叠合梁叠合面抗剪机理分析及抗剪强度计算

第３卷第３期　２００６年９月　邵阳学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈａｏｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　Ｖ０１．３．ＮＯ．３　Ｓｅｐ．２００６　文章编号：１６７２—７０１０｛２００６）０３—００４８—０４　叠合梁叠合面抗剪机理分析及抗剪强度计算　谢钰　（湖南大学土木工程学院，湖南长沙究者的叠合面计算方法，提出今后需要进一步研究的建议．　关键词：叠合面；抗剪破坏机理；反复荷栽；计算方法　中图分类号：ＴＵ３７　文献标识码：Ａ　４１００８２）　摘要：本文充分利用已有的研究成果，分析了叠合面的抗剪破坏机理及其影响因素，并列举比较部分规范和研　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ａｎｔｉ。——ｓｈｅａｒ　ｄｅｓｔｒｏｙ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅａｍ　ＸＩＥ　Ｙｕ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｔｍｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４１００８２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａｎｔｉｓｈｅａｒ　ｄｅｓｔｒｏｙ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ￣ｍｂｉｎｅｄ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｉｎｄｉｎｇｓ，ｓｏｍ．ｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｉｎｖｅｓｔｉ—ｇａｔｏｒ　ｏｎ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｒｅ　ｉＵ￣ｔｍｔｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｒｆｌ—　ｐａｒｅｄ，ｆｉｎａｌｌｙ，ａ　ｐｒｏｐｏ６ｅ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ａｎｔｉ——ｓｈｅａｒ　ｄｅｓｔｒｏｙｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ａｌｔｅｒｎａｔｂｎ　ｌｏａｄ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　混凝土叠合结构是取整浇式混凝土结构和装配　式混凝土结构两者之长而舍其短的结构形式，即具　有整体刚度好、抗震性能优越、节省三材、施工简便、　缩短工期等优点．在这种构件中，叠合面的抗剪强度　是预制混凝土和后浇混凝土结为整体而共同工作的　基础．如果叠合面处理不好，在使用情况下就会发生　严重的水平裂缝，这将导致梁的刚度和强度降低，同　时给人以不安全感．同时叠合面的破坏还会导致梁　生的情况；另一种仅剪压破坏而叠合面完好．在结构　设计中，第二种情况是我们所希望的形式．　１．１　叠合面的抗剪破坏机理　国内外许多学者利用桁架模型来分析叠合面的　破坏，对于叠合梁，后浇混凝土剪压区为桁架的上弦　压杆，下部纵向钢筋为下弦拉杆，箍筋为竖向受拉腹　杆，斜裂缝之间的混凝土为受压斜腹杆¨－２　．叠合梁　的斜裂缝发展到叠合面时，当混凝土的主拉应力达　到其抗拉强度时，就会沿叠合面出现一系列细微斜　不能充分发挥其承载力．本文充分利用国内外已有　的叠合面的研究成果和规范，分析了叠合面的抗剪　破坏机理和计算方法．　１　叠合面的抗剪破坏机理及其影响因素分析　裂缝，叠合面上下混凝土发生相对滑移．随着剪力的　增大，斜裂缝之间的斜压杆将会发生转动，相对滑移　的增大，叠合面裂缝也会相应增大，从而使箍筋受　拉，为了平衡箍筋拉力所产生的反作用力对叠合面　形成约束力的作用，使叠合面裂缝的开展受到抑制，　混凝土受压斜杆将既受压又受剪，而剪力通过叠合　面处混凝土粘结力、骨料咬合力和箍筋销栓力来传　递．当箍筋强度不过高而且配筋率不过大时，箍筋将　叠合面的破坏均出现在剪跨区段，叠合梁处于　复合应力作用下，主拉应力是造成梁开裂的主要原　因．当叠合构件的临界斜裂缝产生并延伸到叠合面　后，后浇混凝土的破坏形式大致有两种：一种沿叠合　面的剪切破坏和临界斜裂缝以上混凝土被压碎都发　收稿日期：２００５一Ｏ６—２Ｏ　作者简介：谢钰（１９７３一　），男，湖南邵阳人，湖南大学硕士研究生，主要从事组合结构抗震性能研究．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　谢钰：叠合梁叠合面抗剪机理分析及抗剪强度计算　４９　在斜压杆剪压破坏之前达到屈服强度．最后，随着斜　压杆的破坏，叠合面两侧混凝土将发生明显的相互　滑动而使叠合面破坏．　反弯点附近叠合面的受剪破坏机理与其它截面　破坏机理有所不同，对于一次受力的连续梁来说，在　面的应力状态、循环荷载等因素影响，现做简单分　析．　１．２．１　叠合面的形式　实际工程中的叠合面一般分为光滑面、自然粗　忽略水平力偏心效应和竖向力的影响后，其脱离体　非常接近直接剪切的受力状态，因此，当叠合面所能　糙面、锯齿面三种形式．锯齿面的抗剪强度最高，自　然粗糙面形式次之，光滑面最低【３　】．这是由于混凝　土之间的粘结力和摩擦力引起的．　提供的受剪能力低于所需传递的水平剪力时，叠合　面在反弯点附近发生沿叠合面剪切破坏．对于二次　受力的叠合连续梁来讲，剪跨区内存在反弯点．在反　弯点截面的叠合面以下的一定范围内存在由第一阶　段荷载产生的压力区，由于该截面不存在第二阶段　产生的弯矩作用，这种压应力不受正截面内力重分　布的影响，我们称这个压力区为“荷载预压应力区”．　钢筋混凝土连续梁由于第一阶段荷载Ｆ。的影响，出　现主拉应力超前，在第二阶段荷载Ｆ：作用下，首先　在预制部分出现第一条主裂缝，然后出现第二条主　裂缝，形成荷载预压应力区．如图１所示，其中沿预　压区斜边优竹发展的裂缝上指Ｆ，或Ｆ，和Ｆ：加载点　间（指向与Ｆ。的大小有关），下达剪跨正弯矩区段的　下缘．沿　开展的裂缝，一般都沿跏水平段开展一　段长度，再向上伸人后浇混凝土并向Ｆ：加载点发　展，也有从Ｐ点直接指向Ｆ：作用点的，向下到达中支　座．预压区的两条斜边与相应两部分的主应力迹线　走向大体一致．其中鲫水平段虽与主应力迹线不一　致，但预压区的这条边界为反弯点截面附近的一段　叠合面．这段叠合面上侧混凝土在第二阶段荷载Ｆ２　作用后期出现拉应力，而下侧预制混凝土中存在压　应力，上下应力差构成叠合面较大的剪应力，从而导　致叠合面局部剪切破坏，出现局部水平裂缝．　Ｆ　＼皿　＼　／　图１　钢筋混凝土叠合梁反弯点区域　破坏形态及‘荷载预压应力区’　１．２　叠合面抗剪强度影响因素与分析　大量叠合面抗剪强度试验研究表明，叠合抗剪　强度受叠合面的形式、箍筋特性、混凝土强度、叠合　１．２．２箍筋特性　对不同的叠合面来说，箍筋的受力不同．光滑面　中，滑移不会引起裂缝宽度的增大，箍筋主要受剪而　不是受拉．因此增大钢筋直径能够提高其抗剪强度，　但若直径过大则可能引起混凝土压碎或劈裂破坏，　反而不利抗剪．在粗糙叠合面中，箍筋主要受拉．增　大箍筋的直径会使钢筋表面与混凝土之间的粘结应　力增加，从而增大二者之间的相对滑移和剪切面的　裂缝宽度，使裂缝表面的突出物之间的咬合程度减　小，剪切面的抗剪能力便因此略有下降．选用屈服强　度高但仍能达到屈服强度的箍筋，在吸附应力　不变的条件下（吸附应力定义为　与　的乘积，其　中　为箍筋的配筋率、为箍筋的屈服强度），也会　．　由于钢筋与混凝土之间的粘结应力增高，而使抗剪　能力略有降低．由于变形钢筋与混凝土的粘结比光　滑钢筋要好，因此采用变形钢筋更有利于提高抗剪　强度　引．　１．２．３混凝土强度　在预裂剪切面中，当ｌＤ　不大时，其抗剪强度由　箍筋的屈服强度控制．这种试件在破坏时，除了叠合　面之间的突出物表面的部分细小粗糙物被剪掉，并　不造成混凝土的破坏，所以混凝土强度对其影响不　明显．但是当　较大时，剪切面就会出现斜裂缝，　抗剪强度是由突出物的破坏控制，这时混凝土强度　对抗剪强度的影响较明显．　１．２．４　叠合面的应力状态　试验表明【８ｌ，垂直于剪切面的压应力相当于增　加了ｌＤ　，而拉应力则相当减少ｌＤ　；对于预裂剪切　面来讲，平行于剪切面有拉应力或压应力作用的抗　剪强度相同；但在未预裂剪切面中，平行于剪切面有　拉应力作用的抗剪强度相同显著低于平行于剪切面　有压应力作用的抗剪强度．在矩形叠合梁中，叠合　面的开裂受梁预制截面高度＾。与叠合后截面总高　度　之比ｃｒ＾＝　。／ｈ的影响较大，如果叠合面的高度　过小而使叠合面位于受拉区，由外荷载引起的拉应　力较大，同时，由于叠合面位于中和轴以下，叠合面　所受剪力也较大，在复合应力作用下，叠合面更加容　维普资讯 http://www.cqvip.com

邵阳学院学报（自然科学版）　第３卷　表１　国内外部分规范对叠合面计算方法的规定　注：表中各符号意义。　一验算截面的剪力设计值。ｒ一叠合面上的剪应力设计值，ｆ。一叠合面的极限剪应力。６一截面宽度，＾ｏ一截面有效高度。　一承栽能力　折减系数。　一配箍率。　一箍筋屈服强度，　一预幸４梁与后浇混凝土抗压强度的较低值　表２　部分国内外学者提出的叠合面计算方法　注：　一截面极限剪力，　一综合影响系数，　一后浇混凝土的抗拉设计强度。其余符号与表１相同．　易出现水平裂缝，随着叠合面高度的加大，拉应力将　减小，甚至变成压应力，叠合面的剪力也会变小，因　２．２　国内外有关研究者提出的计算方法　有关叠合面的抗剪计算和研究，国内外学者就　此在叠合面上不会产生水平裂缝．对于叠合梯形梁　来讲，叠合面的开裂除了受　＝　，　影响，还受翼　缘板有效宽度的影响．但是对于矩形和梯形连续梁　而言，如果ａ　＝　较大时，位于负弯矩区的叠合　进行了系统的研究，通过对试验数据的分析，对叠合　面的抗剪强度提出了各种不同的计算方法如表２．　虽然国内外规范和学者提出了多种叠合面抗剪　强度和承载力计算方法，虽然看起来不同，但是主要　面将在受拉区，将对叠合面的受力不利，容易发生叠　合面破坏．１．２．５　循环荷载的影响　试验研究表明　，循环荷载将降低剪切面的抗　剪强度．这主要是由于在循环荷载作用下，两个方向　的裂缝将梁分割为一系列块体，这些块体间的相互　联接，仅靠骨料咬合力和穿过裂缝的钢筋提供，所以　叠合面滑移的约束作用更小．同时反复荷载削弱了　箍筋与混凝土之间的粘结，并同时破坏了裂缝面的　粗突出物，使骨料的咬合力和摩擦力降低．随着穿过　以三种形式表示：一种是以截面平均剪应力为基础；　第二种是以叠合面处一点剪应力为基础；第三种是　通过对试验数据的分析和拟合而得到计算公式．现　在几乎所有的计算方法中，考虑抗震对叠合面抗剪　强度影响的计算方法很少，只有叠合式连续结构性　能及设计方法专题组通过少量试验，提出在我国规　范规定的叠合面计算公式的基础上减小混凝土和箍　筋的抗剪强度来计算¨引．但是在规范和设计手册中　没有体现，需要进一步试验研究．　３　研究建议　叠合面裂缝的增多，相邻两条裂缝之间的叠合面面　积和穿过的箍筋将减少，所能提供的抗剪能力也就　减小．因此其叠合面抗剪承载力将比单向荷载有所　降低¨引．　２　叠合面的抗剪强度的计算方法　２．１　国内外部分规范中有关叠合面抗剪强度计算方　法　综合上面所述，叠合面的抗剪能力是否可靠，是　保证梁正常工作的基础．但是在很多研究中，以下方　面没有涉及或不深入，需要进一步研究．第一，叠合　梁叠合面新旧混凝土的强度等级级差的大小在一个　什么范围合适；第二，对于连续梁，在荷载作用下，负　弯矩区段ａ　与正弯矩区段ａ　的关系；第三，需要进　一关于叠合面的剪应力和抗剪强度计算，国外各　国规范提出了不同的计算方法．现列表如表１．　步研究低周期反复荷载对叠合面抗剪强度的影　响，更好地保证结构在使用的安全性．第四，在反复　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　谢钰：叠合梁叠合面抗剪机理分析及抗剪强度计算　５１　荷载作用下，叠合构件　的影响因素与优化．　参考文献：　［１］宋建中，耿渝新．叠合框架受力性能的试验研究［Ｊ］．长　沙交通学院学报，１９９６，１２（２）：６５—７４．　［２］叠合式连续结构性能及设计方法专题组．钢筋混凝土　及预应力混凝土叠合连续梁斜截面受力性能试验饮研　究［Ａ］．混凝土结构研究报告集３［Ｃ］．中国建筑工业出　版社。１９９４：２４５—２５７．　［３］　Ｓａｅｍａｌ　Ｊ　Ｃ　ａｎｄ　Ｗａｓｈａ　Ｇ　Ｗ．Ｈｏｒｉｚｏｎｔｌａ　Ｓｈｅａｒ　Ｃｏｎｎｅｃ．　ｔｉｏｎｓ　Ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｐｒｅｃａｓｔ　Ｂｅａｍｓ　ａｎｄ　Ｃａｓｔ—ｉｎ—ｐｌａｃｅ　Ｓｌａｂｓ．　ＡＣＩ　Ｊｏｕｒｎａｌ，１９６４，６１（１１）：１３８３—１４０９．　［４］Ｄｏｕｇｌａｓ　Ｍｅｃｈｅｎｒｙ　ｅｔ　ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ　ｉｎ　Ｐｒｅｃａｓｔ　Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｓｉｘｔｈ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｉｎ—　ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｆｏｒ　Ｂｒｉｄｇｅ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９６１．　［５］Ｈｏｆｂｅｃｋ　Ｊ　Ａ，Ｉｂｒａｈｉｍ　Ｉ　Ｏ　ａｎｄ　Ｍａｔｔｏｃｋ　Ａ　Ｈ．Ｓｈｅａｒ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ．ＡＣＩ　Ｊｏｕｒｎａｌ，１９６９，６６　（２）：１５２１—１５３４．　［６］　Ｍａｔｔｃｏｋ　Ａ　Ｈ　ａｎｄ　Ｈａｗｋｉｓｎ　Ｎ　Ｍ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｓｈｅａｒ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ．ＰＣＩ　Ｊｏｕｒｎａｌ，１９７２，１７　（２）：３４８—３５５．　［７］　Ｍａｔｔｃｏｋ　Ａ　Ｈ．Ｃｙｃｌｉｃ　ｓｈｅａｒ　Ｔｒａｎｓｆｒｅ　ａｎｄ　Ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｉｎｔｒｅ．　ｆａｃｅ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤｉｖｉｓｌｏｎＡ￣＇Ｅ，１９８１（１０）：１２１—１２８．　［８］秦文钺，．弯矩对剪力传递强度的影响［Ｊ］．重庆建　筑工程学院学报，１９８５（３）：７５—８１．　［９］秦文钺，．钢筋混凝土的剪力传递强度的计算方法　［Ｊ］．重庆建筑工程学院学报，１９８６（１）：２２—２７．　［１Ｏ］叠合式连续结构性能及设计方法专题组（贺采旭执　笔）．低周反复荷载下钢筋混凝土叠合梁、板受力性能　的试验研究［Ａ］．混凝土结构研究报告集３［Ｃ］．北京：　中国建筑工业出版社，１９９４：３２１—３３６．　［１１］ＡＣＩ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅ　３１８．Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｃｏｄｅ　Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｅｎｔａｒｙ［Ｍ］．Ａｍｅｒｉｃａｎ　ｏＣｎｃｒｅｔｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，２００２．　［１２］钢筋混凝土结构设计规范（ＧＢ５００１０—２００２）［Ｓ］中国　建筑工业出版社，２００２．　［１３］法国建筑科学技术中心．用预制混凝土薄板和现浇混　凝土层组成的空心楼板的技术规定［Ｓ］．１９７９－９，中国　建筑科学研究院情报所译，１９８２．　［１４］法国钢筋混凝土工程与建筑设计计算技术规定（ＣＣ—　ＢＡ６８）［Ｓ］．１９７０年修订本．国家建委建筑研究院结构　所译，１９７３．　［１５］叠合梁专题研究组，预应力混凝土叠合梁受力性能的　’研究［Ｊ］．建筑结构，１９８２（４）：５７—６２．　［１６］林少明，贺采旭．低反复荷载下钢筋混凝土连续叠合　梁抗剪性能［Ｊ］．武汉水利水电学院学报，１９８３（２）：１２２　—１２８．　［１７］Ｌｏｏｖ，Ｒ．Ｅ．ａｎｄ　Ｐａｔｎａｉｋ，Ａ．Ｋ，Ｈｏｒｉｏｎｔｌａ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｎｅｇｔｈ　ｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｏＣｎｃｒｅｔ　Ｂｅａｍ　ｗｉｔｈ　ａ　Ｒｏｕｇ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ［Ｊ］．　ＰＣＩ　ｊｏｕｒａｎｌ，１９９４，３９（１）：２５８—２７０．