深梁抗剪計(jì)算安全性降低，使設(shè)計(jì)結(jié)果偏于不安全．于磊[6]在大尺寸鋼筋混凝土梁受剪試驗(yàn)研究中考慮尺寸效應(yīng)和縱筋配筋率對(duì)梁抗剪承載力的影響，在文獻(xiàn)[8]提出梁抗剪承載力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式．

文獻(xiàn)[4]中考慮尺寸效應(yīng)的影響主要有三個(gè)方面．第一是在規(guī)范公式中考慮了受壓翼緣的影響系數(shù)，在文獻(xiàn)[4]中偏于經(jīng)驗(yàn)地取=1.1；第二是在規(guī)范公式中有 T梁的腹板寬度b；第三是考慮了考慮了斜截面受壓端正截面的有效高度．從鋼筋混凝土T梁的受剪機(jī)理上看，在箍筋屈服之前，梁的受壓區(qū)混凝土發(fā)生剪壓破壞從而導(dǎo)致梁的剪切破壞，這是有鋼筋混凝土T梁剪切破壞尺寸效應(yīng)的主要原因，鋼筋混凝土T梁的剪切破壞不是由箍筋屈服控制，而是由混凝土剪壓破壞控制，混凝土存在尺寸效應(yīng)，因此，鋼筋混凝土T梁也存在尺寸效應(yīng)．

3 基于橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

鋼筋混凝土T梁抗剪承載力不僅受到剪跨比、混凝土強(qiáng)度、配筋率等因素的影響，而且與翼緣寬度、腹板寬度、梁高存在尺寸效應(yīng)關(guān)系．文章收集了60根鋼筋混凝土T梁的抗剪承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)[9-12]，按照不同的腹板寬度、梁高、翼緣寬度進(jìn)行了分類，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析整理，建立了抗剪承載力與不同尺寸效應(yīng)之間的關(guān)系圖，見圖1～圖3．

圖1 試驗(yàn)值與理論值之比

圖2 剪力值與腹板寬度關(guān)系圖

圖3 剪力值與梁高關(guān)系圖

圖1～圖3是試驗(yàn)值與橋規(guī)理論計(jì)算值之比與不同的腹板寬度、梁高和翼緣寬度之間的關(guān)系圖．由圖1可知，試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[4]計(jì)算結(jié)果之比幾乎均大于 1，在 45°線以上，文獻(xiàn)[4]對(duì)鋼筋混凝土T梁的設(shè)計(jì)偏于保守，文獻(xiàn)[4]還有很大的優(yōu)化空間．圖1中，翼緣寬度相同的T梁，隨著腹板厚度的增加，其抗剪承載力值也隨著增加．從圖 2也可看出，試驗(yàn)梁的翼緣寬度與腹板寬度()之比在 1～6 之間，隨著值的減小，的值也隨著減小，但值幾乎均大于 1，翼緣寬度對(duì)鋼筋混凝土T梁的抗剪承載力有一定的貢獻(xiàn)．鋼筋混凝土T梁的抗剪承載力與梁高存在一定的關(guān)系，隨著梁高度的增加，T梁的抗剪承載力有逐漸降低趨勢(shì)，如圖3所示．

4 結(jié)語(yǔ)

橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中考慮了諸多因素對(duì)鋼筋混凝土T梁的抗剪承載力的影響．但尺寸效應(yīng)對(duì)鋼筋混凝土T梁的抗剪承載力的影響局限于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且沒有綜合考慮尺寸效應(yīng)的影響和尺寸效應(yīng)的限值，因此需要更多的試驗(yàn)和理論來(lái)研究尺寸效應(yīng)對(duì)鋼筋混凝土 T梁的抗剪承載力的影響研究，建立更加準(zhǔn)確的能表達(dá)尺寸效應(yīng)對(duì)T梁抗剪承載力影響的計(jì)算公式，滿足現(xiàn)代工程的設(shè)計(jì)需要．

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(責(zé)任編校：徐贊)

Study on Size Effect Impact of Shear Strength of Reinforced Concrete T Beams Based on the Bridge Design Specification

FENG Hao-xiong1,2,ZHANG Wei-ming3,HUANG He4
1. Yiyang Communications Construction Testing ＆ Measuring CO., LTD, Yiyang, Hunan 413000, China; 2. School of Civil Engineering,Hunan City University, Yiyang 413000, China; 3. Xintian City Investmnet ＆ Development Group CO., LTD, Xintian, Hunan 425700,China; 4. Yiyang Municipal Engineering Construction Company, Yiyang, Hunan 413000, China)

The shear capacity of reinforced concrete T beams that combining with bridge specification was studied in the article. The experimental shear test datas of 60 T beams and 1 root rectangle beam were collected and analyzed, the other size effect factors that influence the shear bearing capacity of reinforced concrete T beams were analyzed. The results show that the flange width, the web width,beam depth of reinforced concrete T beams have obvious size effect on shear.

bridge design specification; reinforced concrete T beams; shear capacity; size effect

TU375.1

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.03.0003

1672–7304(2017)03–0012–03

2016-12-09

湖南省教育廳科研項(xiàng)目(15C0258)

馮浩雄(1979-)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，工程師，主要從事公路橋梁設(shè)計(jì)與檢測(cè)工作﹒E-mail: 28237619@qq.com；＊通訊作者簡(jiǎn)介：張為民(1978-)，男，湖南新田人，工程師，主要從事公路橋梁施工與管理工作．