縱筋配筋率對無腹筋鋼筋混凝土梁受剪性能的影響研究

安濤

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 引言

眾所周知，剪切破壞是典型的脆性破壞，在破壞發(fā)生時沒有明顯的征兆，極易造成重大安全事故[1]。1955年，美國W ilkins空軍倉庫發(fā)生屋頂垮塌事故，調查結果表明，屋頂?shù)臒o腹筋梁所發(fā)生的剪切破壞是事故發(fā)生的最直接原因[2]。由于鋼筋混凝土構件的剪切破壞受到眾多因素的影響，受力機理復雜，使得剪切破壞問題成為混凝土結構中最具特色的問題[3]。

縱向受拉鋼筋在無腹筋梁抗剪中能為構件提供一定的“銷栓作用”，同時，能夠有效抑制斜裂縫的發(fā)展并改善裂縫表面的剪力傳遞性能。Kani[4]在試驗中發(fā)現(xiàn)，當縱筋配筋率由0.8%提高到2.8%時，梁試件的受剪承載力提高了約1倍；Krefeld等[5]提出，無腹筋鋼筋混凝土梁的剪切抗力，主要由未開裂區(qū)混凝土和縱筋的銷栓作用提供，沿縱筋發(fā)生的撕裂破壞是最終破壞的直接原因。

本文通過收集無腹筋混凝土梁的剪切試驗數(shù)據(jù)分析縱筋配筋率對受剪承載能力的影響，基于收集到的719根無腹筋混凝土簡支梁剪切試驗數(shù)據(jù)，評估了我國GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》[6]（2015年版）（以下簡稱《規(guī)范》）在體現(xiàn)縱筋配筋率對受剪承載力的影響的效果。

2 集中荷載下縱筋配筋率對無腹筋簡支梁受剪性能的影響

2.1 縱筋配筋率對無腹筋簡支梁受剪承載力的影響

剪跨比較小時，無腹筋梁通常發(fā)生由混凝土抗壓強度控制的斜壓破壞，受剪承載力較大，中等剪跨比的梁則發(fā)生剪壓破壞[7]。本文主要討論剪跨比λ較大（λ≥2.5）的無腹筋細長梁的剪切破壞機理模型。收集了719根無腹筋鋼筋混凝土簡支梁剪切破壞試驗數(shù)據(jù)來分析縱筋配筋率對無腹筋鋼筋混凝土細長梁受剪承載力的影響及影響程度。表1給出了719根試驗梁各參數(shù)變化范圍的統(tǒng)計信息。

表1 719根試驗梁參數(shù)變化范圍

按照單一變量原則，這里選取無量綱變量V/ftbh0作為評估受剪承載能力的指標。基于719根試驗梁數(shù)據(jù)，分析縱筋配筋率與抗剪強度之間的變化關系，結果如圖1所示。

圖1 受剪強度與縱筋配筋率變化關系

從圖1中可以看出，縱筋配筋率對抗剪強度有著顯著的影響，在縱筋配筋率較小時，抗剪強度較低，抗剪強度隨著縱筋配筋率的增加而升高。從受力機理的角度來看，縱向受拉鋼筋在無腹筋梁抗剪中能為結構構件提供一定的“銷栓作用”，有效抑制斜裂縫的發(fā)展并積極改善裂縫表面的剪力傳遞性能。為了考慮剪跨比λ對抗剪強度的影響，這里對文獻[4]中的試驗數(shù)據(jù)進行整理，得出不同剪跨比下受剪強度與縱筋配筋率的變化關系（見圖2）[8]。

圖2 不同剪跨比下受剪強度與縱筋配筋率變化關系

在不同剪跨比條件下，縱筋配筋率對抗剪強度的影響有較大差異。當剪跨比為1.0和2.0時，縱筋配筋率由0.5%增加到2.75%，抗剪強度增長了約3倍，而在剪跨比為2.5時，抗剪強度增長了2倍，而當剪跨比超過了2.5達到3.0時，增長幅度明顯降低，增幅小于2。在相同的配筋率增幅下，小剪跨比條件下抗剪強度的增長幅度比大剪跨比條件下更加顯著。

2.2 我國《規(guī)范》

我國《規(guī)范》給出了受彎構件斜截面受剪承載力計算公式：

式中，Vc為受剪承載力設計值；λ為剪跨比；βh為截面高度影響系數(shù)，0.8≤βh≤1.0；ft為混凝土抗拉強度；b為截面寬度；h0為截面有效高度。

2.3 試驗數(shù)據(jù)與我國《規(guī)范》的對比

為便于評估我國《規(guī)范》在預測受剪承載力時的合理性及穩(wěn)定性，在719根中篩選了218根剪跨比約為3，同時滿足h0≤800 mm的試驗數(shù)據(jù)，來對比《規(guī)范》計算公式預測效果。

圖3中給出了218根無腹筋簡支梁試驗實測數(shù)據(jù)與規(guī)范承載力預測值的對比結果。從圖3可以看出，縱筋配筋率與抗剪強度的在大剪跨比情況下，展現(xiàn)出顯著的非線性變化趨勢。當縱筋配筋率ρ≤1.0%時，隨縱筋配筋率的增大，承載力增長趨勢尤為突出，大部分試驗數(shù)據(jù)結果點落在規(guī)范計算值之下；當縱筋配筋率1.0%＜ρ≤2.0%時，增長趨勢逐漸變緩，但仍有一些數(shù)據(jù)點落在規(guī)范計算值之下；當縱筋配筋率ρ＞2.0%時，增長趨勢趨于平緩，絕大部分數(shù)據(jù)點試驗實測結果大于計算公式預測值。

圖3 集中荷載下無腹筋簡支梁抗剪強度實測值與我國《規(guī)范》預測值對比

3 結論

1）縱向受拉鋼筋在無腹筋梁抗剪中能為構件提供一定的“銷栓作用”，同時，能夠有效抑制斜裂縫的發(fā)展并改善裂縫表面的剪力傳遞性能。在縱筋配筋率較低時，抗剪強度隨縱筋配筋率的增加而顯著升高，當縱筋配筋率增加到一定程度時，抗剪強度的增長幅度逐漸平緩。

2）剪跨比對提高縱筋配筋率產生的增幅有顯著影響，不同剪跨比下縱筋配筋率對抗剪強度的影響有較大差異；

3）我國《規(guī)范》在預測較小縱筋配筋率無腹筋混凝土構件受剪承載力時偏于不安全，特別是在縱筋配筋率小于0.10%時尤為顯著，與此同時，配筋率逐漸增大時，試件的破壞形態(tài)也會隨之發(fā)生改變。