《水工受剪构件》PPT课件.ppt

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1、水工钢筋混凝土结构,第五章 受弯构件斜截面的承载能力,一、概述 1.剪切破坏的产生 钢筋混凝土梁在荷载作用下有两种主要的破坏：在梁的受弯区段内，产生正截面受弯破坏；在梁的剪弯区段内，产生斜截面受剪破坏 或斜截面受弯破坏。,第一节 斜截面的破坏形态和受剪机理,根据材料力学原理,梁任意处的主应力可由下式计算:当梁混凝土的主拉应力t ft 时，剪弯段将出现斜裂缝。,根据截面上的弯矩M和剪力V的变化情况，梁上可能出现下列类型的斜裂缝：（1）在截面中部首先出现的斜裂缝（腹剪裂缝）；（2）由梁下部的弯曲裂缝变化产生的斜裂缝(弯剪裂缝)。梁中和轴附近的正应力小，剪应力大，由此产生的主拉应力方向大致为45。当

2、拉应变达到混凝土的极限拉应变值时，梁腹部出现沿主压应力迹线的斜裂缝（腹剪斜裂缝）。裂缝呈中间宽两头细的形状，薄腹梁中较为多见。梁剪弯区段下边缘，主拉应力基本为水平向。这些区段先出较短的垂直裂缝，然后延伸成斜裂缝（弯剪斜裂缝），并向集中荷载作用点扩展。裂缝呈上细下宽的形状，是最常见的。,二、剪跨比和配箍率的概念1.剪跨比 剪跨比l是指剪弯段同一截面上弯矩M 和剪力V 的比值，也即反映了同一截面上正应力与剪应力的相对大小。剪跨比有两种：a.广义剪跨比（用于均布荷载）b.计算剪跨比（用于集中荷载）因a 称为“剪跨”，故l称为剪跨比。大量的试验结果证明了剪跨比对构件抗剪承载力有非常明显的影响。,2.配

3、箍率rsv 在箍筋的一个间距范围内，箍筋各肢的总截面积与混凝土水平截面面积的比值，即 配箍率rsv 是衡量梁抗剪承载能力的重要指标。,三、简支无腹筋梁的抗剪机制 梁的抗弯能力可写成 若力臂y为常数，则拉力沿构件长度是变化的，构件的抗弯与抗剪机制为梁机制，剪力以剪应力的形式传向支座。若合力T为常数，则拉力沿构件长度是不变的，构件的抗弯与抗剪机制为拱机制，剪力以压力的形式传向支座。,四、无腹筋梁斜截面受剪破坏的主要形态 斜拉破坏：常发生在剪跨比较大(l3)时，破坏是由梁中主拉应力超过混凝土抗拉强度所致，与正截面承载力的少筋破坏相似。其特点是当垂直裂缝一转为斜裂缝，即迅速向受压区斜向扩展，斜截面承载

4、力随之丧失。剪压破坏：多发生在梁剪跨比一般(1l3)时，破坏是由剪压区压应力和剪应力共同作用所致，与正截面承载力的适筋破坏相似。其特点是，在荷载的作用下，剪弯段的弯曲裂缝斜向扩展成斜裂缝，最后形成主要斜裂缝临界斜裂缝，临界斜裂缝的迅速扩展导致剪压区混凝土破坏，斜截面丧失承载力。,斜压破坏：多发生在剪跨比较小(l1)时，破坏是由梁中主压应力超过混凝土抗压强度所致，与正截面承载力的超筋破坏相似。破坏时，混凝土被腹剪斜裂缝分割成若干个斜向短柱而被压坏，破坏是突然发生。右图为三种破坏形态的荷载-挠度（P-f）曲线图，从图中曲线可见，各种破坏形态的斜截面承载力各不相同，斜压破坏时最大，其次为剪压，斜拉最

5、小。它们在达到峰值荷载时，跨中挠度都不大，破坏后荷载都会迅速下降，表明它们都属脆性破坏类型，而其中尤以斜拉破坏为甚。,五、斜截面的抗剪机理 1.无腹筋受剪构件的抗剪机理 以剪压破坏为例(相对于斜压破坏和斜拉破坏，它更能给出破坏预兆)，给出无腹筋受剪构件的脱离体上静力平衡条件（假定斜裂缝为平直的）。,Vd 销栓力，随着裂缝的发展逐渐增大Vi 咬合力，随着裂缝的发展逐渐减小Vc 压区抗剪力；Cc 压区抗压力Ts 钢筋抗拉力,2.有腹筋受剪构件的抗剪机理（1）箍筋的作用 开裂前构件的受力性能与无腹筋梁相似，腹筋中的应力很小；当tpmaxft时，梁的剪弯段开裂，出现斜裂缝；开裂后，腹筋的应力增大，限制

6、了斜裂缝的发展，保留更大的混凝土剪压区用于承受剪力，同时也提高了骨料间的咬合力和纵筋的销拴力，因而提高了钢筋混凝土梁的抗剪承载力。2.破坏形态 与无腹筋梁类似，有腹筋梁的斜截面受剪破坏形态主要有三种：斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏。当l 3且箍筋配置的数量过少，将发生斜拉破坏；如l 3，但箍筋的配置数量适当，则可避免斜拉破坏，而发生剪压破坏；,当1 l 3但箍筋的配置数量过多，一般会发生斜压破坏。当l 1或箍筋的配置数量过多，会发生斜压破坏。对有腹筋梁来说，只要其截面尺寸合适，腹筋配置数量适当，最常见的斜截面受剪破坏形态是剪压破坏，也就是可通过调整腹筋的配置量来控制斜截面受剪破坏形态。腹筋有两种

7、：弯起钢筋、箍筋 弯起钢筋：受力直接、对斜裂缝约束作用强；但受力不均匀、无法限制双向斜裂缝。箍筋：与斜裂缝有夹角，受力不直接、对斜裂缝约束作用较强、箍筋布置较均匀、可限制双向斜裂缝。,一、构件的剪跨比 计算剪跨比la/h0（集中荷载到支座距离a与截面有效高度h0之比）及广义剪跨比lM/(Vh0)（截面弯矩M与剪力V和截面有效高度h0乘积的比值）剪跨比(S0/bh0y0)反映正应力与剪应力的比值关系，剪跨比越大，抗剪承载力越低，但l3，剪跨比的影响不再明显。二、混凝土强度 斜压破坏的承载力取决于混凝土的fc；斜拉破坏的承载力取决于混凝土的ft；剪压破坏的承载力取决于混凝土合强度。受剪承载力随混凝

8、土强度等级的提高而提高。,第二节 影响斜截面受剪承载力的主要因素,三、纵筋的配筋率 试验结果表明，纵向受拉钢筋可约束斜裂缝的扩展，增大剪压区面积，所以受剪承载力随纵向钢筋配筋率r的提高而增大。四、截面尺寸的影响 无腹筋构件的截面尺寸对受剪承载力有较大的影响，大量的试验结果表明，在其他参数（混凝土强度、纵筋配筋率、剪跨比）保持不变时，随梁高的增大或高宽比的加大，梁的受剪承载力则有所下降。有腹筋构件的截面尺寸影响将会减小。五、截面形状的影响 T形截面梁翼缘大小对受剪承载力有一定影响；增加翼缘宽度，可提高T形梁的受剪承载力。但翼缘过宽或过薄，受剪承载力的提高幅度就趋于平缓。,六、有腹筋梁抗剪承载力的

9、影响因素 影响有腹筋梁抗剪承载力的因素与无腹筋梁的大体相同，但剪跨比的影响程度不一样；同时存在箍筋用量及箍筋强度对梁的抗剪承载力的影响等。有腹筋梁出现斜裂缝后，箍筋可直接承受相当部分的剪力且能有效地抑制斜裂缝的开展和扩展，能提高剪压区混凝土的抗剪能力和纵向钢筋的销栓作用。大量试验表明，在正常的配箍范围内，梁的受剪承载力随配箍量和箍筋强度的提高而有较大幅度的增长。,配箍量用配箍率rsv(箍筋配筋率)表示，即 当其它条件相同时，受剪承载力与配箍率成线性关系。因剪切破坏属脆性破坏，为提高延性，不宜采用高强钢筋作箍筋。,一、计算原则 斜截面设计的方法 剪压破坏:采用斜截面承载力计算；斜压破坏:限制截面

10、最小尺寸喝混凝土强度；斜拉破坏：限制最小配箍率。承载力计算的基本假设 以剪压破坏为依据建立斜截面承载力计算公式。公式形式：Vu=Vc+Vsv+Vsb 公式来源：对实验结果进行的回归分析。公式依据：根据结构可靠度的要求进行简化；并考虑 斜截面裂缝对结构安全和耐久性的影响。,第三节 斜截面受剪承载力计算,腹筋的作用 斜裂缝处的腹筋可认为已达到屈服强度，无斜裂缝处的腹筋应力很低，故应考虑腹筋应力的不均匀性。剪跨比的应用 仅对承受集中荷载或主要承受集中荷载的钢筋混凝土梁考虑剪跨比的影响。,二、斜截面抗剪承载力的计算公式 梁一侧脱离体上的受力条件见下图：由结构计算简图的竖向静力平衡条件可导出：有箍筋时

11、有箍筋和弯筋时,将大量的试验数据以相对名义剪应力Vcs/fcbh0和配箍特征指数svfsv/fc作为统计分析变量，将试验结果点绘在座标图上，经过回归分析计算，试件的Vcs/fcbh0与其svfsv/fc基本成线性关系，设计规范取试验结果回归曲线的下包线作为设计计算的依据：,（一）一般荷载下Vcs的计算公式 承受一般荷载（以分布荷载为主）的矩形、T形与I形截面钢筋混凝土梁的计算公式为：（二）集中荷载下Vcs的计算公式 承受集中荷载（或以集中荷载为主）的矩形截面钢筋混凝土梁的计算公式为：式中：b梁截面宽度；h0梁截面有效高度；l梁的计算剪跨比；s 两排箍筋间的水平距离；Asv同一截面处箍筋的水平方

12、向的截面面积；fc 混凝土轴心抗压强度；fyv箍筋的抗拉强度。,（三）弯起钢筋的抗剪作用Vsb 弯起钢筋的拉力在竖向的分力就是弯起钢筋的抗剪作用，由计算模型有：Asb 同一弯起平面内弯起钢筋的总面积；fy 弯起钢筋的抗拉强度；a 弯起钢筋与构件纵向轴线的夹角。,弯起钢筋的设计剪力与弯起钢筋的位置有关，由于弯起钢筋控制剪力的范围为弯起钢筋的水平距离箍筋的最大间距；所以梁上除由箍筋及混凝土的抗剪能力Vcs所控制的区域外，其他区域应由弯筋控制，弯筋的排数应由该区域的大小和一排弯筋的控制范围确定。当弯筋的面积一样时，其抗剪能力是相同的。因此弯筋的配置有两种：等面积布置和不等面积布置。三、计算截面的位置

13、 a.支座边缘处截面1-1 b.纵筋弯起点处截面2-2 c.箍筋面积或间距改变处截面3-3 d.腹板宽度改变处截面,四、计算公式的适用范围（a）为防止箍筋配置太多而产生斜压破坏，同时控制梁的斜裂缝宽度，需对梁截面尺寸作限制：当 hw/b 4 时 当 hw/b6 时 当 4hw/b6时 按线性插值 注意：在对T 形或I 形截面的简支受弯构件进行设计时，当有实际经验和理论依据时，梁截面尺寸的限制放宽到：梁最大配箍率是与截面的最大尺寸有关的，依据上述截面的限制条件，可得到梁最大配箍率为rsvmax0.144fc/fsv。上式中的腹板高度为,（b）如箍筋配置太少或其间距过大，梁斜裂缝出现后，箍筋立即屈

14、服，随即发生斜拉破坏；所以需控制箍筋的最小配箍率：箍筋为HPB235钢筋时 箍筋为HRB335钢筋时,箍筋的最大间距和最小直径限值表,五、按构造配筋的条件（a）满足下列条件时，不需进行抗剪承载力计算，仅需按构造要求配置箍筋：(以分布荷载为主时)(以集中荷载为主时),七、抗剪设计的计算方法和步骤（a）截面设计：,（b）截面校核：,八、板的斜截面承载力抗剪计算 一般的钢筋混凝土板不需进行斜截面承载力抗剪计算；而承受较大荷载的中厚板则通过设置弯筋来提高斜截面承载力，此时板的抗剪承载力按下式计算：为限制弯筋数量和板斜裂缝的宽度，要求Asbfysin0.08fcbh0,第四节 斜截面受弯承载力,一、问题

15、的产生 在实际工程中，为了节约钢筋或用于抵抗剪力，支座处部分纵筋向上弯起，支座上方的纵筋还需截断，这可能引起斜截面的受弯承载力不足。由图示简支梁脱离体可知：按照跨中截面的最大弯矩Mmax所配置的钢筋，只要在梁全长内不截断也不弯起，就可以满足任何斜截面上的弯矩Mn；但在纵筋截断或弯起截面，其斜截面受弯承载力就有可能不足。,二、抵抗弯矩图 抵抗弯矩图就是以各截面实际纵向受拉钢筋所能承受的弯矩为纵坐标，以相应的截面位置为横坐标，所作出的弯矩图（或称材料图），简称MD图。当梁的截面尺寸，材料强度及钢筋截面面积确定后，某截面的抵抗弯矩值，可由下式确定,(一)纵筋切断时 由图示的外伸梁的弯矩图可知，在红点

16、处，可以不用F18 钢筋来承受弯矩，因此此点为F18 钢筋的理论切断点，同时又是2F 14钢筋（上部）或2F18钢筋（下部）的充分利用点。由于钢筋的拉力是通过,粘结锚固作用产生的，因此钢筋应在理论切断点外（距离为钢筋的la）的某个点处予以切断，此点则为钢筋的实际切断点。由于钢筋切断后，其拉力完全消失，此钢筋对抵抗弯矩完全没有作用，因此在抵抗弯矩图上，此钢筋的抵抗弯矩为一条垂直线段。,(二)纵筋弯起时 从理论上而言，纵筋可在其不需要点（理论切断点）处弯起，但由于斜截面抗弯的要求（见下部分），纵筋的弯起点应在其不需要点外的某处；同时应保证另一个弯起点也应在弯矩包络图之外。由于纵筋是由受拉区弯向受压

17、区的，故纵筋部分受拉部分受压，但只有纵筋受拉时才会对抗弯起作用，因此当纵筋到达受压区后，其抗弯能力为零。由此可知，弯起后的纵筋的抗弯能力是一个变量，考虑到计算绘图的方便，将弯起纵筋的抗弯能力视为一线性变量，起弯点处为最大值，弯起钢筋与梁受压区的交点处为零。弯起钢筋的抵抗弯矩为一条斜线段。,由于梁上的受压区在各截面处是不同的，同时纵筋在靠近受压区时的拉力也较小，因此规范从方便设计的角度出发，将梁受压区的下边缘定义在梁的纵轴线处。三.纵筋的弯起 1.斜截面抗弯的要求：纵筋弯起前正截面的抗弯能力：MI=fy As z 纵筋弯起后斜截面的抗弯能力：MII=fy(As-Asb)z+fyAsbzb 保证斜

18、截面抗弯能力不降低：即MIIMIzbz 由下图所示的几何关系：zsb=asinas+zcosas 由此导出：a（1-cosas）z/sinas=0.9（1-cosas）h0/sinas 当as取450 600时，a(0.3730.52)h0 因此规范取(弯起点至充分利用点)：ah0/2,2.斜截面抗剪的要求：如果弯起钢筋用于抗剪，为保证斜裂缝不出现在两排弯起钢筋之间，因此必须限制弯起钢筋的间距.规范规定：钢筋的起弯点至终弯点的距离Smax（箍筋的最大间距）。,四、纵向钢筋的截断 外伸梁、连续梁或框架梁等负弯矩区内的钢筋，可按弯矩图形的变化，分批截断。但当一次截断较多纵筋时，由于钢筋面积骤减，将

19、使混凝土产生应力集中，将出现裂缝或使裂缝开展宽度过大的现象；若截断钢筋的锚固长度不足，还可能导致斜截面受弯破坏或粘结破坏。在设计时，为了避免发生斜截面受弯破坏，使每一根纵向受力钢筋在结构中发挥其承载力的作用，应从其“强度充分利用截面”外伸一定的长度ldl，依靠这段长度与混凝土的粘结锚固作用维持钢筋以足够的抗力。同时，当一根钢筋由于弯矩图变化，将不考虑其抗力而切断时，从按正截面承载力计算“不需要该钢筋的截面”也须外伸一定的长度ld2，作为受力钢筋应有的构造措施。在结构设计中，应从上述两个条件中确定的较长外伸长度作为纵向受力钢筋的实际延伸长度ld，作为其真正的切断点。,同时，纵筋延伸一段长度再切断

20、，可以保证当弯起钢筋不再起抗弯作用时，已有足够的箍筋穿越斜裂缝区域，以此补偿弯起钢筋的抗弯作用。延伸长度w的大小与所截断钢筋的直径d及其抗拉强度、混凝土的抗拉强度、箍筋间距等有关。1纵向受拉钢筋截断时，从该钢筋强度充分利用截面开始延 伸的长度w，根据剪力V的大小，按下式计算 式中 la-纵向受拉钢筋的最小锚固长度。2纵向受拉钢筋的截断点应延伸至按正截面受弯承载力计算 不需要该钢筋的截面以外，延伸长度w20d(d为所截断钢 筋的直径)纵筋延伸长度w应取上述1、2中的大值。,注：规定1：有斜裂缝时，无斜裂缝时，规定2：考虑实际弯矩图与设计弯矩图的差别及出现斜裂缝 后钢筋应力的重分布，纵筋截断点在任

21、何情况下伸 过理论截断点的距离均不应小于20d。一次截断的钢筋根数不应多于两根。跨中纵向受压钢筋应在理论断点外（延伸长度15d）处切断。,一、纵筋的构造要求(一)纵向受力钢筋在支座中的锚固 1.板下部纵向受力钢筋伸入支座内的la不应小于5d；不满足时，应在钢筋末端制弯钩(级钢筋)或加焊附加横向锚固钢筋。2.梁下部纵向受力钢筋伸入支座内的la应符合下列要求：螺纹钢筋 月牙纹钢筋 光面钢筋 不满足上述规定时，应在梁端将钢筋上弯或采用贴焊钢筋、镦头、焊锚板、将钢筋端部焊接在支座的预埋件上等专门措施。,第五节 配筋构造要求,3连续梁中间支座或框架梁中间节点处的上部纵向受力钢筋应贯穿支座或节点。下部纵向

22、受力钢筋应伸入支座或节点，当计算中不利用其强度时，其伸入长度应符合上述中“2”的规定；当计算中充分利用其强度时，受拉钢筋的伸入长度不应小于钢筋的锚固长度la，受压钢筋的伸入长度不应小于0.7la。纵向受拉钢筋的最小锚固长度表 注:1表中d为钢筋直径；2月牙纹钢筋直径大于25mm时，la应按表中数值增加5d；3当混凝土在凝固过程中易受扰动(如滑模施工)时，la宜适当加长；,4顶层水平钢筋(其下浇筑的新混凝土厚度1m时)的la宜按表中数值乘以1.2；5钢筋间距180mm，保护层厚度80mm时，la可按表中数值乘以0.8 6纵向受拉的I、级钢筋的la不应小于250mm或20d；7表中项次1光面钢筋的

23、la值不包括端部弯钩长度。(二)纵向受力钢筋的接头 梁中钢筋宜采用焊接或机械连接接头。采用焊接接头时，在钢筋接头左右35d且不小于500mm的区段内，受拉钢筋的接头截面积与其总截面的比值不宜超过1/2。采用绑扎搭接接头时，其搭接长度ll应符合下列规定：受拉钢筋：ll 1.20la和300mm；受压钢筋：ll 0.85la和200mm。采用绑扎接头时，从任一接头中心至1.3倍ll内，受拉钢筋接头面积比不宜超过1/4：当接头面积比为1/3或1/2时，钢筋的ll应分别乘以1.1及1.2。受压钢筋的接头比值不宜超过1/2。,(三)架立钢筋的设置要求 为了使纵向受力钢筋与箍筋能够绑扎成骨架，在箍筋四角必

24、须沿梁全长配置纵向钢筋。没有纵向受力钢筋的区段，应设置架立钢筋。当梁的跨度l6m时，架立钢筋的直径不小于10mm。(四)腰筋及拉筋的设置要求 当梁截面高度h700mm时，应在梁两侧沿截面高度每隔300400mm，设置一根直径不小于12mm的纵向构造钢筋。腰筋的作用为限制梁腹因温度收缩变形引起的竖向裂缝宽度以及抵抗可能的扭矩作用。当腰筋间距以不超过其15倍直径，对控制裂缝开展最为有效。两侧腰筋之间应设拉筋连系起来，拉筋的直径可取与箍筋直径相同，间距为箍筋间距的倍数。,二、弯起钢筋的构造要求 当弯起钢筋是由抗剪计算确定时，弯起钢筋的排数和根数由斜截面受剪承载力确定。弯起钢筋的间距不应大于箍筋最大间

25、距。梁跨中纵向受拉钢筋最多弯起2/3，至少应有1/3且不少于2根纵筋(底层两角部钢筋)沿梁底伸入支座。当粱宽较大时，在一个截面内宜同时弯起两根。弯起钢筋的弯角一般为450，当梁高h700mm时，也可取为600。三、箍筋的构造要求(一)箍筋的形式与肢数：箍筋形式为封闭式箍筋。其肢数有双肢、四肢等。箍筋肢数的选取，取决于斜截面受剪承载力计算的需要和梁宽以及一排内纵向钢筋的根数。当梁宽b350mm时，常用双肢箍；当梁宽b350mm时，或纵向受拉钢筋在一排中多于5根(或一排中纵向受压钢筋多于3根)时，应采用四肢箍。,(二)箍筋的直径与间距 箍筋的用量除按计算确定外，还应满足最小配箍率的要求。当配有按计算确定的受压钢筋时，箍筋间距在绑扎骨架中不应大于15d，在焊接骨架中不应大于20d(d为受压钢筋的最小直径)，同时在任何情况下均不应大于400mm。在纵筋绑扎接头的搭接长度范围内，当钢筋受拉时，箍筋间距不应大于5d或100mm,当钢筋受压时，箍筋间距不应大于10d或200mm。,