關于混凝土局部受壓研究與應用現(xiàn)狀的探討

劉虹 秦云

摘 要：混凝土局部受壓在工程實踐中是常見的，在國內外，關于該問題的研究起步較早，且主要依賴于一定條件下的、有限數(shù)量的試驗結果，相關理論或推導引用了或多或少的假設，所得計算公式間存在一定的差距。本文系統(tǒng)總結了國內外學者對混凝土局部受壓的研究成果及應用現(xiàn)狀，并考慮工程實際，結合現(xiàn)行規(guī)范，對與局壓相關的問題進行了探討，所提出的相關意見和看法，可供局壓研究和工程實踐參考。

關鍵詞：混凝土局部受壓；研究與應用現(xiàn)狀；局部受壓提高系數(shù)

Abstract： It is popular in practice that the compression force is applied locally on concrete member. With the aid of experiment， studies on the local compression were performed by Domestic and foreign scholars earlier. There were remarkable differences among various formulas due to limited experiments and their hypothesis. In this paper， the research results and application of local compression of concrete were summarized. According to the engineering practice and current specification， some problems concerned are discussed. Here， relevant comments and views can be references for engineering practice and research in the future.

Keywords： concrete local compression； research and application； improve local compression factor

1.引言

混凝土局部受壓即在混凝土構件的表面上只有部分面積承受壓力的狀態(tài)[1]。局部受壓是鋼筋混凝土結構中最常見的受力形式之一。19世紀80年代，國外便開始了對混凝土局部受壓的研究，20世紀50年代—80年代，混凝土局部受壓的研究進入了高峰期，研究主要集中于破壞形態(tài)、破壞機理、影響因素和強度理論四個方面， 期間的大部分成果得以延續(xù)至今；此后，對該課題的研究幾乎停滯。由于受客觀條件及計算機技術水平的限制，以往的研究方法僅限于試驗和理論推導，試件為受壓面沒有坡度的長方體和圓柱體試件，對于構件內部的應力分布則根據(jù)基于一定基本假設的理論推導得到。

事實上，國內外學者對局壓的研究具有各方面的局限性，例如，存在試驗結果及統(tǒng)計所得計算公司存在一定差別、應力分布裂紋擴展的理論描述不詳、對受壓面有坡度的局壓問題鮮有研究等缺憾。本文擬對與局壓相關的試驗及理論結果進行總結和分析，并就與局壓相關的問題提出自己的意見或看法，供工程研究和實踐參考。

為便于問題的討論，定義如下參數(shù)：

——混凝土局部受壓提高系數(shù)

——混凝土局部受壓面積

——混凝土截面面積或者局壓計算面積

1.破壞形態(tài)的研究

Hawkins N M、Niyogi、曹聲遠、劉永頤等對混凝土局部受壓的破壞形態(tài)進行了大量的試驗研究，所得結果基本一致，局部受壓的破壞形態(tài)主要與局部受壓面積 、試件截面面積 以及在表面上的位置有關[1]。其具體的破壞形態(tài)和特征概述如表1所示。

由表1可見，先開裂后破壞對結構是最有利的，因為在這種情況下，構件開裂之后還具有一定的承載能力，使其具有更高的可靠度和安全性。后兩種破壞形態(tài)發(fā)生前沒有明顯的征兆，構件局壓開裂，構件就會突然破壞，其破壞荷載遠小于下部支承混凝土構件的實際承載力，在一定程度上會造成材料的浪費，對構件的受力和充分利用是非常不利的。

2.工作機理的研究

針對混凝土局部受壓工作機理，理論解釋有套箍強化理論（蔡紹懷，Hawkins等）和剪切理論（曹聲遠、劉永頤等）。

套箍強化理論認為，局壓受壓的混凝土柱體受壓的同時，還受有類似套箍的徑向側壓力作用。局部受壓區(qū)的混凝土可看做承受側壓力作用的混凝土芯塊，當局部荷載增大時，受擠壓的混凝土向外膨脹，而周圍混凝土起著套箍作用而阻止其橫向膨脹，因此，擠壓區(qū)混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高了芯塊混凝土的抗壓強度。當周圍混凝土環(huán)向拉應力達到抗拉極限強度時，試件即破壞[2]。

剪切理論認為，在局部荷載作用下，局部受壓區(qū)猶如一個帶多根桿的拱結構。緊靠承壓板下面的混凝土，位于拉桿部位，承受橫向拉應力。當局部荷載達到開裂荷載時，部分拉桿由于局部受壓區(qū)中橫向拉應力 大于混凝土極限抗拉強度 而斷裂，從而產生了局部縱向裂縫，但此時尚未形成破壞機構。隨著荷載繼續(xù)增加，更多的拉桿被拉斷，裂縫進一步增多和延伸，內力進一步重分配。當達到破壞荷載時，承壓板下的混凝土在剪壓作用下形成楔形體，產生剪切滑移面，楔形體的劈裂最終導致拱結構的破壞[3]。

綜合分析，這兩種理論的差異在于對混凝土局部受壓強度提高原因和破壞過程的解釋。套箍強化理論認為混凝土局部受壓強度提高是由于周圍混凝土產生類似套箍的側壓力，使得核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)；而剪切理論認為，強度提高的原因是受壓區(qū)下拱結構的存在，對楔形體的滑移產生抑制作用。套箍強化理論中，局壓破壞只是由于一種力即周圍混凝土的環(huán)向拉應力達到極限抗拉強度。剪切理論中，局壓破壞是由于兩種力的存在和發(fā)展，第一種是拱結構中中部劈裂力，第二種是楔形體形成過程中由于楔面的塑性剪切變位或滑移引起的頂部劈裂力。

根據(jù)套箍強化理論，可以推出試件的開裂荷載等于破壞荷載，但當 時，混凝土的開裂和破壞顯然是不統(tǒng)一的，破壞荷載要大于開裂荷載；當采用二維方法分析局部承壓問題時，其雖然無套箍作用，但是強度仍有提高；在邊緣局壓、條形局壓、條形中心受壓、削腳試件的中心受壓情況下用此理論難以解釋；國內外大量試驗研究表明，局壓試件在破壞的時候都會產生一個楔形體，而運用套箍強化理論，無法解釋楔形體產生的機理，因此套箍強化理論并不能真實反映混凝土局部受壓的工作機理。與試驗結果相比，剪切理論較為合理地反映了混凝土局部受壓的破壞機理和受力過程。

3.強度理論研究概述

為使試驗研究成果能得到廣泛的運用，根據(jù)試驗成果推導出可用于工程實際的理論計算公式是必要的。國內外學者基于試驗研究，運用不同的破壞模型和理論原則推導出了多種混凝土局部受壓的強度計算和局部受壓提高系數(shù)公式如表2所示。

包興格的強度理論是基于100mm×100mm×100mm的天然砂巖立方體的試驗得出的，不能真實反映混凝土的局壓強度，因而相應的強度和提高系數(shù)計算表達式是缺乏合理性的。捷爾萬那巴巴將試件的局壓強度分為兩部分，并采用二項式進行表述，第一、二項分別考慮混凝土、鋼筋網的貢獻，該式闡述了鋼筋混凝土構件局部承壓強度的組成，但二項式的比例分布存在一定的問題；其中，公式的第二項沒有考慮局部擠壓面積對承壓強度的影響，而且低估了鋼筋網片對局壓強度的影響，結果總體是偏低的。蔡紹懷的強度理論是根據(jù)套箍理論推導而得，如前所述，套箍強化理論在一定程度上不能真實反映混凝土局部受壓的工作機理，與實際的試驗結果存在一定的偏差，尤其是當 ，由該理論所得強度與試驗結果相差較大。

Shailson根據(jù)21個200mm混凝土立方砌塊局壓試驗的結果，總結得出混凝土土局壓強度隨 的提高而增加的規(guī)律，且當 時，局壓承載力不再提高，首次提出了上限定值的概念，局壓強度并不隨的增加而無限增大。

Kawkins根據(jù)局壓楔形體破壞模型，在剪切滑移面上采用coulomb破壞準則，建立的局壓強度計算公式，既適用于對稱受壓的情況，也適用于偏心受壓的情況。但要確定公式中參數(shù)K是比較困難的。

曹聲遠、劉永頤均是在楔劈理論（剪切理論）的基礎上推導出的局壓強度公式，二者的不同之處在于，曹聲遠是運用極限平衡理論推導，且沒有考慮鋼筋網片的影響；劉永頤則運用庫倫假設推導，同時考慮了鋼筋網片的影響。

《混凝土結構設計規(guī)范GB50010-2010》（以下簡稱混規(guī)）將局壓強度的計算公式考慮了三種情況，即配置間接鋼筋、素混凝土受局部荷載作用和素混凝土有局部或非局部荷載作用的情況。歐洲規(guī)范CEB-FIP MC90中，混凝土局部受壓強度雖然也考慮了三種情況，但其劃分的方法與混規(guī)不同，分類標準按混凝土局部受壓的三種可能破壞形態(tài)來（端部脹裂、下部開裂和壓碎失穩(wěn)）分別計算局壓強度。美國規(guī)范ACI318-99同樣采用將混凝土強度指標乘以局壓強度提高系數(shù)的方法計算局壓強度，但與我國的不同之處在于混凝土強度指標，我國是采用150mm×150mm×300mm的棱柱體的抗壓強度，而美國采用混凝土圓柱體抗壓強度。

由表2可知，雖然各種強度理論都認為 是影響混凝土局部受壓提高系數(shù)的關鍵因素，但各強度理論間存在一定的差別。由圖3.1可看出，所有的曲線（除了shelson）都交于一點（1，1），說明當局壓面積比為1時，非局部受壓時混凝土的局壓強度沒有提高，與實際相符。在 時，除了ACI公式，其余的局壓提高系數(shù)都呈曲線增長，說明當 時，混凝土的破壞屬于延性破壞。捷爾萬那巴巴的提高系數(shù)在局壓面積比為4以內增長速度最快，GB50010-2010和ACI公式次之，shelson的公式最小，與其他公式存在較大差異。

當 時，曹聲遠、完全平方、劉永頤和包興格公式呈線性增長，局壓面積比越大，提高系數(shù)越高，其中又以曹的值為最大，包興格的值為最小，這說明當 時混凝土呈脆性破壞。而GB50010-2010和ACI公式分別在局壓面積比大于9和4之后便不再變化，shelson的值則在局壓面積比大于9時十分緩慢的增長，當局壓面積比大于30時不再變化，表明這三種理論公式認為混凝土局壓提高系數(shù)并非隨著局壓面積比的增大而無限增大，它的增大是有限制的。GB50010-2010、ACI在1～4之間基本重合，大于4時GB50010-2010變?yōu)楹阒?，ACI變?yōu)楹阒?，說明中國混凝土規(guī)范和美國規(guī)范對局壓提高系數(shù)的上限值存在差異。曹聲遠的局壓提高系數(shù)分別在局壓面積比為9、25時發(fā)生突變，雖然與破壞形態(tài)的機理相符，但也違背了局壓現(xiàn)象連續(xù)性的一般性原理。

4.研究現(xiàn)狀及有待研究的問題

20世紀80年代，國內外形成了為工程界普遍接受的混凝土局部受壓理論。此后，也開展了結構各部位、新型混凝土材料及不同荷載形式下的混凝土局部受壓等領域的研究。比較有代表性的是鋼管混凝土、高強混凝土、鋼纖維混凝土、預應力混凝土、輕骨料混凝土和柱下樁基承臺的局部受壓研究等。上述研究大多直接或間接引用了前人的研究成果，尤其是局部受壓提高系數(shù)基本上都是采用現(xiàn)行規(guī)范中的計算公式和計算方法，各國現(xiàn)行規(guī)范的局部受壓提數(shù)也都以局壓面積比的冪形式表述的。但國內的研究表明，混凝土局部受壓提高系數(shù)不僅與局壓面積比有關，還與受壓板剛度、局部受壓位置、試件尺寸、混凝土強度等因素有關。眾所周知，建筑結構中構件的形狀和受力是多種多樣的，以往學者基于平截面或者鋼墊板試驗條件下得出的局壓提高系數(shù)是否能直接適用于形狀或者受力形式不同的構件，是一個值得探究的問題。關于局壓問題，以下幾方面值得進一步的研究：

（1）我國現(xiàn)行《混凝土規(guī)范》中對混凝土局部受壓時的強度提高系數(shù)采用完全平方公式，《基礎規(guī)范》中也沿用這一公式來計算混凝土的局部受壓系數(shù)，結構設計的相關軟件（探索者，Morgain等）在計算基礎的局部受壓提高系數(shù)時都是用這一公式，而這個公式是否可以直接適用于錐形基礎是值得商榷的。

（2）以往對混凝土局部受壓的研究大都是基于局部受壓影響面平整情況下的研究，而針對局部受壓影響面傾斜情況下的研究，尚無相關報道，當承壓影響面傾斜時，現(xiàn)行多個計算軟件均不考慮混凝土局部受壓提高系數(shù)的提高。顯然，基于局部受壓影響面平整情況下的局壓破壞試驗結果得到的計算公式不能直接應用于局部受壓影響面傾斜的情況，后者的局壓提高系數(shù)應與承壓面的傾斜程度有關，當局部受壓影響面的傾斜角度不同時，套箍效應有所不同。

（3）國內外大量的試驗研究表明，高強混凝土的局壓強度提高系數(shù)遠低于普通混凝土的局壓強度提高系數(shù)。這與高強混凝土的脆性有關，標號越高，局壓強度提高系數(shù)越小，而現(xiàn)有的局壓提高系數(shù)公式中，并未反映出混凝土的標號對于局壓強度提高系數(shù)的影響。

（4）國內外大量的研究都是基于軸心局壓試驗，而針對偏心荷載作用下的局部受壓系數(shù)的研究，也都是直接采用軸心局壓試驗的結果，然而試驗證明偏心距的大小對混凝土的局部受壓破壞形態(tài)和機理是有影響的，那么對混凝土局部受壓提高系數(shù)也可能會有影響，所以偏心局部受壓下混凝土的局部受壓破壞形態(tài)、破壞強度和提高系數(shù)也值得做進一步研究。

（5）已有試驗研究都是通過鋼墊板對試件進行加壓，加載條件與工程實際有一定差別。Hawkins、Niyogi等學者的實驗研究表明，鋼板的剛度對混凝土局部受壓強度是有影響的，而現(xiàn)有的計算公式也沒有考慮到這一因素，有必要定量描述鋼板的強度或剛度對局壓系數(shù)的影響。

（6）對局壓問題的研究較早，彼時計算機和測量技術相對落后，有必要采用高級數(shù)值模擬技術，對局壓的相關問題進行仿真研究，從理論的另一方面對已有的試驗現(xiàn)象、破壞機理和各強度理論的合理性做出力學解釋；同時，針對工程實際中的特殊局壓問題進行相關的數(shù)值模擬和試驗研究。

參考文獻

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