1、影響斜截面承載力的主要因素和受剪承載力計(jì)算學(xué)號(hào)：2010282100128摘要：影響斜截面承載力的因素很多，因斜截面的抗剪機(jī)理十分 復(fù)雜，有些因素還很難給出確切的定量關(guān)系。本文將在前人研究 的基礎(chǔ)上對(duì)影響混凝土斜截面承載力的因素進(jìn)行分析，并將各國(guó) 梁斜截面受剪承載力計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比。一、前言對(duì)于許多鋼筋混凝土構(gòu)件有時(shí)會(huì)遇到斜截面受剪承載力起控 制作用的情況。混凝土的抗力強(qiáng)度的抗拉強(qiáng)度低，剪跨區(qū)段的彎 矩和剪力引起的主拉應(yīng)力產(chǎn)生斜裂縫，這些斜裂縫隨著荷載的增 加不斷發(fā)展，導(dǎo)致剪跨區(qū)段內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，至今仍沒有 研究得十分透徹（目前混凝土斜截面的抗剪強(qiáng)度仍是根據(jù)實(shí)驗(yàn)資 料進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)得出的半

2、經(jīng)驗(yàn)半理論公式進(jìn)行計(jì)算）。而且由于 影響混凝土斜截面承載力的因素很多，斜截面的抗剪機(jī)理十分復(fù) 雜，人們對(duì)影響鋼筋混凝土梁斜截面的抗剪強(qiáng)度的因素還有著各 種不同的意見。相對(duì)于正截面受彎、受壓承載力計(jì)算而言，斜截 面受剪承載力計(jì)算理論還有很多地方不夠完善，斜截面的破壞機(jī) 理還有待于進(jìn)一步深化。二、影響斜截面抗剪承載力的主要因素剪跨比的影響剪跨比是影響斜截面承載力的一個(gè)主要因素，它甚至可以決 定剪切破壞的形態(tài)。當(dāng)剪跨比較小時(shí)，拱作用比較明顯，此時(shí)梁 的抗剪承載力很大程度上取決于混凝土的抗壓強(qiáng)度（壓、剪復(fù)合 受力）因此可以獲得較高的抗剪能力。當(dāng)剪跨比較大時(shí)，集中荷 載與支座之間不能形成拱作用，此時(shí)梁的

3、抗剪承載力更大程度上 取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度，特別是無腹筋梁，當(dāng)主拉力達(dá)到混凝 土的抗拉強(qiáng)度時(shí)將出現(xiàn)斜裂縫，由于不能形成拱的作用，所以梁 很快發(fā)生斜拉破壞，承載力較低。混凝土強(qiáng)度的影響剪跨區(qū)混凝土處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，不論是取決于混凝土受拉 強(qiáng)度的斜拉破壞，還是主要取決于混凝土受壓強(qiáng)度的斜壓或者剪 壓破壞，都與混凝土的強(qiáng)度有關(guān)。清華大學(xué)所做的五組不同剪跨 比的試驗(yàn)曲線，其斜截面尺寸及配筋均相同，僅混凝土強(qiáng)度不同。 可見抗剪強(qiáng)度是隨著混凝土強(qiáng)度的提高而提高的。大剪跨比情況 下，抗剪強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度提高而增加的速率低于小剪跨比的情 況。因?yàn)樾〖艨缜闆r的抗剪強(qiáng)度主要與混凝土的抗壓強(qiáng)度有關(guān)。 迄今為止，不

4、同國(guó)家的設(shè)計(jì)規(guī)范在反映混凝土強(qiáng)度對(duì)抗剪能力的 影響時(shí)，有的采用抗壓強(qiáng)度，有的采用抗拉強(qiáng)度或相當(dāng)于混凝土 抗拉強(qiáng)度的。究竟采用抗拉強(qiáng)度好還是抗壓強(qiáng)度好目前認(rèn)識(shí)尚不 一致。但有一點(diǎn)應(yīng)注意到，如果抗剪強(qiáng)度的公式采用混凝土抗壓 強(qiáng)度表達(dá)則隨著混凝土的強(qiáng)度的提高，特別是高強(qiáng)混凝土可能會(huì) 過高地估計(jì)抗剪強(qiáng)度，也即是說對(duì)高強(qiáng)混凝土應(yīng)進(jìn)行修正。原因 是當(dāng)抗剪強(qiáng)度要取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)（比如大剪跨比條件 下）高強(qiáng)混凝土抗拉強(qiáng)度的提高并不像抗壓強(qiáng)度提高那么顯著。也就是混凝土的拉、壓強(qiáng)度之比隨著混凝土強(qiáng)度的提高而有逐漸 降低的趨勢(shì)。腹筋的影響有腹筋梁中，腹筋作為抗剪的重要組成部分。特別是梁中箍 筋的抗剪作用主要

5、表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）箍筋有效地固定和支承縱筋，增強(qiáng)了縱筋的銷栓作用， 并可避免支座附近過早地出現(xiàn)撕裂裂縫。（2）與斜裂縫相交的箍筋，在斜截面破壞時(shí)，可以達(dá)到很高 的應(yīng)力水平，甚至屈服。（3）箍筋限制了斜裂縫的擴(kuò)展，使斜裂縫兩側(cè)的骨料咬合作 用得以維持和加強(qiáng)。（4）配箍量較大時(shí)，能夠?qū)炷撂峁﹤?cè)向約束，約束混凝 土的變形能力和抗剪能力均高于非約束混凝土。箍筋對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要取決于配筋率和箍筋的強(qiáng)度。試 驗(yàn)表明當(dāng)配筋率相同時(shí)，梁的抗剪強(qiáng)度隨箍筋強(qiáng)度的提高而提高。 箍筋對(duì)抗剪的貢獻(xiàn)是有前提的，這個(gè)前提就是必須保證箍筋與斜 裂縫相交，否則就不能抗剪。因此箍筋的細(xì)部構(gòu)造是十分重要的， 比如最

6、小配筋率的限制，箍筋最大間距的限制，箍筋最小直徑的 限制等等?？v筋的影響縱筋對(duì)抗剪能力是有影響的，縱筋的配筋率高則縱筋的銷栓 作用強(qiáng)。配筋率小時(shí)，彎曲裂縫和斜裂縫均發(fā)展較快且寬度較大， 導(dǎo)致寬度較大，導(dǎo)致骨料的咬合作用降低。在相同縱筋配筋情況 下，縱筋的強(qiáng)度越高，對(duì)抗剪越有利，但不如配筋率影響顯著。 從不同配筋率無腹筋梁的試驗(yàn)結(jié)果可見縱筋配筋率的影響隨著 的增大而減弱。這是因?yàn)樾〖艨鐣r(shí)，拱作用較明顯，此時(shí)縱筋做 為拱的拉桿，作用非常重要。而對(duì)于大剪跨的情況，容易產(chǎn)生斜 拉破壞，此時(shí)拱作用不明顯，支座附近的混凝土容易產(chǎn)生撕裂裂 縫，從而降低了箍筋的銷栓作用。縱筋在支座附近突然切斷會(huì)是 臨界斜裂縫

7、在縱筋切斷位置產(chǎn)生，降低梁的抗剪強(qiáng)度。所以在縱 筋切斷位置附近宜適當(dāng)加密箍筋。截面的尺寸效應(yīng)我國(guó)港口工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范編制組曾于70年代專門研 究過梁的截面尺寸對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)梁的截面高度從 400mm至1600mm之間變化。試驗(yàn)表明隨著梁截面高度增加抗 剪強(qiáng)度不是線性增加，也就是說對(duì)于梁的抗剪性能而言，截面的 尺寸效應(yīng)是比較明顯的，不考慮這一點(diǎn)，有時(shí)會(huì)過高地估計(jì)了梁 的抗剪強(qiáng)度。Kani的試驗(yàn)結(jié)果也證明了抗剪強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。試件采用無 腹筋梁，梁寬保持不變，高度逐步增大，其它的、均相同。結(jié) 論是：隨著梁高增加，剪應(yīng)力強(qiáng)度逐步降低。當(dāng)由178mm增大 到712mm（增大4倍），剪應(yīng)力

8、強(qiáng)度降低了 25%30%；當(dāng)增加到 1220mm時(shí)與為152mm的試件相比，剪應(yīng)力強(qiáng)度約降低了 41% 目前許多國(guó)家的規(guī)范在抗剪強(qiáng)度計(jì)算方面不同程度上考慮了尺寸效應(yīng)的影響?？v向力的影響當(dāng)承受彎、剪作用的梁同時(shí)承受軸向壓力或者軸向拉力時(shí)， 其抗剪強(qiáng)度要受到軸向力的影響。對(duì)于承受軸向壓力的彎剪構(gòu)件，由于壓應(yīng)力的存在，延緩了 垂直裂縫和斜裂縫的產(chǎn)生，斜裂縫的傾角較大，壓區(qū)面積減小， 抗剪強(qiáng)度明顯降低。軸向力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響可寫為式中：為時(shí)的抗剪強(qiáng)度；為軸力所引起的抗剪強(qiáng)度的增量（軸壓 為正，軸拉為負(fù)）。軸向壓力對(duì)抗剪強(qiáng)度的提高是有限的，當(dāng)壓應(yīng)力過大時(shí)，超過（0.50.6），抗剪強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。支座約

9、束條件的影響以往的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究主要是針對(duì)集中荷載（或等代均布 荷載）作用下的簡(jiǎn)支梁。連續(xù)梁和兩端帶懸臂的外伸梁支座約束 條件與簡(jiǎn)支梁不同，其抗剪性能也有不同之處。連續(xù)梁與外伸梁 一般情況在支座處產(chǎn)生負(fù)彎矩，在跨中處產(chǎn)生正彎矩，在梁中會(huì) 出現(xiàn)反彎點(diǎn)。試驗(yàn)可知，當(dāng)彎矩比時(shí)，裂縫首先在正彎矩區(qū)出現(xiàn)； 當(dāng)時(shí)，裂縫首先在負(fù)彎矩處出現(xiàn)；當(dāng)時(shí)，具有隨機(jī)性。連續(xù)梁或 外伸梁的斜截面破壞形態(tài)也同樣與廣義剪矩比的大小有關(guān)，連續(xù) 梁在集中荷載作用下，其廣義剪跨比，在理論反彎點(diǎn)的兩側(cè)會(huì)出 現(xiàn)兩條大致平行的臨界斜裂縫，分別指向支座和荷載作用點(diǎn)，在 這兩條斜裂縫之間形成一菱形的斜壓體。斜裂縫與縱筋想交后， 沿縱筋又會(huì)

10、出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的粘結(jié)裂縫，隨著荷載增加，粘結(jié)裂縫 連貫成通長(zhǎng)的裂縫，并延伸到支座和荷載作用點(diǎn)附近。粘結(jié)裂縫 的出現(xiàn)會(huì)改變梁截面的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)粘結(jié)裂縫出現(xiàn)前，壓區(qū)混凝 土及鋼筋所受的壓力及和拉筋的拉力相平衡；粘結(jié)撕裂裂縫發(fā)生 后，由于梁頂部縱筋受拉區(qū)延伸，原來的壓筋彎成了拉筋，混凝 土壓力就要和上、下的鋼筋拉力和相平衡。因此壓力加大，進(jìn)而 產(chǎn)生斜截面破壞。對(duì)于連續(xù)梁或外伸梁雖然用廣義剪跨比能更好地區(qū)別斜截面 地破壞形態(tài)，但由于廣義剪跨比地計(jì)算相對(duì)于取計(jì)算剪跨比要復(fù) 雜的多（其中為集中荷載至支座地距離）因此對(duì)于連續(xù)梁或外伸 梁地抗剪承載力計(jì)算有些國(guó)家的規(guī)范不采用廣義剪跨比而采用 計(jì)算剪跨比，我國(guó)規(guī)范

11、就是采用了這種處理方法。試驗(yàn)表明，在 相同剪跨比的條件下，當(dāng)截面尺寸及配筋相同時(shí)連續(xù)梁和外伸梁 的抗剪強(qiáng)度要高于簡(jiǎn)支梁地抗剪強(qiáng)度，因此，這樣處理是偏安全 的。間接加載的影響加載方式對(duì)構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度有一定的影響，如一簡(jiǎn)支梁，當(dāng) 荷載作用在梁的上部時(shí)，稱為直接加載，前面所提到的抗剪試驗(yàn) 研究都是直接加載的情況，當(dāng)剪跨比較小，直接加載時(shí)，拱作用 比較明顯，構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度較高。當(dāng)荷載不是作用在梁的頂部而是作用在梁下部，特別是梁的 形心軸以下，這種情況稱為間接加載。試驗(yàn)證明間接加載時(shí)，構(gòu) 件的抗剪強(qiáng)度要降低。比較這兩種情況可知兩者的剪跨比相同， 但斜截面承載力卻不同，其原因是間接加載時(shí)，即使剪跨比較小

12、的情況供作用也不能形成，易產(chǎn)生斜拉破壞。這個(gè)結(jié)論也可從二 種情況下的應(yīng)力狀態(tài)分析得出，顯然間接加載情況下剪跨區(qū)的主 拉應(yīng)力大于直接加載的情況。工程上有時(shí)會(huì)碰到間接加載的情況，對(duì)于一般情況主、次梁 頂面是等高的，此時(shí)雖與直接加載有一定的區(qū)別但主梁的抗剪強(qiáng) 度降低較小，也就是說次梁如果作用在主梁的壓區(qū)則對(duì)主梁的抗 剪沒有多大影響，但如果次梁作用在主梁的拉區(qū)或者如圖6-15 所示的情況，則主梁的抗剪強(qiáng)度就要降低，此時(shí)應(yīng)在集中荷載附 近增設(shè)附近箍筋或吊筋。重復(fù)加載的影響在許多情況下，結(jié)構(gòu)上作用有重復(fù)荷載，例如車輛、動(dòng)力設(shè) 備荷載等，特別是地震區(qū)的結(jié)構(gòu)，在地震發(fā)生時(shí)重復(fù)加載的影響 更大。當(dāng)斜截面未開裂或

13、者混凝土的名義剪應(yīng)力較小時(shí)，重復(fù)荷載 的作用并沒有引起混凝土抗剪機(jī)構(gòu)的退化，箍筋的應(yīng)力增加很小， 當(dāng)達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)時(shí)應(yīng)力趨于穩(wěn)定。在高強(qiáng)交變循環(huán)荷載作用下，混凝土的名義剪應(yīng)力較大，斜 裂縫寬度較寬。此時(shí)，在交變荷載作用下，混凝土的抗剪機(jī)構(gòu)退 化較快，比如斜裂縫兩側(cè)的骨料咬合作用逐漸減弱，箍筋的應(yīng)力 逐漸增加。隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞破壞的形式最終可能 與斜裂縫相交的箍筋斷裂，其斜截面承載力明顯低于靜載的情況?？傊?，重復(fù)加載對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要取決于應(yīng)力比、荷載 水平、循環(huán)次數(shù)、箍筋的含量和箍筋的表面形狀（是光面還是變 形鋼筋）等。在許多國(guó)家的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中已經(jīng)反映了在地震荷 載（也是一種

14、重復(fù)荷載）作用下構(gòu)件抗剪強(qiáng)度的降低，比如我國(guó) 規(guī)范規(guī)定當(dāng)考慮地震時(shí)，采取在靜力抗剪強(qiáng)度的基礎(chǔ)上打八折的 辦法。也有的國(guó)家規(guī)范規(guī)定當(dāng)考慮地震作用時(shí)，箍筋的細(xì)部構(gòu)造 采用更嚴(yán)格的限制（如配箍率和箍筋間距等），以彌補(bǔ)地震作用 下構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度的降低。三、國(guó)內(nèi)外各規(guī)范斜截面承載力公式1.美國(guó)規(guī)范（ACI318M-1989,1992年修訂版）鋼筋混凝土構(gòu)件：簡(jiǎn)化公式為（1）精確公式為（2）式中參數(shù)不應(yīng)小于1。公式上限：不大于公式下限：當(dāng)總設(shè)計(jì)剪力大于混凝土提供的抗剪強(qiáng)度之半， 要求抗剪鋼筋的最小面積不小于。英國(guó)規(guī)范(BS8110,1990年)(3)(4)(5)式中，為鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度；為混凝土立方強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

15、值，且；為材 料分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)無腹筋構(gòu)件取；為縱筋率，且不大于3；為截面 高度修真系數(shù)，且不小于1。公式上限：在任何情況下不應(yīng)超過與二者的較小值。公式下限：時(shí)，對(duì)梁配最少箍筋。歐洲規(guī)范(Eurocode2)的標(biāo)準(zhǔn)方法，1990年(6)(7)(8)式中，為無腹筋構(gòu)件受剪承載力設(shè)計(jì)值；為抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)基 本值，且；為混凝土圓柱體特征抗壓強(qiáng)度；為材料分項(xiàng)系數(shù)，取 1.5，；。為系數(shù)，取且不小于1。公式的上限：式中為斜壓撐桿混凝土平均壓應(yīng)力，為有效系數(shù)， 為圓柱體的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。4.日本規(guī)范(日本建筑學(xué)會(huì)，1975)(9)式中，為系數(shù)，且，為梁的應(yīng)力中心距，為混凝土的允許剪應(yīng) 力，為鋼箍的抗剪用允許拉應(yīng)

16、力值，且；公式上限：5.新西蘭規(guī)范(MZS3101,1982)(10)(11)(12)式中，為規(guī)定的混凝土抗壓強(qiáng)度；公式上限：公式下限：當(dāng)時(shí)，按構(gòu)造配筋。前蘇聯(lián)規(guī)范(1984年)(13)(14)(15)式中，為混凝土受剪承載力，對(duì)于無腹筋梁，規(guī)范的計(jì)算公式為； 為系數(shù)，為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度；，為與混凝土類別有關(guān)的系數(shù)， 為考慮軸向力(包括預(yù)應(yīng)力)作用的系數(shù)，在所有情況下不得大于 1.5。我國(guó)規(guī)范GB50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件斜 截面受剪承載力計(jì)算公式規(guī)定：一般受彎構(gòu)件，當(dāng)僅配箍筋時(shí)， 其斜截面的受剪承載力應(yīng)滿足：(16)對(duì)集中荷載作用下（包括作用有多種荷載，其中集中荷載對(duì) 支座截面或節(jié)點(diǎn)邊緣所產(chǎn)生的剪力值占總剪力值的75%以上的 情況）的獨(dú)立梁，當(dāng)僅配箍筋時(shí)，其斜截面的受剪承載力應(yīng)滿足：（17）式中為計(jì)算截面剪跨比，當(dāng)時(shí)，取，當(dāng)時(shí)，取。四、總結(jié)（1）影響斜截面承載力的因素很多，主要在以下幾個(gè)方面： 1.剪