钢筋混凝土板的冲切承载力

钢筋混凝土板的冲切承载力丁力1，孙丽萍2，张亚坤3【摘要】依据现有钢筋混凝土板冲切性能试验结果，分析了影响混凝土板冲切破坏及其承载力的主要因素.结果表明，混凝土强度、板的有效高度、冲跨比、荷载作用位置、荷载作用的面积、作用面积的形状及有无抗冲切钢筋、板的配筋率、板两边长度比等对钢筋混凝土板的冲切承载力具有不同程度的影响，提出了采用高强混凝土、钢纤维高强混凝土以及纤维增强聚合物筋以提高钢筋混凝土板开裂荷载、极限冲切承载力和改善钢筋混凝土板冲切延性，以及加强理论分析研究的建议.【期刊名称】河南科学【年(卷),期】2011(029)008【总页数】4【关键词】混凝土板；破坏特征；冲切承载力；影响因素在混凝土结构构件中，支承在柱上的无梁楼板、柱下基础和桩基承台以及承受车轮压力的桥面等结构构件，在集中荷载作用下有可能产生双向剪切破坏，即两个方向形成一个截头锥体，破坏锥体的斜面大体呈45°倾角，通常称这种脆性破坏为冲切破坏[1].钢筋混凝土板由于结构形式简单、传力途径短捷、能充分利用净高空间、板厚减小，并能有效减小结构的总高度，经济效益显著，具有良好的适用性和可变性等优点，已在相关工程领域得到了广泛的应用，因此板在集中荷载作用下的冲切破坏在实际工程中经常遇到.钢筋混凝上板在集中荷载作用下处于典型的局部受力状态，存在剪切应力和弯曲应力的高度集中，一旦结构所承受的荷载效应超过材料容许应力时，便可能发生沿斜截面的脆性破坏，即通常所说的冲切破坏[2].这种破坏非常突然，毫无预告性，在破坏以前没有形成一个完整的屈服机构.冲切破坏属于典型的空间三维受力状态，其影响因素纷繁众多，且开裂后板破坏区的实际受力性能极其复杂.本文对集中荷载作用下钢筋混凝土板的冲切性能进行较为系统的分析研究.1 影响混凝土板冲切承载力的主要因素综合国内外对混凝土板的试验研究结果及理论分析可知，影响混凝土板冲切承载力的主要因素有：混凝土强度、板的有效高度、冲跨比、荷载作用位置、荷载作用的面积、作用面积的形状及有无抗冲切钢筋、板的配筋率、板两边长度比等.1.1 混凝土强度对冲切承载力的影响文献［3］进行了25块集中荷载下无腹筋钢筋混凝土四边简支整浇双向板的剪切试验.结果表明，混凝土强度越高，板的抗冲切承载力越高，且抗冲切承载力和混凝土的抗拉强度成线性关系.文献［4］通过7块宽跨比为1.0～1.37的钢筋混凝土板试验，研究了混凝土强度与板受剪承载力的关系，结果表明：混凝土强度愈高，混凝土轴向抗压强度fc愈大，受剪承载力也愈高，大致呈线性关系，这与文献［5］的试验结果是一致的，但也有文献指出，当混凝土的标号大于400号（相当于现在的C 38以上的混凝土）时，冲切承载力不再随混凝土等级的提高而提高.从各种强度等级的混凝土应力－应变曲线可以看出，随着混凝土强度的提高，其应力－应变曲线的下降段的坡度愈陡，也就是说，应力下降相同幅度时变形愈小，延性愈差.因此，笔者认为，靠提高混凝土强度来提高混凝土板极限承载力的同时，势必会导致板脆性不同程度的增加，也就是说，板的破坏会显得更脆.1.2 板的有效高度、冲跨比对冲切承载力的影响板的有效高度是指受力钢筋合力作用中心到板的受压区混凝土外边缘的距离，通常用h0表示.用h表示板的厚度，as表示受力钢筋合力中心到受拉区外边缘的距离，那么板的有效高度h0可表示为：h0=h-as.文献[4]的试验结果表明，钢筋混凝土板的厚度h愈大，板的受剪承载力越高，二者大致呈线性关系.文献［3］的试验结果也表明，抗冲切承载力随板厚的增加而提高，两者为线性关系.可见，随着板厚度的增加，钢筋混凝土板的受剪承载力和冲切承载力都有增大的趋势.分析其原因，主要是由于：①在集中荷载的临界周长不变的情况下，板厚h越大，临界截面积越大，从而板所能承受的极限荷载越大；②大量试验表明，混凝土板在冲切破坏之前板面已经产生大量弯曲裂缝和挠度，冲切破坏是在剪力和弯矩联合作用下的一种破坏形式[6]，板的有效高度h0越大的板其单位宽度（1 m）范围内的截面惯性矩Iz越大（Iz=bh3/12），因此，有效高度大的板的拉区外边缘的拉应力较相同条件下有效高度小的板的要小，从而提高了钢筋混凝土板的冲切承载力.冲跨是指冲切荷载中心至支座边缘的距离，用a来表示.用h0表示板的有效高度，那么冲跨比定义为冲跨和有效高度的比值，用λp表示，即λp=a/h0.文献［4］的试验研究结果表明，随着剪跨比的增大，板的承载力逐渐降低，二者大概呈双曲线关系.当剪跨比较大时，构件多发生斜拉破坏，即裂缝一旦出现钢筋应力立刻达到屈服，斜裂缝迅速伸展到集中荷载作用处，其破坏特征类似于少筋梁的破坏，是一种危险性很大的脆性破坏.1.3 荷载作用位置、荷载作用面积及作用面积的形状对冲切承载力的影响1.3.1 荷载作用位置对冲切承载力的影响研究表明，抗冲切承载力以荷载作用于板中心时最低，荷载作用位置愈靠近板边其抗冲切承载力愈高[3].这主要是因为，中置荷载的情况下钢筋混凝土板的弯曲程度要大于偏置荷载作用下的钢筋混凝土板的弯曲程度，即板在中置荷载下危险截面的弯矩值要比偏置荷载下的弯矩值大.在距离混凝土板中心一定距离以外至板边的范围内，荷载作用位置愈靠近板边其抗冲切承载力愈高.笔者认为，不同荷载位置下板具有不同的冲切承载力可由冲跨比对板冲切承载力的影响来解释.1.3.2 荷载作用面积及作用面积的形状对冲切承载力的影响在文献［3］所进行的25块板冲切试验中，加载面积形状均为正方形，面积分别为150 mm×150 mm，230 mm×230 mm和300 mm×300 mm，在其它条件基本相同的条件下，所得极限冲切承载力分别为254.8 kN、279.3 kN和323.4 kN.这表明，正方形荷载作用下，随着加载面积的增大，钢筋混凝土板的冲切承载力也在增大，抗冲切承载力随加载周长的增加而提高，两者呈线性关系.对于有效高度h0较大的板，如基础等，当集中荷载作用面积的周边愈长时冲切承载力也愈大.另外，集中荷载作用面积为圆形时，板的冲切承载力较之集中荷载作用面积为方形时的冲切承载力要高.加载面积的增大，会使板的更多部位受到局部均布荷载作用，从而使混凝土处于三向受压应力状态，从而使抗剪强度提高；在板跨相同的条件下，加载面的增大会使冲跨比λp减小，冲跨比λp的减小也是冲切承载力提高的原因之一.1.4 板中配置冲切钢筋与否对冲切承载力的影响文献［7］的试验研究结果表明，配置冲切钢筋混凝土板的冲切能力都大于无腹筋板，配置冲切弯起钢筋能提高板的抗冲切能力.抗冲切弯起钢筋对冲切承载力提高作用的原因有：①抗冲切弯起钢筋本身起到抵抗剪力的作用，抗冲切弯起钢筋与斜裂缝相交抵抗拉力；②抗冲切弯起钢筋抑制了斜裂缝的扩展、增加了剪压区的高度，从而使混凝土的抗剪能力提高.试验表明，抗冲切弯起钢筋的弯起位置变化对冲切承载力也有影响，当抗冲切钢筋的起弯点距离支座边缘太近时，对混凝土板冲切承载力的提高效果不好.因此，为了使抗冲切弯起钢筋充分利用，可以根据破坏锥体形态，冲切斜面上混凝土法向应变分布规律和弯起钢筋最能发挥作用与冲切面相交的位置确定.各规范中在对钢筋混凝土板进行设计计算中常按不配置抗冲切钢筋、配置抗冲切弯起钢筋和配置抗冲切箍筋等情况分别予以考虑.箍筋和弯起钢筋统称为腹筋，在混凝土板中配置抗冲切腹筋可以提高板的冲切承载能力.鉴于配置弯起钢筋或者箍筋能够提高混凝土板的冲切承载力，在实际工程中遇到板厚受到限制的情况，可以考虑采用配置抗冲切弯起钢筋或者箍筋的办法来提高板的受冲切承载力.1.5 板的配筋率、边长比对冲切承载力的影响大量试验结果显示，抗冲切承载力随纵筋配筋率的提高而提高，但承载力提高的幅度不如配筋率提高的幅度大.文献［3，8，9］的试验研究结果表明，与板的一般配筋率相比，适当提高配筋率可提高混凝土板的冲切承载力20%左右，但当纵筋配筋率超过3%时，冲切承载力随配筋率增大的影响不再明显.文献［3］的25块双向板试验中，设计边长比Lb/La=0.5，1.0，1.5，2.0等4种情况.其中La、Lb分别表示双向板的两边支承跨度，在Lb不变的情况下，La分别取3 000，1 500，1 000，750 mm 4种不同长度.试验结果表明，在双向板的范围内，抗冲切承载力和板的边长比的变化无明显关系.但文献［10］的试验结果表明，在双向板的尺寸范围内，边长比对板的冲切承载力有较为明显的影响，这种影响同样可以用冲跨比对板冲切承载力的影响来解释.因此，边长比对双向板冲切承载力的影响仍然是需要继续深入研究的问题之一.2 混凝土板的冲切破坏特征及其承载力计算综合文献［2-3，11-13］研究结果，在集中荷载作用下，钢筋混凝土双向板从开始加载到板体破坏的整个受力过程大致分为以下3个阶段：第Ⅰ阶段：从开始加载到板中第一条裂缝出现，此间混凝土板的荷载挠度呈现线性关系，板处在线弹性工作状态.初裂荷载位置在加载中心附近的板底面.第Ⅱ阶段：从裂缝出现到破坏，各种裂缝相继出现并开展，板体挠度随荷载的而增大的速率较第I阶段大，受拉区混凝土逐渐退出工作，钢筋的应变比起前阶段有较大幅度的增加.第Ⅲ阶段：达到混凝土板的极限荷载时，板顶加截面周边出现下陷，板沿着冲切锥面突然失去承载力，板体产生了没有明显预兆的脆性破坏.根据不同的破坏形式和破坏特征，板的破坏形态主要有完全冲切破坏、不完全冲切破坏和冲压破坏3种.1）完全冲切破坏：板顶加载面下的混凝土被冲陷下去，同时板底面形成一个矩形的完全连贯环状冲切缝，缝内板体底面呈锅底状.产生这类破坏的原因是集中荷载附近的板体斜截面上主拉应力超过了混凝土的抗拉强度而产生的斜拉破坏. 2）不完全冲切破坏：也属于斜拉破坏，和完全冲切破坏不同的是，板顶沿加载面周边冲下的是一个不对称的、各边冲陷深度和混凝土压碎程度都不同的混凝土块体，板底面形成一个不完全的环状冲切裂缝.主要是由于加载中心到各支承边的距离相差较大，使沿加载中心周围内力分布不对称而引起加载面附近各方向的板体破坏程度不同而引起的.3）冲压破坏：加载中心距支承边很近的方向板底面正裂缝经由板侧而上升到板顶加载面附近，产生较宽的贯穿性裂缝，而加载中心距支承边较远方向的板体仍产生明显的冲切裂缝.产生此类破坏的原因有二：一是紧靠支承边方向的板体在顶面荷载及支承边的共同作用下产生斜压破坏，二是远离支承边方向的板体仍产生斜拉破坏.国内外学者对钢筋混凝土板的冲切性能做了较多的试验研究，得到了大量的试验研究成果，也据此提出了考虑不同参数影响的冲切承载力计算方法.然而，由于研究方案、试验方法等所存在的差异，各研究结果之间还不尽一致，理论研究远滞后于试验分析，理论计算方法还没有达成共识，各国相关设计规范的有关计算方法和规定也有较大差异.3 讨论与展望1）国内外混凝土板的冲切试验研究结果表明，混凝土强度、板的有效高度、冲跨比、荷载作用位置、荷载作用面积及其形状以及有无抗冲切钢筋、板的配筋率、板两边长度比等都对板的冲切承载力具有不同程度的影响.2）普通钢筋混凝土板存在开裂早、延性差、冲切承载能力相对较低等缺点，往往需要配置较多的钢筋来弥补.但过多的钢筋并不能有效地限制板的开裂，也不能显著改善其延性和耗能能力，反而会增加施工难度.采用高强混凝土、钢纤维高强混凝土将是有效解决上述问题的有效途径.3）钢筋混凝土双向板在巨大冲切荷载作用下，导致大面积裂缝的出现及开展，进而引起结构内钢筋锈蚀的发生，严重影响结构的承载能力和耐久性能.采用具有较高抗拉强度和优良抗腐蚀性能的纤维增强聚合物筋替代或部分替代受力钢筋对其耐久性能的提高必将具有显著效果.4）迄今为止，对钢筋混凝土板冲切承载力的理论分析还相对较少，也没有达到共识.在大量试验研究成果的基础上，进行深入、系统的理论分析将是钢筋混凝土板冲切承载力研究的重要方向.参考文献：［1］杨君，史庆轩.新旧规范中混凝土抗冲切承载力验算的对比与分析［J］.榆林学院学报，2005，15（5）：78－81.［2］谢晓鹏.钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切性能研究［D］.郑州：郑州大学博士学位论文，2007.［3］丁自强，韩菊红，赵广田.钢筋混凝土简支整浇双向板抗剪性能试验研究［R］.郑州：郑州工学院，1989.［4］刘瑞.集中荷载钢筋混凝土板抗剪性能试验研究［J］.河海大学学报，1994，22（4）：85－90.［5］韩菊红，丁自强.对边简支钢筋混凝土板受剪性能试验研究［J］.工业建筑，2001，31（2）：18－20.［6］郑建岚，郑作樵.钢筋混凝土板冲切强度的试验研究［J］.福州大学学报：自然科学版，1992，20（2）：65－71.［7］刘广义，栾英，刘晓东.配抗冲切弯筋板冲切问题试验研究［J］.哈尔滨工程学院学报，1994，27（3）：47－52.［8］鄂尚发.四边支承钢筋混凝土矩形板抗冲切性能试验研究［J］.华北水利水电学院学报，2001，22（2）：22－26.［9］张元伟.钢筋混凝土板抗冲切试验研究［D］.长沙：湖南大学硕士学位论文，2009.［10］肖志龙.中置集中荷载作用下FRP筋混凝土双向板冲切性能研究［D］.郑州：郑州大学硕士学位论文，2010.［11］杨文涛.钢纤维高强混凝土板冲切性能试验研究［D］.郑州：郑州大学硕士学位论文，2007.［12］安玉杰，赵国藩，黄承违.配筋钢纤维混凝土板冲切性能的试验研究：上［J］.建筑结构学报，1994，15（2）：11－16.［13］安玉杰，赵国藩，黄承违.配筋钢纤维混凝土板冲切性能的试验研究：下［J］.建筑结构学报，1994，15（3）：63－65.基金项目：国家自然科学基金（50879082）。