详情

原文传递斜裂缝对混凝土梁桥受剪性能影响研究

论文题名：	斜裂缝对混凝土梁桥受剪性能影响研究
关键词：	斜裂缝;混凝土梁桥;受剪承载力;刚度退化;屈服状态
摘要：	斜裂缝对混凝土梁桥的受剪承载力和剪切刚度均会产生显著的影响，然而目前各国规范的受剪承载力计算方法仍未像抗弯计算一样形成统一，且对开裂后的剪切刚度计算几乎不涉及。本文分别从混凝土梁受剪承载力计算理论、开裂后剪切变形测试和剪切刚度退化理论等多个方面入手，深入研究了斜裂缝对混凝土梁桥受剪性能的影响，主要研究工作包括: 　　(1)基于ACI-DAfStb的钢筋混凝土浅梁剪切数据库分析了既有剪切试件的受剪参数分布特征，研究了各受剪参数对受剪承载力的影响规律。研究结果表明:钢筋混凝土浅梁的剪切强度随混凝土抗压强度fc'增大而提高，并与其成非线性关系;随剪跨比λ增大而降低，但当λ＞4时，降低速度变慢;随纵筋配筋率ρ增大而提高，并逐渐趋于稳定;随配箍强度ρvfyv增大而提高，但提高幅度受到混凝土抗压强度的限制;随截面有效高度d增大而降低，对小尺寸尤为显著，但箍筋的加入会减小这种尺寸效应的影响。另外，分析发现既有剪切数据库中的大尺寸、高强混凝土和低纵筋率试件数量仍然偏少，这与实际桥梁工程存在较大差异。　　(2)总结了各国主流规范受剪设计方法的理论基础以及优缺点，在此基础上，分析了可能发生的剪切破坏模式和与之对应的破坏控制点，讨论了不同剪切破坏模式之间的过渡机制，指出规范受剪公式的局限性在于无法衔接不同的剪切破坏模式。为克服这一局限性，分别基于弯剪斜裂缝破坏模式和腹剪斜裂缝破坏模式构建了相应的受剪分析模型。　　(3)对于以弯剪斜裂缝扩展为主要特征的剪压或斜拉破坏，建立了基于受压区的无腹筋混凝土浅梁分析模型。模型将受压区混凝土细分为剪压区和斜拉区两部分，分别利用主压应力破坏准则和抗拉强度破坏准则来计算其抗剪贡献，从而得到了无腹筋混凝土浅梁的受剪承载力理论计算公式。在此基础上，计入箍筋项的抗剪贡献，进一步得到有腹筋混凝土浅梁的受剪承载力理论计算公式。该理论公式实现了混凝土浅梁由剪压破坏至斜拉破坏受剪承载力计算的平滑过渡，且公式能够反映混凝土强度fc'、纵筋率ρ、剪跨比λ、配箍强度ρvfyv以及截面有效高度d等主要参数的影响规律。基于ACI-DAfStb剪切数据库的验证表明:推荐公式的预测精度和预测稳定性都较规范公式有所提高。　　(4)对于以腹剪斜裂缝扩展为主要特征的腹剪破坏，本文仍推荐采用变角桁架模型来计算混凝土梁的受剪承载力，并通过推导得到了变角桁架模型斜压杆倾角的两个理论计算公式。首先，根据试验观测发现的斜压秆倾角动态转动规律，发现斜压杆倾角的转动存在两个特征阶段，即裂后稳定阶段和塑性转动阶段，并指出在裂后稳定阶段混凝土和箍筋的协同作用尚未发挥，应计入混凝土的抗剪贡献，而在塑性转动阶段混凝土和箍筋的协同作用已得到发挥，无需再计算混凝土贡献。其次，对裂后稳定阶段和塑性转动阶段分别基于最小应变能原理和塑性理论构建斜压杆倾角的求解准则，从而得到了斜压杆倾角的两个理论计算公式，进一步建立了相应的钢筋混凝土梁的两个受剪承载力计算公式。最后，利用ACI-DAfStb有腹筋浅梁剪切数据库对本文建立的两个承载力计算公式和规范公式进行的对比验证表明，两受剪承载力计算公式的预测精度和稳定性要优于规范计算公式，且能够反映主要受剪参数混凝土强度fc'、纵筋率ρ、剪跨比λ、配箍强度ρvfyv和截面有效高度d的影响规律。　　(5)针对受反弯点、变截面和预应力等特殊因素影响的梁段受剪承载力，分别分析了这些特殊因素对受剪承载力的影响机理，并推导了相应的受剪承载力计算修正方法，并与试验结果进行了对比验证。　　(6)开展了6片大尺寸薄腹钢筋混凝土约束梁的剪切变形测试试验，实现了剪切变形的直接剥离测量，得到了混凝土梁斜向开裂后的剪切刚度退化规律。基于自制的大标距机械式应变计组装的成变测量框格，实现了斜裂缝开裂前后梁体应变的连续测量;通过等参变换实现了变高度梁段的剪切变形与弯曲变形的剥离测量。试验测试结果表明:在配箍率较低的试件中，斜裂缝出现和箍筋屈服是荷载-变形曲线的两个转折点。提高混凝土强度等级和配箍率，能够提高斜向开裂后的剩余剪切刚度，提高配箍率对开裂后的剪切变形抑制更有效。　　(7)针对斜向开裂混凝土梁的有效剪切刚度评价，建立了混凝土梁的剪切刚度理论退化模型。首先，基于变角桁架模型推导了混凝土梁箍筋屈服状态的剪切刚度;其次，基于试验规律提出了剪切刚度的恒定切线刚度退化模式，以考虑斜裂缝开展程度对剪切刚度退化程度的影响。与多个剪切变形试验实测数据的对比结果表明，本文建立的剪切刚度退化模型能够较好的评价混凝土梁在斜裂缝开裂后的剪切刚度退化。　　(8)为了定量化的评估斜向开裂桥梁的剪切刚度退化，本文在试验和理论研究的基础上给出了一种简化评估方法。该方法利用斜裂缝分级来反映斜裂缝的开裂程度，并假定开裂后剪切刚度随斜裂缝分级线性退化，计算结果偏于安全且较为实用。最后，在某实际桥梁的剪切刚度快速定量化评估中对其进行了应用。
作者：	郑开启
专业：	土木工程；桥梁与隧道工程
导师：	秦顺全;刘钊
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文