预应力混凝土梁受剪性能试验研究与理论分析

摘要

混凝土结构受剪性能的研究已有上百年历史，但机理复杂、影响因素众多，至今尚未有统一的强度理论对剪切机理做出合理的解释，故各国规范抗剪设计条文多经验化而理论性不强，且差别较大。预应力使得抗剪研究更加棘手，其对抗剪的影响仍是工程界悬而未决的问题之一，随着预应力混凝土结构的广泛应用，其受剪性能的研究也迫在眉睫。鉴于此，本文通过理论和试验研究，取得了如下主要研究成果：
　　 1.抗剪设计方法研究
　　 1)结合基于平截面桁架模型抗剪设计方法的发展，对45度桁架模型、变角度桁架模型及修正压力场理论等比较流行的桁架模型进行了详细的分析和总结，并对几个具有代表性的基于常用平截面桁架模型的抗剪设计公式和相关条文的演变进行了详细的讨论。此外，对各国规范受剪承载力公式中主要影响因素进行了对比分析。
　　 2)鉴于国内外规范尚未有PC深受弯构件的受剪承载力计算公式，通过优化建立了适合D区梁（小剪跨比浅梁和深受弯构件）抗剪设计的改进拉压杆模型(MSTM)，并推导了承载力计算公式。公式合理考虑了多个主要影响因素，且使得PC及RC梁的抗剪设计得到了统一协调。同时，经深受弯构件剪切数据库(DSDB)验证表明，MSTM预测结果精确、连续而又偏于安全，可用于D区梁的受剪承载力预测。
　　 2.基于剪切数据库的抗剪设计方法评估
　　 1)广泛收集国内外试验数据，建立了超大规模的浅梁剪切数据库(QSDB)，对抗剪主要影响因素进行了详细分析和讨论。研究表明：深受弯构件和小剪跨比梁表现出基本相同的受剪性能，均适宜采用MSTM进行受剪承载力预测；轴向预压应力对简支梁、约束梁或连续梁的抗剪均起到一定的有利作用，且对有、无腹筋梁有所区别。
　　 2)从QSDB中选取合理试验数据，组建了合理剪切数据库(RSDB)，对基于截面和基于拉压杆模型的抗剪设计公式进行了评估和对比。结果表明：对于剪跨比λ大于2.0的试验梁，CSA-04规范抗剪设计公式因合理考虑了纵筋销栓作用、截面尺寸效应及预应力贡献，预测结果在精确性、安全度和协调性等方面均明显优于ACI318-08和GB02规范公式：对于小剪跨比构件（λ≤2的PC和λ≤2.5的RC），MSTM较合理地考虑了各主要因素的影响而给出了较高精度的预测结果，但GB02规范抗剪设计公式因未合理考虑销栓作用、尺寸效应及预应力的影响而预测精度较低。
　　 3.小剪跨比曲线预应力筋PC梁的试验研究
　　 进行了两组小剪跨比曲线预应力筋PC梁的试验研究，每组四根试件，均保持混凝土名义强度、剪跨比及预应力度基本不变，其中第Ⅰ组(As组)以普通纵筋配筋率为主要变量，而第Ⅱ组（θ组）主要变化曲线预应力筋角度。研究结果表明：相对于RC梁，PC梁斜裂缝条数多而倾角小，且多指向加载点外侧，破坏模式甚而发生改变；正常纵筋配筋率的小剪跨比PC梁倾向于发生弯剪破坏；纵筋配筋率越大，梁刚度相对越稳定；对于小剪跨比PC梁，预应力筋角度θ越大，对抗剪越不利：对于RC梁，形成直接拉压杆传力机制的临界剪跨比λcrit约为1.8～2.2，而对于PC梁，因预应力降低了斜缝倾角而相对增大了λcrit，更易形成直接拉压杆传力机制；对于曲线筋PC梁，存在临界纵筋配筋率ρcrit，当纵筋配筋率ρ大于此值时，才宜考虑曲线筋的竖向分力贡献，且剪跨比λ越小，ρ.越低；曲线筋竖向分力的抗剪作用同时与λ和ρ相关，当ρ大于ρcrit时，小剪跨比梁的Vu随θ角的增大而减小，大剪跨比梁Vu随θ角的增大而增大，而当ρ小于ρcrit时，两者均将随θ角的增大而降低：对于小剪跨比梁，特别是PC梁，拱效应传力机理占主导，MSTM预测结果精确较高，反映的趋势与试验结果也一致，且对预应力有利作用的预测与试验值也接近。