梁受力计算

第5章 受弯构件斜截面承载力计算1．何谓无腹筋梁？简述无腹筋梁斜裂缝形成的过程。

答：不配置腹筋或不按计算配置腹筋的梁称为无腹筋梁。

无腹筋梁的斜截面破坏发生在剪力和弯矩共同作用的区段。

只配置受拉主筋的混凝土简支梁在集中荷载作用下。

当荷载较小，裂缝出现以前，可以把钢筋混凝土梁看作匀质弹性体，按材料力学的方法进行分析。

随着荷载增加，当主拉应力值超过复合受力下混凝土抗拉极限强度时，首先在梁的剪拉区底部出现垂直裂缝，而后在垂直裂缝的顶部沿着与主拉应力垂直的方向向集中荷载作用点发展并形成几条斜裂缝，当荷载增加到一定程度时，在几条斜裂缝中形成一条主斜裂缝。

此后，随荷载继续增加，剪压区高度不断减小，剪压区的混凝土在剪应力和压应力的共同作用下达到复合应力状态下的极限强度，导致梁失去承载能力而破坏。

2．无腹筋梁斜截面受剪破坏的主要形态有哪几种？破坏发生的条件及特点如何？ 答：无腹筋梁斜截面受剪破坏的主要形态有斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏三种类型。

如图题2所示。

（1）斜压破坏这种破坏多发生在集中荷载距支座较近，且剪力大而弯矩小的区段，即剪跨比比较小（1<λ）时，或者剪跨比适中，但腹筋配置量过多，以及腹板宽度较窄的T 形或I 形梁。

由于剪应力起主要作用，破坏过程中，先是在梁腹部出现多条密集而大体平行的斜裂缝（称为腹剪裂缝）。

随着荷载增加，梁腹部被这些斜裂缝分割成若干个斜向短柱，当混凝土中的压应力超过其抗压强度时，发生类似受压短柱的破坏，此时箍筋应力一般达不到屈服强度。

（2）剪压破坏这种破坏常发生在剪跨比适中（31<<λ），且腹筋配置量适当时，是最典型的斜截面受剪破坏。

这种破坏过程是，首先在剪弯区出现弯曲垂直裂缝，然后斜向延伸，形成较宽的主裂缝—临界斜裂缝，随着荷载的增大，斜裂缝向荷载作用点缓慢发展，剪压区高度不断减小，斜裂缝的宽度逐渐加宽，与斜裂缝相交的箍筋应力也随之增大，破坏时，受压区混凝土在正应力和剪应力的共同作用下被压碎，且受压区混凝土有明显的压坏现象，此时箍筋的应力到达屈服强度。

（3）斜拉破坏题图2(a) 破坏形态(b) 荷载-挠度曲线这种破坏发生在剪跨比较大（3>λ），且箍筋配置量过少的情况，其破坏特点是，破坏过程急速且突然，当斜裂缝在粱腹部出现，很快就向上下延伸，形成临界斜裂缝，将梁劈裂为两部分而破坏，且往往伴随产生沿纵筋的撕裂裂缝。

破坏荷载与开裂荷载很接近。

与适筋梁正截面破坏相比较，斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏时梁的变形要小，且具有脆性破坏的特征，尤其是斜拉破坏，破坏前梁的变形很小，有较明显的脆性。

试验表明，无论简支梁还是连续梁或约束梁均有斜拉破坏、剪压破坏和斜压破坏三种受剪破坏形态。

3．影响无腹筋简支梁斜截面受剪承载力的主要因素有哪些？这些因素是如何影响斜截面受剪承载力？答：影响无腹筋简支梁斜截面受剪承载力的主要因素有：剪跨比、混凝土强度和纵筋配筋率。

（1）剪跨比剪跨比λ定义为：00h a h V a V h V M =⋅⋅=⋅=λ 剪跨比是影响梁斜截面受剪承载力的主要因素之一，它可以决定斜截面破坏的形态。

剪跨比由小到大变化时，破坏形态是不同的。

随着剪跨比增大，破坏时的名义剪应力)/(0bh f V c 值减小。

当剪跨比较小时，对梁受剪承载力的影响较大，随着剪跨比增大，对梁受剪承载力的影响减弱，名义剪应力与剪跨比大致呈双曲线关系。

（2）混凝土强度梁的斜截面破坏都与混凝土强度有密切的关系。

试验表明，在相同剪跨比的条件下，抗剪强度随混凝土强度的提高而增大。

剪跨比不同的梁，其破坏形态也不同，梁的抗剪强度取决于混凝土的抗压强度或抗拉强度。

随着混凝土强度的提高，抗剪强度的提高幅度有较大差别，在大剪跨比的情况下，抗剪强度随混凝土强度的提高而增加的速率低于小剪跨比的情况。

高强混凝土抗拉强度的提高不像其抗压强度提高那么明显。

我国《混凝土结构设计规范》采用混凝土抗拉强度作为受剪承载力计算时的混凝土强度指标。

（3）纵筋配筋率纵筋对受剪承载力的影响主要是直接在横截面承受一定剪力，起“销栓”作用。

同时，纵筋对梁的斜截面受剪承载力也有一定影响。

纵筋能抑制斜裂缝的发展，增大斜裂缝间交互面的剪力传递。

增加纵筋量能加大混凝土剪压区高度，从而间接地提高梁的受剪承载力。

纵筋配筋率对斜截面承载力的影响程度随剪跨比而不同，纵筋配筋率和名义剪应力大体呈线性关系。

剪跨比比较大（3>λ），容易产生撕裂裂缝，使纵筋的“销栓”作用减弱，纵筋的影响不大。

纵筋配筋率较低时，受剪承截力提高较快，纵筋配筋率较高时提高速度减慢。

由于实际工程结构的纵筋配筋率一般小于3%，我国《混凝土结构设计规范》的计算公式中没有考虑纵筋配筋率对抗剪强度的影响。

（4）截面尺寸和形状的影响对无腹筋混凝土受弯构件，随着高度增加斜截面上出现的裂缝宽度加大，裂缝内表面骨料之间的机械咬合作用被削弱，使得接近开裂端部的开裂区拉应力弱化，传递剪应力的能力降低，构件破坏时，斜截面受剪承载力随着构件高度的增加而降低。

因此，截面尺寸是影响斜截面受剪承载力的主要因素之一。

试验研究还表明，当无腹筋梁配有较多分布钢筋时，尺寸效应会消失，说明受拉分布钢筋在一定程度上控制了裂缝的发展。

当配置箍筋后，由于箍筋对开裂的抑制作用，截面高度的影响会减小。

我国《混凝土结构设计规范》规定，对一般板类构件，考虑到随着截面高度增大受剪承载力的降低，在截面高度比较大时，对受剪承载力作了折减修正。

截面形状对受剪承载力也有一定的影响，对T 形、I 字形截面梁，翼缘有利于提高受剪承载力，所以它们的抗剪能力略高于矩形截面梁。

另外，支座约束条件、加载方式（间接加载、直接加载）等对斜截面受剪承载力也有不同程度的影响。

4．简述有腹筋梁的剪力传递机理答：有腹筋梁的剪力传递与无腹筋梁不同。

在斜裂缝尚未形成时，剪力主要由混凝土来传递，而这时箍筋中的应力一般很小。

一旦斜裂缝出现，混凝土传递剪力的能力会突然降低，这时与斜裂缝相交的箍筋中的应力迅速增大，随着荷载进一步增大，斜裂缝数量增加，宽度逐渐加大，此时弯剪区段的受力状态如图题4所示。

一部分剪力由混凝土弧形拱直接传递到支座，而另一部分剪力则由混凝土以斜压形式借助骨料间的咬合力以及箍筋的连接作用向支座方向传递。

斜裂缝出现后被斜裂缝分割成的混凝土块体可以看作一个承受压力的斜压块体，箍筋将混凝土块体连接在一起，共同把剪力传递到支座上。

5．箍筋和弯起钢筋对改善梁的抗剪能力有何作用？ 答：箍筋可以增强和改善梁的抗剪能力。

梁内斜向主拉应力的作用是混凝土沿斜向开裂的主要原因。

所以，为了有效地限制斜裂缝的扩展，箍筋应布置成与斜裂缝正交，其方向应与主拉应力的方向相同。

但是，斜向布置箍筋施工很不方便，所以一般都采用将箍筋垂直布置，且箍筋应在剪弯区段内均匀布置。

由于荷载形式、支承条件以及由此产生的斜裂缝的分布及其发展的影响，每根箍筋的受力是不相同的。

配置弯起钢筋也是提高梁的斜截面受剪承载力的常用方法。

弯起钢筋通常是由纵筋直接弯起，用以限制斜裂缝的扩展。

但是弯起钢筋在弯起处传力较集中，容易引起弯起处混凝土发生劈裂破坏。

所以，在实际设计中宜首先选用箍筋，当需要的箍筋较多时，再考虑使用弯起钢筋。

不应选用梁边缘处的纵筋作弯起钢筋，弯起钢筋的直径也不宜过粗。

6．斜截面受剪承载力计算公式为什么要设置上限和下限（适用范围）？答：斜截面受剪承载力计算公式的上限植，即截面限制条件。

它是为了防止斜压破坏和限制使用阶段的斜裂缝宽度，使得构件的截面尺寸不应过小，配置的腹筋也不应过多。

斜截面受剪承载力计算公式的下限植，即最小箍筋配筋率。

它是为了防止斜拉破坏。

需要注意的是，即使满足最小箍筋配筋率，即不需要按计算配置箍筋，也必须按最小箍筋用量的要求配置构造箍筋，即应满足箍筋最大间距和箍筋最小直径的构造要求。

7．有腹筋连续梁与简支梁比较斜裂缝模型及破坏特征为什么不同，影响有腹筋连续梁的斜截面承载力的因素与简支梁有何异同？答：集中荷载以及均布荷载作用下的连续梁在支座端有负弯矩，在剪弯区段有正负弯矩及存在反弯点（理论弯矩零点）。

由于存在反弯点和负弯矩，破坏时的斜裂缝模型及破坏特征与简支梁有所不同。

影响有腹筋连续梁的斜截面承载力的因素，如混凝土强度等级、纵筋配筋率、剪跨比、截面尺寸、腹筋等，与简支梁相同外，弯矩比ψ（负弯矩-M 与正弯矩+M之比的绝对值）对连续梁的斜截面受题图4 剪力传递机理剪承载力有很大的影响。

连续梁和简支梁的剪跨比也略有区别。

对简支梁而言，剪跨比λ既可以表示为0h a ，又可表示为0Vh M ，即00h a Vh M =；但是对连续梁的剪跨比，由于存在弯矩比，则ψ+⋅=1100h a Vh M 。

通常把0Vh M 称为广义剪跨比，把0h a 称为计算剪跨比。

可以看出，计算剪跨比大于广义剪跨比。

8．连续梁斜截面的破坏特点如何？答：由于正、负两种弯矩的存在，连续梁的破坏特点是：斜裂缝出现后，随着荷载增加按弹性分析在简支梁发生压应变的区域发生了拉应变。

梁在反弯点处的上下纵筋的应变不等于零，而是发生拉应变。

梁在破坏前，在正弯矩区和负弯矩区可能分别出现一条临界斜裂缝，分别向支座及荷载作用点方向发展，由这两条临界斜裂缝所包围的梁体形成混凝土斜压支柱。

破坏时，一种可能是在两条主要斜裂缝中的任一条斜裂缝的顶端的剪压区，发生剪压破坏，混凝土被压碎；另一种可能是在梁体的混凝土斜压支柱内混凝土被压碎，即发生斜压破坏。

在腹筋较少或无腹筋的情况下，也会发生斜拉破坏或劈裂破坏，只出现一条主要斜裂缝。

另外，在整个区段内，纵筋应变多处于拉应变状态，在沿纵筋的较长范围内会产生针脚状斜裂缝，由于这些斜裂缝的发展，使包围纵筋的外部混凝土保护层脱落，形成粘结开裂。

这种裂缝扩展到剪压区使混凝土受压区高度减小，混凝土的压应力和剪应力相应增大，这些变化使连续梁的抗剪强度要比简支梁的抗剪强度低。

集中荷载作用下的连续梁，当支座负弯矩大于跨中正弯矩时，剪切破坏常发生在负弯矩区段；反之，破坏常发生在正弯矩区段。

梁截面尺寸、配筋及材料相同时，集中荷载作用下连续梁的斜截面承载力要比相同剪跨比的简支梁低，且剪跨比越小，其差别越大。

均布荷载作用下的连续梁，其破坏特征与简支梁也不相同。

当弯矩比ψ小于1时，临界斜裂缝出现在跨中正弯矩区段，且其抗剪强度随弯矩比增大而提高。

当弯矩比ψ大于1时，这时剪切破坏常发生在负弯矩区段，梁的斜截面承载力随着弯矩比的加大而降低。

与集中荷载作用不同，作用在梁顶的均布荷载，对混凝土保护层有侧压作用，加强了钢筋和混凝土之间的粘结。

因此，在负弯矩区段，受拉纵筋尚未屈服时很少出现沿受拉纵筋方向的粘结裂缝。

在跨中正弯矩区段，受拉纵筋位置上的粘结裂缝也不严重。

在工程中常见的跨高比和弯矩比的范围内，均布荷载作用下的连续梁，在负弯矩区段发生剪切破坏时支座截面抗剪强度大于集中荷载作用下简支梁的抗剪强度。