受彎構(gòu)件斜截面破壞的機(jī)理與研究

1、高等結(jié)構(gòu)試驗(yàn) 學(xué)院：土木工程學(xué)院 班級(jí)： 5班姓名：魏亞男 學(xué)號(hào)：1622071187受彎構(gòu)件斜截面破壞的機(jī)理與研究 本科的時(shí)候由于學(xué)習(xí)過混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理這門課程，所以對(duì)受彎構(gòu)件的斜截面的承載力和受剪破壞形態(tài)有一定的了解。現(xiàn)在上了高等結(jié)構(gòu)試驗(yàn)這門課程，著重對(duì)試件的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析和從根本上有更為深入的理解。今天去觀察了庭院內(nèi)往屆師兄做過的試驗(yàn)構(gòu)件，也讓我對(duì)試驗(yàn)的破壞形態(tài)有了更近一步的研究。如圖可以很直觀的觀察到梁的端部有一條斜裂縫的存在。由混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理可知，鋼筋混凝土梁在剪力和彎矩共同作用的剪彎區(qū)段內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生斜裂縫。斜截面受剪破壞主要有三種形態(tài)，斜壓破壞，剪壓破壞和斜拉破壞，而這三種破

2、壞都是在無(wú)腹筋梁或者箍筋數(shù)量配置過少時(shí)產(chǎn)生的。 鋼筋混凝土受彎構(gòu)件斜截面破壞理論分析 無(wú)腹筋梁斜裂縫受力情況與破壞形態(tài) 在鋼筋混凝土梁中，我們一般把箍筋和彎起（斜）鋼筋統(tǒng)稱為梁的腹筋。把配有縱向受力鋼筋和腹筋的梁稱為有腹梁筋，而把僅有縱向受力鋼筋而不設(shè)腹筋的梁稱為無(wú)腹筋梁，現(xiàn)先從相對(duì)較簡(jiǎn)單的無(wú)腹筋梁入手分析。 斜裂縫出現(xiàn)前構(gòu)件的受力狀態(tài) 下圖為一個(gè)只配設(shè)受拉主筋（無(wú)腹筋）的矩形截面簡(jiǎn)支梁，現(xiàn)研究其在剪力和彎矩共同作用下的典型破壞過程。梁上作用有兩個(gè)對(duì)稱的集中荷載，荷載和支座之間的剪力 V 為一常數(shù)，彎矩為線性變化。圖中 AC 段和 DB 段稱為剪彎段，長(zhǎng)度 a 為剪跨，與截面有效高度h0 之比

3、稱為剪跨比（=h0/ a ），CD 段稱為純彎段。當(dāng)梁上荷載較小時(shí)，裂縫尚未出現(xiàn)，鋼筋和混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系都處在彈性階段，所以，把梁近似看作勻質(zhì)彈性體，可用材料力學(xué)方法來(lái)分析它的應(yīng)力狀態(tài)。在剪彎區(qū)段截面上任一點(diǎn)都有剪應(yīng)力和正應(yīng)力存在，由單元體應(yīng)力狀態(tài)通過 Mohr 應(yīng)力圓計(jì)算，可以得到各點(diǎn)主應(yīng)力的數(shù)值和方向，并繪制梁的主拉、主壓應(yīng)力軌跡。 從主應(yīng)力軌跡線可以看出，剪彎區(qū)段主拉應(yīng)力方向是傾斜的，與梁軸線的交角約為45度，而在梁的下邊緣主拉應(yīng)力方向接近于水平。在矩形截面梁中，主拉應(yīng)力的數(shù)值是沿著某一條主拉應(yīng)力軌跡線自上向下逐步增大的?；炷恋目箟簭?qiáng)度較高，但其抗拉強(qiáng)度較低。斜裂縫出現(xiàn)后的受力狀

4、態(tài)在梁的剪彎段中，當(dāng)主拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)斜裂縫。梁的剪彎段出現(xiàn)斜裂縫后，截面的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了質(zhì)變，或者說(shuō)發(fā)生了應(yīng)力重分布。這時(shí)，不能用材料力學(xué)公式來(lái)計(jì)算梁截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，因?yàn)檫@時(shí)梁已不再是完整的勻質(zhì)彈性梁了。 圖 2.2 為斜裂縫出現(xiàn)前后-和-截面的應(yīng)變分布圖。截面應(yīng)變差異表明，斜裂縫出現(xiàn)后，將梁分成上、下兩個(gè)部分，梁內(nèi)應(yīng)力發(fā)生了重分布，其主要表現(xiàn)為斜裂縫起始端的縱筋拉應(yīng)力突然增大，大部分荷載將由斜裂縫上方的混凝土傳遞，剪壓區(qū)混凝土所受的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力亦顯著增加。8下圖為一根出現(xiàn)斜裂縫后的無(wú)腹筋梁，現(xiàn)沿斜裂縫將梁切開，取左邊隔離體AABCD進(jìn)行受力分析。在隔離體

5、上，外荷載在斜截面AAB 上引起的彎矩為MA 、剪力為QA ，而斜截面上的抵抗力則有：斜截面上端混凝土剪壓面 AA上壓力Dc 和剪力Qc ；縱向鋼筋拉力Ts ；在梁的變形過程中，斜裂縫的兩邊將發(fā)生相對(duì)剪切位移，使斜裂縫面上產(chǎn)生摩擦力以及骨料凹凸不平相互間的骨料咬合力，它們的合力為Sa ；由于斜裂縫兩邊有相對(duì)的上下錯(cuò)動(dòng)，從而使縱向受拉鋼筋受剪，通常稱其為縱筋的銷栓力Qd 。幾種無(wú)腹筋梁斜截面破壞狀態(tài)1. 剪壓破壞狀態(tài) 中等剪跨比（ 1 3 ）的梁，在加載試驗(yàn)過程中的受力變形、裂縫和破壞特點(diǎn)如圖，這種破壞是最常見的斜截面破壞形態(tài)。斜裂縫是從先出現(xiàn)的豎向裂縫斜向延伸出來(lái)的，并隨著荷載的增加向集中荷載

6、的作用點(diǎn)處沿伸，這種斜裂縫可能不止出現(xiàn)一條，但隨著荷載的增加，在眾多的斜裂縫中形成一條延伸較長(zhǎng)、擴(kuò)展較寬的主要斜裂縫。通常稱之為“臨界斜裂縫”。臨界斜裂縫出現(xiàn)后，梁還能繼續(xù)加載，這時(shí)，與斜裂縫相交的腹筋應(yīng)力迅速增長(zhǎng)而達(dá)到屈服強(qiáng)度，荷載主要由剪壓區(qū)的混凝土承受，斜裂縫繼續(xù)向上延伸，剪壓區(qū)面積減小，最后使混凝土在彎矩和剪力的作用下，亦即在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的復(fù)合作用下達(dá)到混凝土復(fù)合受力時(shí)的極限強(qiáng)度而破壞，這時(shí)剪壓區(qū)混凝土有一些水平裂縫和混凝土碎渣。所以，當(dāng)剪壓破壞時(shí)所施加的荷載，明顯地大于斜裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載。 2. 斜壓破壞剪跨比<1時(shí)，荷載靠近支座，梁端豎直方向的正應(yīng)力集中在荷載板和支座面之間

7、的斜向范圍內(nèi)，其數(shù)值遠(yuǎn)大于水平正應(yīng)力和剪應(yīng)力，主壓應(yīng)力方向大致平行于荷載和支座反力的連線。當(dāng)荷載逐漸增大，臨近試件破壞前，首先在梁腹中部出現(xiàn)斜向裂縫，平行于荷載反力連線。此后，裂縫沿同一方向同時(shí)往上和往下延伸，相鄰處出現(xiàn)多條平行的斜裂縫。最終，梁腹中部斜向受壓破壞，其受力模型和破壞特征與軸心壓力作用下的斜向短柱相同，如圖2.5。3. 斜拉破壞剪跨比較大時(shí)，荷載位置離支座已遠(yuǎn)，豎直方向正應(yīng)力對(duì)梁腹部的影響很小。試件加載后，首先跨中純彎段的下部出現(xiàn)受拉裂縫，垂直向上延伸。當(dāng)梁端剪彎段的腹部中間形成 45°的腹剪斜裂縫后，很快地往兩個(gè)方向延伸：裂縫向上發(fā)展，傾斜角漸減，到達(dá)梁的底部將梁切斷

8、；裂縫向下發(fā)展，傾斜角漸增，到達(dá)受拉鋼筋的梁底處，裂縫已是豎直方向。斜裂縫的下部在荷載作用下往下移動(dòng)，帶動(dòng)受拉鋼筋，使梁的端部沿鋼筋上皮把混凝土保護(hù)層撕裂。造成最終破壞的斜裂縫是主拉應(yīng)力控制的混凝土拉斷破壞，如圖2.6。 有腹筋簡(jiǎn)支梁斜裂縫受力分析及彎剪承載力計(jì)算 配置箍筋的梁的受力分析 由上一節(jié)知識(shí)可知，無(wú)腹筋梁的彎剪承載力十分有限，若不足以抵抗荷載產(chǎn)生的剪力時(shí)，設(shè)置橫向箍筋是很有效的措施。同時(shí)，箍筋還起到固定構(gòu)件縱筋位置、承受長(zhǎng)期溫度應(yīng)力、減小裂縫寬度等作用。配置箍筋的鋼筋混凝土梁，在臨近界限荷載時(shí)，梁端剪跨段內(nèi)各箍筋的實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變分布狀況如圖 2.7。當(dāng)荷載P很小混凝土未開裂之前，箍筋中

9、的應(yīng)力很小。在配有箍筋試驗(yàn)梁的荷載試驗(yàn)中，觀察到的箍筋實(shí)測(cè)應(yīng)力很小圖 2.8:當(dāng)荷載 F=24k N 時(shí)，箍筋實(shí)測(cè)應(yīng)力僅 8MPa。因而，在斜裂縫出現(xiàn)前，箍筋的作用不大。增加梁上荷載，在較大彎矩區(qū)出現(xiàn)豎直方向的受拉裂縫。這種裂縫與箍筋平行，對(duì)箍筋的應(yīng)力影響仍不太大。繼續(xù)增加荷載，受拉裂縫向上延伸，斜角減小，形成彎剪裂縫；靠近支座處則出現(xiàn)傾斜的腹剪裂縫，并往上、下兩邊延伸。當(dāng)這些裂縫與箍筋相交后，箍筋的應(yīng)力突然增大。隨著斜裂縫的加寬和延伸，箍筋的應(yīng)力繼續(xù)增大，又有箍筋出現(xiàn)應(yīng)力突增。致使各個(gè)箍筋應(yīng)力值各不相同，即使同一箍筋的應(yīng)力沿長(zhǎng)度（截面高度）方向的分布也很不均勻，完全取決于斜裂縫的位置和開展程

10、度，在支座范圍及其附近的箍筋由于受到支座反力的作用，可能承受壓應(yīng)力。 構(gòu)件臨近破壞時(shí)，靠近腹剪裂縫最寬處的箍筋首先屈服，雖維持屈服應(yīng)力，但已不能限制斜裂縫的發(fā)展。隨之，相鄰的箍筋相繼屈服，斜裂縫寬度沿全長(zhǎng)增大，骨料咬合作用減弱。最終，斜裂縫上端的混凝土在正應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用下破壞，同樣形成剪壓破壞形態(tài)。在破壞后的斜裂縫最寬處可以看到箍筋被拉斷，斷口有明顯的頸縮現(xiàn)象。2 .斜筋的作用起鋼筋進(jìn)入截面上部，并穿過支座，可作為連續(xù)梁的抗彎矩主筋。彎起部分設(shè)在梁內(nèi)的適當(dāng)位置，斜裂縫與之相交后受到鋼筋的約束，裂縫的發(fā)展被減緩，增大了構(gòu)件的彎剪承載力。 彎剪鋼筋的抗剪作用和箍筋相似：斜裂縫出現(xiàn)前影響很小

11、；斜裂縫延伸并穿越彎起鋼筋時(shí)，應(yīng)力突增；沿彎起鋼筋的長(zhǎng)度方向，應(yīng)力隨裂縫的位置而變化；構(gòu)件被破壞時(shí)，與斜裂縫相交的彎起鋼筋可能達(dá)到屈服，取決與裂縫的位置和寬度。 綜上可見，配置箍筋是提高梁抗剪承載力的有效措施。箍筋一般是沿梁剪跨布置的，在梁的剪跨范圍內(nèi)只要出現(xiàn)斜裂縫，相應(yīng)部位的箍筋就發(fā)揮作用。彎起鋼筋或斜筋只有與臨界斜裂縫相交后才能發(fā)揮作用，可以提高梁的抗剪承載力。試驗(yàn)證明，梁的抗剪承載力隨彎筋面積的加大而提高，兩者呈線性關(guān)系。彎筋僅在穿越斜裂縫的部位才可能屈服。當(dāng)彎筋恰好從斜裂縫頂端越過時(shí)，因接近受壓區(qū)，彎筋有可能達(dá)不到屈服強(qiáng)度，計(jì)算時(shí)要考慮這個(gè)因素。彎起鋼筋雖能提高梁的抗剪承載力，但數(shù)量少而面積集中，對(duì)限制大范圍內(nèi)的斜裂縫寬度的作用不大，所以，彎筋不宜單獨(dú)使用，而總是與箍筋聯(lián)合使用。 設(shè)置