受彎構件斜截面破壞的機理與研究

1、受彎構件斜截面破壞的機理與 研究藹德此策士尊高等結構試驗學院：土木工程學院班級：5班姓名：魏亞男學號：1622071187受彎構件斜截面破壞的機理與研究本科的時候由于學習過混凝土結構設計原理這門課程，所以對受彎構件的 斜截面的承載力和受剪破壞形態(tài)有一定的了解?，F在上了高等結構試驗這門課 程，著重對試件的實驗過程進行分析和從根本上有更為深入的理解。今天去觀 察了庭院內往屆師兄做過的試驗構件，也讓我對試驗的破壞形態(tài)有了更近一步 的研究。如圖可以很直觀的觀察 到梁的端部有一條斜裂縫的 存在。由混凝土結構設計 原理可知，鋼筋混凝土梁 在剪力和彎矩共同作用的剪 彎區(qū)段內，會產生斜裂縫。斜截面受剪破壞主要

2、有三種 形態(tài)，斜壓破壞，剪壓破壞 和斜拉破壞，而這三種破壞 都是在無腹筋梁或者箍筋數量配置過少時產生的鋼筋混凝土受彎構件斜截面破壞理論分析無腹筋梁斜裂縫受力情況與破壞形態(tài)在鋼筋混凝土梁中，我們一般把箍筋和彎起（斜）鋼筋統(tǒng)稱為梁的腹筋。把 配有縱向受力鋼筋和腹筋的梁稱為有腹梁筋，而把僅有縱向受力鋼筋而不設腹 筋的梁稱為無腹筋梁，現先從相對較簡單的無腹筋梁入手分析。斜裂縫出現前構件的受力狀態(tài)下圖為一個只配設受拉主筋（無腹筋）的矩形截面簡支梁，現研究其在剪 力和彎矩共同作用下的典型破壞過程。梁上作用有兩個對稱的集中荷載，荷載 和支座之間的剪力V為一常數，彎矩為線性變化。圖中 AC段和DB段稱為剪 彎

3、段，長度a為剪跨，與截面有效高度h0之比稱為剪跨比（入=h0/ a ）, CD段 稱為純彎段。當梁上荷載較小時，裂縫尚未出現，鋼筋和混凝土的應力 -應變關系都處在 彈性階段，所以，把梁近似看作勻質彈性體，可用材料力學方法來分析它的應 力狀態(tài)。在剪彎區(qū)段截面上任一點都有剪應力和正應力存在，由單元體應力狀 態(tài)通過Mohr應力圓計算，可以得到各點主應力的數值和方向，并繪制梁的主 拉、主壓應力軌跡。從主應力軌跡線可以看出，剪彎區(qū)段主拉應力方向是傾斜的，與梁軸線的 交角約為45度，而在梁的下邊緣主拉應力方向接近于水平。在矩形截面梁中， 主拉應力的數值是沿著某一條主拉應力軌跡線自上向下逐步增大的?；炷恋?/p>

4、 抗壓強度較高，但其抗拉強度較低。斜裂縫出現后的受力狀態(tài)在梁的剪彎段中，當主拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時，就會出現斜裂縫。梁的剪彎段出現斜裂縫后，截面的應力狀態(tài)發(fā)生了質變，或者說發(fā)生了應 力重分布。這時，不能用材料力學公式來計算梁截面上的正應力和剪應力，因 為這時梁已不再是完整的勻質彈性梁了。圖2.2為斜裂縫出現前后I - I和H - II截面的應變分布圖。截面應變差 異表明，斜裂縫出現后，將梁分成上、下兩個部分，梁內應力發(fā)生了重分布， 其主要表現為斜裂縫起始端的縱筋拉應力突然增大，大部分荷載將由斜裂縫上方的混凝土傳遞，剪壓區(qū)混凝土所受的剪應力和壓應力亦顯著增加下圖為一根出現斜裂縫后的無腹

5、筋梁， 現沿斜裂縫將梁切開，取左邊隔離體 AA BCD進行受力分析。在隔離體上，外荷載在斜截面 AA B上引起的彎矩為 MA、剪力為QA,而斜截面上的抵抗力則有：斜截面上端混凝土剪壓面 AA' 上壓力Dc和剪力Qc ;縱向鋼筋拉力Ts ;在梁的變形過程中，斜裂縫的 兩邊將發(fā)生相對剪切位移，使斜裂縫面上產生摩擦力以及骨料凹凸不平相互問 的骨料咬合力，它們的合力為 Sa ;由于斜裂縫兩邊有相對的上下錯動，從而 使縱向受拉鋼筋受剪，通常稱其為縱筋的銷栓力Qd o幾種無腹筋梁斜截面破壞狀態(tài)1 .剪壓破壞狀態(tài)中等剪跨比（1 0入0 3 ）的梁，在加載試驗過程中的受力變形、裂縫 和破壞特點如圖，這

6、種破壞是最常見的斜截面破壞形態(tài)。斜裂縫是從先出現的 豎向裂縫斜向延伸出來的，并隨著荷載的增加向集中荷載的作用點處沿伸，這 種斜裂縫可能不止出現一條，但隨著荷載的增加，在眾多的斜裂縫中形成一條 延伸較長、擴展較寬的主要斜裂縫。通常稱之為“臨界斜裂縫”。臨界斜裂縫出現后，梁還能繼續(xù)加載，這時，與斜裂縫相交的腹筋應力迅速增長而達到屈服 強度，荷載主要由剪壓區(qū)的混凝土承受，斜裂縫繼續(xù)向上延伸，剪壓區(qū)面積減 小，最后使混凝土在彎矩和剪力的作用下，亦即在壓應力和剪應力的復合作用 下達到混凝土復合受力時的極限強度而破壞，這時剪壓區(qū)混凝土有一些水平裂 縫和混凝土碎渣。所以，當剪壓破壞時所施加的荷載，明顯地大于

7、斜裂縫出現 時的荷載。圖斗破耳U包樂鵬跳2 .斜壓破壞剪跨比1時，荷載靠近支座，梁端豎直方向的正應力集中在荷載板和支座 面之間的斜向范圍內，其數值遠大于水平正應力和剪應力，主壓應力方向大致平行于荷載和支座反力的連線。當荷載逐漸增大，臨近試件破壞前，首先在梁 腹中部出現斜向裂縫，平行于荷載一反力連線。此后，裂縫沿同一方向同時往 上和往下延伸，相鄰處出現多條平行的斜裂縫。最終，梁腹中部斜向受壓破壞， 其受力模型和破壞特征與軸心壓力作用下的斜向短柱相同，如圖 2.5。3 .斜拉破壞剪跨比較大時，荷載位置離支座已遠，豎直方向正應力對梁腹部的影響很 小。試件加載后，首先跨中純彎段的下部出現受拉裂縫，垂直

8、向上延伸。當梁 端剪彎段的腹部中間形成45°的腹剪斜裂縫后，很快地往兩個方向延伸：裂縫 向上發(fā)展，傾斜角漸減，到達梁的底部將梁切斷；裂縫向下發(fā)展，傾斜角漸增， 到達受拉鋼筋的梁底處，裂縫已是豎直方向。斜裂縫的下部在荷載作用下往下 移動，帶動受拉鋼筋，使梁的端部沿鋼筋上皮把混凝土保護層撕裂。造成最終 破壞的斜裂縫是主拉應力控制的混凝土拉斷破壞，如圖2.6。有腹筋簡支梁斜裂縫受力分析及彎剪承載力計算配置箍筋的梁的受力分析由上一節(jié)知識可知，無腹筋梁的彎剪承載力十分有限，若不足以抵抗荷載 產生的剪力時，設置橫向箍筋是很有效的措施。同時，箍筋還起到固定構件縱 筋位置、承受長期溫度應力、減小裂縫

9、寬度等作用。配置箍筋的鋼筋混凝土梁，在臨近界限荷載時，梁端剪跨段內各箍筋的實 測應力應變分布狀況如圖2.7 o當荷載P很小混凝土未開裂之前，箍筋中的應 力很小。在配有箍筋試驗梁的荷載試驗中，觀察到的箍筋實測應力很小圖2.8: 當荷載F=24k N時，箍筋實測應力僅8MPa因而，在斜裂縫出現前，箍筋的 作用不大。 25笳一力變化線增加梁上荷載，在較大彎矩區(qū)出現豎直方向的受拉裂縫。這種裂縫與箍筋 平行，對箍筋的應力影響仍不太大。繼續(xù)增加荷載，受拉裂縫向上延伸，斜角 減小，形成彎剪裂縫；靠近支座處則出現傾斜的腹剪裂縫，并往上、下兩邊延 伸。當這些裂縫與箍筋相交后，箍筋的應力突然增大。隨著斜裂縫的加寬

10、和延 伸，箍筋的應力繼續(xù)增大，又有箍筋出現應力突增。致使各個箍筋應力值各不 相同，即使同一箍筋的應力沿長度（截面高度）方向的分布也很不均勻，完全 取決于斜裂縫的位置和開展程度，在支座范圍及其附近的箍筋由于受到支座反 力的作用，可能承受壓應力。構件臨近破壞時，靠近腹剪裂縫最寬處的箍筋首先屈服， 雖維持屈服應力, 但已不能限制斜裂縫的發(fā)展。隨之，相鄰的箍筋相繼屈服，斜裂縫寬度沿全長 增大，骨料咬合作用減弱。最終，斜裂縫上端的混凝土在正應力和剪應力的共 同作用下破壞，同樣形成剪壓破壞形態(tài)。在破壞后的斜裂縫最寬處可以看到箍 筋被拉斷，斷口有明顯的頸縮現象。2 .斜筋的作用起鋼筋進入截面上部，并穿過支座

11、，可作為連續(xù)梁的抗彎矩主筋。彎起部 分設在梁內的適當位置，斜裂縫與之相交后受到鋼筋的約束，裂縫的發(fā)展被減 緩，增大了構件的彎剪承載力。彎剪鋼筋的抗剪作用和箍筋相似：斜裂縫出現前影響很??；斜裂縫延伸并 穿越彎起鋼筋時，應力突增；沿彎起鋼筋的長度方向，應力隨裂縫的位置而變 化；構件被破壞時，與斜裂縫相交的彎起鋼筋可能達到屈服，取決與裂縫的位置和寬度。綜上可見，配置箍筋是提高梁抗剪承載力的有效措施。箍筋一般是沿梁剪 跨布置的，在梁的剪跨范圍內只要出現斜裂縫，相應部位的箍筋就發(fā)揮作用。 彎起鋼筋或斜筋只有與臨界斜裂縫相交后才能發(fā)揮作用，可以提高梁的抗剪承 載力。試驗證明，梁的抗剪承載力隨彎筋面積的加大而提高，兩者呈線性關系。 彎筋僅在穿越斜裂縫的部位才可能屈服。當彎筋恰好從斜裂縫頂端越過時，因 接近受壓區(qū)，彎筋有可能達不到屈服強度，計算時要考慮這個因素。彎起鋼筋 雖能提高梁的抗剪承載力，但數量少而面積集中，對限制大范圍內的斜裂縫寬 度的作用不大，所以，彎筋不宜單獨使用，而總是與箍筋聯合使用。設置腹