中华人民共和国国家标准混凝土结构设计规范GB 50010-2002 13
7.7.3 当混凝土板的厚度不足以保证受冲切承载力时,可配置抗冲切钢筋。试验表明,配有抗冲切钢筋的钢筋混凝土板,其破坏形态和受力特性与有腹筋梁相类似,当抗冲切钢筋的数量达到一定程度时,板的受冲切承载力几乎不再增加。为了使抗冲切箍筋或弯起钢筋能够充分发挥作用,本规范规定了板的受冲切截面限制条件公式 (7.7.3-1) ,相当于配置抗冲切钢筋后的冲切承载力不大于不配置抗冲切钢筋的混凝土板抗冲切承载力的 1.5倍;同时,这实际上也是对抗冲切箍筋或弯起钢筋数量的限制,以避免其不能充分发挥作用和使用阶段在局部荷载附近的斜裂缝过大。由试验结果比较可知,本规范对配置抗冲切钢筋板的受冲切承载力计算公式的取值偏于安全。
试验表明,在冲切荷载作用下,钢筋混凝土板斜裂缝形成的方式与梁基本相同,大约在试验极限荷载的 65%左右出现斜裂缝。在配有抗冲切钢筋的钢筋混凝土板中,由于斜向开裂的结果,使混凝土项的受冲切能力有所降低。与原规范相同,公式(7.7.3-2) 和 (7.7.3-3) 中混凝土项的抗冲切承载力取为不配置抗冲切钢筋板极限承载力的一半。
7.7.4 阶形基础的冲切破坏可能会在柱与基础交接处或基础变阶处发生,这与阶形基础的形状、尺寸有关,因此在本条中作出了计算规定。对于阶形基础受冲切承载力计算公式中也引进了第7.7.1 条的截面高度影响系数βh。在确定基础的Fι时,取用最大的地基反力,这样做是偏于安全的。
7.7.5 对板柱节点存在不平衡弯矩时的受冲切承载力计算,由于板柱节点传递不平衡弯矩时,其受力特性及破坏形态更为复杂。为安全起见,借鉴美国 ACI318 规范和我国的《无粘结预应力混凝土结构技术规程》的规定,在本条中提出了原则规定,在附录 G 给出具体规定。
7.6 扭曲截面承载力计算
7.6.1~7.6.2 扭曲截面承载力计算的截面限制条件是以hw/b≤6 的试验为依据的。公式 (7.6.1-1) 、公式(7.6.1-2) 的规定是为了保证构件在破坏时混凝土不首先被压碎。包括高强混凝土构件在内的超配筋纯扭构件试验研究表明,原规范相应公式的安全度略低,为此,在公式 (7.6.1-1)、(7.6.1-2) 中的纯扭构件截面限制条件取用T=(0.16~0.2)fcWt;当T=0 的条件下,公式 (7.6.1-1) 、公式 (7.6.1-2) 可与本规范第7.5.1 条的公式相协调。
在原规范规定的基础上,给出了公式 (7.6.2-1) 、公式(7.6.2-2) ,其中增加了箱形截面构件截面限制条件以及按构造要求配置纵向钢筋和箍筋的条件等有关内容。
7.6.3 本条对常用的 T 形、 I 形和箱形截面受扭塑性抵抗矩的计算方法作了具体规定。
T 形、 I 形截面划分成矩形截面的方法是:先按截面总高度确定腹板截面,然后再划分受压翼缘和受拉翼缘。
本条提供的截面受扭塑性抵抗矩公式是近似的,主要是为了方便受扭承载力的计算。
7.6.4 公式 (7.6.4-1) 是根据试验统计分析后,取用试验数据的偏下值给出的。经对高强混凝土纯扭构件的试验验证,该公式仍然适用。
试验表明,当ζ值在 0.5~2.0 范围内,钢筋混凝土受扭构件破坏时其纵筋和箍筋基本能达到屈服强度。为稳妥起见,取限制条件为: 0.6 ≤ζ≤ 1.7 。当ζ>1.7 时;取 ζ=1.7 ;当ζ=1.2左右时为钢筋达到屈服的最佳值。因截面内力平衡的需要,对不对称配置纵向钢筋截面面积的情况,在计算中只取对称布置的纵向钢筋截面面积。
预应力混凝土纯扭构件的试验表明,预应力提高受扭承载力的前提是纵向钢筋不能屈服,当预加力产生的混凝土法向压应力不超过规定的限值时,纯扭构件受扭承载力可提高考虑到实际上应力分布不均匀性等不利影响,在条文中取提高值为,且仅限于偏心距ep0≤h/6的情况;在计算ζ时,不考虑预应力钢筋的作用。
试验还表明,预应力对承载力的有利作用,应有所限制,因此当Np0>0.3fcA0 时,应取Np0=0.3fcA0。
7.6.6 对受纯扭作用的箱形截面构件,,试验表明,一定壁厚箱形截面的受扭承载力与实心截面是类同的。在公式 (7.6.6) 中的混凝土项受扭承载力与实心截面的取法相同,即取箱形截面开裂扭矩的 50%,此外,尚应乘以箱形截面壁厚的影响系数αh=2.5tw/bh;钢筋项受扭承载力取与实心矩形截面相同。通过国内外试验结果比较,公式 (7.6.6) 的取值是稳妥的。
7.6.7 试验研究表明,轴向压力对纵筋应变的影响十分显著;由于轴向压力能使混凝土较好地参加工作,同时又能改善混凝土的咬合作用和纵向钢筋的销栓作用,因而提高了构件的受扭承载力。在本条公式中考虑了这一有利因素,它对受扭承载力的提高值偏安全地取为 0.07NWt/A 。
试验表明,当轴向压力大于 0.65fcA 时,构件受扭承载力将会逐步下降,因此,在条文中对轴向压力的上限值作了稳妥的规定。
7.6.8 无腹筋剪扭构件试验表明,无量纲剪扭承载力的相关关系可取四分之一圆的规律;对有腹筋剪扭构件,假设混凝土部分对剪扭承载力的贡献与无腹筋剪扭构件一样,也可取四分之一圆的规律。
本条公式适用于钢筋混凝土和预应力混凝土剪扭构件,它是根据有腹筋构件的剪扭承载力为四分之一圆的相关曲线作为校准线,采用混凝土部分相关、钢筋部分不相关的近似拟合公式,此时,可找到剪扭构件混凝土受扭承载力降低系数βt,其值略大于无腹筋构件的试验结果,采用此βt值后与有腹筋构件的四分之一圆相关曲线较为接近。
经分析表明,在计算预应力混凝土构件的βt时,可近似取与非预应力构件相同的计算公式,而不考虑预应力合力Np0的影响。
7.6.9 本条规定了 T 形和 I 形截面剪扭构件承载力计算方法。腹板部分要承受全部剪力和分配给腹板的扭矩,这样的规定可与受弯构件的受剪承载力计算相协调;翼缘仅承受所分配的扭矩,但翼缘中配置的箍筋应贯穿整个翼缘。
7.6.10 根据钢筋混凝土箱形截面纯扭构件受扭承载力计算公式(7.6.6) 并借助第 7.6.8 条剪扭构件的相同方法,可导出公式(7.6.10-1) 至公式 (7.6.10-3) ,经与箱形截面试件的试验结果比较,所提供的方法是相当稳妥的。
7.6.11 对弯剪扭构件,当V≤0.35ftbh0或V≤0.875ftbh0(λ+1)时,剪力对构件承载力的影响可不予考虑,此时,构件的配筋由正截面受弯承载力和受扭承载力的计算确定;同理,T≤0.175ftwt或 T≤0.175αhftwt时,扭矩对构件承载力的影响可不予考虑,此时,构件的配筋由正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力的计算确定。
7.6.12 分析表明,按照本条规定的配筋方法,其受弯承载力、受剪承载力与受扭承载力之间具有相关关系,且与试验的结果大致相符。
7.6.13~7.6.15 在钢筋混凝土矩形截面框架柱受剪扭承载力计算中,考虑了轴向压力的有利作用。经分析表明,在 βt计算公式中可不考虑轴向压力的影响,仍可按公式 (7.6.8-5) 进行计算。
当T≤(0.175ft+0.035N/A)Wt时,可忽略扭矩对框架柱承载力的影响。
7.6.16 钢筋混凝土结构的扭转,应区分两种不同的类型:
1 平衡扭转:由平衡条件引起的扭转,其扭矩在梁内不会产生内力重分布。
2 协调扭转:由于相邻构件的弯曲转动受到支承梁的约束,在支承梁内引起的扭转,其扭矩会由于支承梁的开裂产生内力重分布而减小,条文给出了宜考虑内力重分布影响的原则要求。
由试验可知,对独立的支承梁,当取扭矩调幅不超过 40%时,按承载力计算满足要求且钢筋的构造符合本规范第 10.2.5 条和第 10.2.12 条的规定时,相应的裂缝宽度可满足规范规定的要求。
为了简化计算,国外一些规范常取扭转刚度为零,即取扭矩为零的方法进行配筋。此时,为了保证支承构件有足够的延性和控制裂缝的宽度,就必须至少配置相当于开裂扭矩所需的构造钢筋。
7.8 局部受压承载力计算
7.8.1 本条对配置间接钢筋的混凝土结构构件局部受压区截面尺寸规定了限制条件,因为:
1 试验表明,当局压区配筋过多时,局压板底面下的混凝土会产生过大的下沉变形;当符合公式 (7.8.1-1) 时,可限制下沉变形不致过大。为适当提高可靠度,将右边抗力项乘以系数0.9 ,式中系数 1.35 系由原规范公式中的系数 1.5 乘以 0.9 而给出。
2 为了反映混凝土强度等级提高对局部受压的影响,引入了混凝土强度影响系数βc。
3 在计算混凝土局部受压时的强度提高系数βι( 也包括本规范第 7.8.3 条的βcor) 时,不应扣除孔道面积,经试验校核,此种计算方法比较合适。
4 在预应力锚头下的局部受压承载力的计算中,按本规范第 6.1.1 条的规定,当预应力作为荷载效应且对结构不利时,其荷载效应的分项系数取为 1.2 。
7.8.2 计算底面积Ab的取值采用了"同心、对称"的原则。要求计算底面积Ab与局压面积Aι具有相同的重心位置,并呈对称;沿Aι各边向外扩大的有效距离不超过受压板短边尺寸b( 对圆形承压板,可沿周边扩大一倍d) ,此法便于记忆。
对各类型垫板的局压试件的试验表明,试验值与计算值符合较好,且偏于安全。试验还表明,当构件处于边角局压时,βι值在 1.0 上下波动且离散性较大,考虑使用简便、形式统一和保证安全 ( 温度、混凝土的收缩、水平力对边角局压承载力的影响较大 ) ,取边角局压时的βι=1.0 是适当的。
7.8.3 对配置方格网式或螺旋式的间接钢筋的局部受压承载力计算,试验表明,它可由混凝土项承载力和间接钢筋项承载力之和组成。间接钢筋项承载力与其体积配筋率有关;且随混凝土强度等级的提高,该项承载力有降低的趋势,为了反映这个特性,公式中引入了系数a。为便于使用且保证安全,系数α与本规范第 7.3.2 条的取值相同。基于与本规范第 7.8.1 条同样的理由,在公式 (7.8.3-1) 也考虑了系数 0.9 。
本条还规定了Acor>Ab时,在计算中只能取Acor=Aι的要求。此规定用以保证充分发挥间接钢筋的作用,且能确保安全。
为避免长、短两个方向配筋相差过大而导致钢筋不能充分发挥强度,对公式 (7.8.3-2) 规定了配筋量的限制条件。
7.9 疲劳验算
7.9.1 保留了原规范的基本假定,它为试验所证实,并作为第7.9.5 条和第 7.9.12 条建立钢筋混凝土和预应力混凝土受弯构件正截面承载力疲劳应力公式的依据。
7.9.2 本条是根据本规范第 3.1.4 条和吊车出现在跨度不大于12m 的吊车梁上的可能情况而作出的规定。
7.9.3 本条明确规定,钢筋混凝土受弯构件正截面和斜截面疲劳验算中起控制的部位需作相应的应力或应力幅计算。
7.9.4 国内外试验研究表明,影响钢筋疲劳强度的主要因素为应力幅,即(σmax-σmin) ,所以在本节中涉及钢筋的疲劳应力时均按应力幅计算。
7.9.5~7.9.6 按照第 7.9.1 条的基本假定,具体给出了钢筋混凝土受弯构件正截面疲劳验算中所需的截面特征值及其相应的应力和应力幅公式。
7.9.7~7.9.9 钢筋混凝土受弯构件斜截面的疲劳验算分为两种情况:第一种情况,当按公式 (7.9.8) 计算的剪应力τf符合公式 (7.9.7-1) 时,表示截面混凝土可全部承担,仅需按构造配置箍筋;第二种情况,当剪应力τf不符合公式 (7.9.7-1)时,该区段的剪应力应由混凝土和垂直箍筋共同承担。试验表明,受压区混凝土所承担的剪应力τcf 值,与荷载值大小、剪跨比、配筋率等因素有关,在公式 (7.9.9-1) 中取τcf=0.1ftf 是较稳妥的。
对上述两种情况,按照我国以往的经验,对 (τf-τcf) 部分的剪应力应由垂直箍筋和弯起钢筋共同承担。但国内的试验表明,同时配有垂直箍筋和弯起钢筋的斜截面疲劳破坏,都是弯起钢筋首先疲劳断裂;按照 45°桁架模型和开裂截面的应变协调关系,可得到密排弯起钢筋应力σsb与垂直箍筋应力σsv之间的关系式:
σsb=σsv(sinα+cosα)2
此处,α为弯起钢筋的弯起角。显然,由上式可得σsb>σsv的结论。
为了防止配置少量弯起钢筋而引起其疲劳破坏,由此导致垂直箍筋所能承担的剪力大幅度降低,本规范不提倡采用弯起钢筋作为抗疲劳的抗剪钢筋(密排斜向箍筋除外),所以在第 7.9.9条仅提供配有垂直箍筋的应力幅计算公式。