高強鋼筋混凝土深梁受剪性能試驗及數值模擬

郭揚東,李樹山，張鋒劍，解 偉,師 政,，曹夫利,

(1.華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450045；2.河南城建學院 土木與交通工程學院，河南 平頂山 467036)

我國混凝土結構設計規范[1]將跨高比小于2的梁定義為深梁，深梁的“拱作用”受力特征區別于普通梁的“梁作用”，因此深梁破壞形式多為受剪破壞。深梁多應用于大跨度橋梁、高層建筑剪力墻中，且為主要受力構件。

對于深梁，我國設計規范基于大量試驗而推出半經驗半理論公式，對于跨高比不大于2的深受彎構件，剪跨比均取0.25，且忽略箍筋作用。歐洲、日本、美國規范均采用拉-壓桿模型(strul-and-tie model)計算混凝土深受彎構件的受剪承載力，合理考慮了剪跨比、水平筋配筋率、加載方式、材料強度的影響。剪跨比在國外規范中作為一個重要的計算因素，而我國對于剪跨比考慮不足，剪跨比對深梁設計的影響還需更深入地研究[1-4]。

結合國內眾多學者對于深受彎構件的研究成果，為提高深梁的受剪性能，在不改變結構形式的情況下，本文使用高強材料(混凝土強度等級為C50，縱向受力鋼筋為HTRB600)研究剪跨比為0.3、0.6、0.9的情況下，深梁的受力特征、破壞形態、撓度變化等，并借助ANSYS有限元分析軟件，進一步驗證試驗結果。

1 試驗概況

1.1 試件設計

對三根相同尺寸的深梁構件進行受剪性能試驗研究，其中深梁的凈跨l0為1 200 mm，跨高比為2，具體試驗方案見表1，試件結構圖如圖1所示。

表1 試件設計參數

圖1 試件尺寸及配筋圖(單位：mm)

深梁試件使用C50混凝土澆筑，預留6個150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊，測定混凝土力學性能[5]，試塊與深梁試件在同條件下自然養護。試件縱向受力鋼筋采用HTRB600級鋼筋，箍筋、水平分布筋采用HRB400E級鋼筋，每種鋼筋截取3根測定其力學性能[6]?；炷良颁摻畹牧W性能分別見表2、表3。

表2 混凝土力學性能

表3 鋼筋力學性能

1.2 加載制度及測點布置

試驗在河南城建學院結構實驗室進行，加載裝置為YJW-10000壓力試驗機，量程為1 000 t。采用四彎點靜力加載方式進行加載，通過分配梁與墊板把豎向荷載傳遞至深梁。梁兩端為簡支，根據剪跨比的變化，調整分配梁下兩個墊板的距離。試驗開始前先進行預加載100 kN，分三級完成。正式加載等級分為15～20級，每級荷載為100 kN，快加到初裂荷載時，調速為50 kN每級，裂縫出現后恢復100 kN直至破壞。試驗加載裝置如圖2所示。測點布置分為混凝土應變片布置和位移計布置。其中，試件跨中和斜壓桿區域布置混凝土應變片，間隔150 mm，共計9個應變片；試件跨中、支座兩端布置位移計，共計3個，放置構件背面。詳細測點布置如圖3、圖4所示。

圖2 試驗加載裝置示意圖

圖3 正面混凝土測點應變片布置圖 圖4 背面位移計布置圖

2 結果分析

2.1 試驗現象

MDB-1試件剪跨比為0.3，跨中裂縫多在下部，隨著荷載增加沒有繼續向上延伸，斜截面裂縫出現后迅速延伸，貫穿幾乎整個斜壓區。試件彎曲效應不太明顯，最終以斜壓桿被壓潰而發生斜壓破壞。根據其破壞形態，剪力主要由斜壓區的混凝土承擔，底部縱筋受力較小。

MDB-2試件剪跨比為0.6，裂縫最先出現在跨中正截面，再稍加荷載繼而出現斜截面裂縫，正截面裂縫增加到梁高度1/3處時便不再增加，而斜截面裂縫隨著荷載增加逐漸貫穿整個壓桿區域，并形成多個與之平行的貫穿裂縫。根據其裂縫發展過程與破壞形態，剪力主要由混凝土承擔，但是縱向受力鋼筋明顯比MDB-1受到的拉應力大，此時剪跨比的影響顯著。

MDB-3試件剪跨比為0.9，相對于MDB-1、MDB-2，其跨中裂縫發展最為迅速，斜裂縫數目明顯增多，純彎段正截面裂縫隨著荷載增加向上發展趨勢更為明顯，鋼筋承擔較大的拉應力，減緩了構件破壞速度，但最終還是斜截面處被壓潰而發生斜壓破壞。

極限荷載值下的試件裂縫分布見圖5(裂縫圖中荷載值為儀表盤顯示荷載值)。

MDB-2、MDB-3在加載過程中先出現正截面裂縫再出現斜截面裂縫，而MDB-1試件先出現斜截面裂縫后出現正截面裂縫。裂縫圖可以看出試件的彎曲效應隨著剪跨比的增加而更加顯著，可以合理預測如果剪跨比繼續增加，構件可能會發生彎剪破壞。

2.2 試驗結果

由于深受彎構件的破壞形式多為剪切破壞，當出現以下標志時[7]：①加載端局部混凝土被壓碎；②沿斜截面混凝土被壓碎或撕裂；③支座處混凝土局部被壓碎，即認為深梁已達到極限荷載值。試驗結果見表4，表4中荷載值為單側荷載值。

不同剪跨比下試件的開裂荷載、極限荷載對比如圖6所示。

由圖6可知：剪跨比為0.3時的開裂荷載明顯大于剪跨比為0.6、0.9時的開裂荷載，后者的開裂荷載受剪跨比影響較小。極限荷載隨著剪跨比的增大而逐漸降低。因此可得剪跨比對深梁承載力影響較為顯著。

2.3 荷載-跨中位移曲線

試驗過程中通過位移計測得跨中位移變化，由于試驗條件限制未能取得下降段，荷載-跨中位移曲線如圖7所示。

圖6 不同剪跨比下的開裂、極限荷載 圖7 荷載-跨中位移曲線

由圖7可以看出：在300 kN以下各試件撓度相近，隨著荷載增加撓度增長速度發生較大差別，主要原因是混凝土在開裂前后從彈性到非彈性的脆性變化，在接近破壞荷載時荷載-跨中位移曲線趨于平滑。對比可知，在同一荷載下跨中位移隨著剪跨比的增大而增大，剪跨比對跨中撓度影響顯著。

3 有限元分析

本文使用ANSYS有限元分析軟件對深梁進行數值模擬?；炷敛捎肧OLID65單元，本構關系采用Willam-Warnke5參數模型[9]，單軸應力-應變關系采用《混凝土結構設計規范》[1]給定的公式:

(1)

σc=fcε0<εc≤εcu

(2)

式中，ε0=0.002，εcu=0.003 3，n=1.84。

為了提高計算模型的收斂性，下降段按平直線處理?；炷亮芽p張開傳遞系數取0.25，閉合傳遞系數取0.95[9]，關閉壓碎。鋼筋采用LINK180單元，采用雙向性隨動硬化材料(BKIN)屈服準則。材料本構關系如圖8所示。

圖8 材料本構關系

3.1 分離式建模計算

鋼筋與混凝土粘結性能較好，不考慮鋼筋消栓作用，使用分離式建模，認為材料單元之間相互鉸接[10]。采用力加載法，用力和位移的無窮范數條件來控制收斂[11-12],分離式模型如圖9所示。

圖9 分離式模型

3.2 數值模擬與試驗對比

有限元計算結果與試驗結果對比如圖10所示。ANSYS計算出極限荷載值略大于試驗值，跨中位移小于試驗值，原因可能是混凝土材料的不均勻性導致本構關系處理與實際情況存在差異，誤差值在可接受范圍內。通過數值模擬表明在不同的剪跨比影響下，試件的極限承載力隨著剪跨比增加而降低，與試驗結果較吻合。

圖10 不同剪跨比影響下試驗值與模擬值跨中荷載-撓度曲線

4 結論

本文對剪跨比分別為0.3、0.6、0.9的三組高強鋼筋混凝土深梁進行受剪性能試驗，并使用ANSYS有限元分析軟件，采用分離式建模思想，對比分析試驗結果，得出以下結論：

(1) 剪跨比對深梁的受剪極限承載力影響較大，隨著剪跨比的增大，深梁受剪切作用逐漸減小，彎曲作用逐漸增加；在其他條件一定時，剪跨比越大，深梁受剪極限承載力越??；深梁的初裂荷載隨著剪跨比增大而減小。

(2) 配置高強材料，特別是HTRB600縱向受力鋼筋，延緩了深梁的破壞速度，可極大提升深梁的受彎性能。

(3) 采用分離式建模的有限元計算模型，能較好地模擬深梁在不同剪跨比下的受力情況，為工程實踐提供有意義的借鑒指導。