混凝土结构冲切破坏和剪切破坏的理解与辨析.pdf
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/1202009年4月2009年第2期第35卷总第148期混凝土结构冲切破坏和剪切破坏的理解与辨析李剑群(中国建筑西南设计研究院,四川成都610081)摘要:
本文比较了不同规范对混凝土结构冲切和剪切问题的相关条款,对工程中经常模糊的问题进行了综述,并给出了设计建议。
关键词:
冲切,剪切中图分类号:
TU37文献标识码:
A文章编号:
1672-4011(2009)02-0120-03TheunderstandingandAnalysisofpunchingandshearinginConcretestructureLijian2qun(SouthwestArchitectureDesignInstituteofChinaChengdu610081)Abstract:
Thisarticlecomparesthenormsaboutpunchingandshearingofconcretestructureinthedifferentcodes,re2viewsthevaguequestionsinengineeringandgivesthedesignproposals。
Keywords:
punch;shear1引言在混凝土结构构件设计中,规范针对不同的构件如梁、板、基础、桩承台,规定了是否需要验算冲切或者剪切,但不同规范中有的规定并不一致,计算方法及计算模型也不尽相同,对冲切和剪切概念上仍有很多地方不甚清楚。
本文对冲切破坏和剪切破坏做了进一步的分析和说明。
2常见规范中对冲切和剪切承载力验算的条款表1是常见规范中对冲切和剪切承载力验算的条款:
综合各现行规范,对是否进行抗冲切验算和抗剪验算,有以下结论:
(1)对不配置箍筋的普通板类受弯构件,混凝土结构设计规范明确规定需验算受剪承载力;
(2)对在局部荷载或集中反力作用下的不配箍筋的板,混凝土结构设计规范明确规定需要验算受冲切承载力;(3)对无筋扩展基础,各规范均要求对基底平均压力超过300kPa的情况验算受剪承载力;(4)对扩展基础,各规范均要求验算受冲切承载力;建筑地基基础设计规范在条文说明81217条和附录S中提到了柱下独立基础的斜截面受剪折算宽度,但未明确是否应该做抗剪验算;广东省建筑地基基础规范91217条,明确要求验算墙下条基的受剪承载力,明确要求在不满足相应条件时应验算柱下矩形基础受剪承载力;(5)对筏板基础和桩承台,表中各规范均明确要求同时验算冲切和剪切承载力。
但北京院技术措施4认为:
筏表1常见规范对冲切和剪切承载力验算的条款验算构件验算内容国家及地方规范的规定冲切剪切混凝土结构设计规范1建筑地基基础设计规范2广东省建筑地基基础设计规范3需要验算的位置规范中的基本公式板类受弯构件-71513条-斜截面V017hftbh0局部荷载或集中反力作用下的不配箍筋的板-71711条-荷载作用边缘处Fl017hftumh0无筋基础中基底平均压力超过300kPa的混凝土基础-81112条条文说明91112条墙柱边缘或变阶处Vs01366ftA扩展基础-71714条81217条91217条墙柱边缘或变阶处Fl017hftbmh0-81217条条文说明及附录S91217条距基础柱边或变阶处h0/2截面Vs017hsftA0筏板基础-81415条/81418条91415条m取距基础梁或内筒边h0/2截面周长-81415条/81419条-Vs取距基础梁或内筒边h0Fl017hpftumh0Vs017hsft(ln2-2h0)h0-91415条Vs取距基础梁或内筒边h0/2Vs017hsftbh0桩承台-815117条101514条柱边和变阶处、角桩边缘混凝土结构设计规范公式(81511711)(815117111)-815118条101514条柱边和桩边、变阶处和桩边连线形成的斜截面Vhsftb0h01994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:
/2009年第2期第35卷总第148期1212009年4月板基础的双向板,仅验算抗冲切强度即可。
根据是美国及新西兰规范规定:
单向受力构件,验算抗剪强度,如梁(深梁除外);双向受力构件,验算抗冲切强度,如双向板、柱下扩展基础;(6)由上表可见,各规范对冲切和剪切承载力验算的规定并不完全一致,荷载取值、计算模型和截面及相应公式略有差别。
3冲切和剪切的概念辨析冲切破坏的定义为:
混凝土双向板式结构(对象)在集中力作用下(条件)沿非柱面形式的空间斜曲面发生的(截面)、以错动变形为主的(机构)局部(范围)脆性(性质)破坏5。
在钢筋混凝土原理一书中,对板冲切承载力有以下的描述:
板极限冲切承载力的主要影响因素有板的形状(平板、平缓梯形、阶梯型)和厚度、混凝土的强度ft、纵向配筋率等。
承受冲切荷载的板,在柱或荷载周围的应力状态比梁的抗剪问题更复杂,至今没有准确实用的计算方法,有的文献曾探讨过用塑性理论极限分析法求解。
至今各国的设计规范中采用的计算式一般都是基于试验结果的经验式6。
剪切破坏需从混凝土构件受剪的机理说起:
混凝土构件斜受剪的计算模型为桁架,上部混凝土(上弦杆)受压,下部钢筋(下弦杆)受拉,斜裂缝间混凝土(斜腹杆)受压或受拉。
配置箍筋的作用,就是需要箍筋和该斜腹杆来共同承担它们沿斜腹杆方向的拉力或压力(箍筋的有效断面垂直于该斜腹杆)。
混凝土斜截面破坏(也就是剪切破坏)是由于斜腹杆被压坏或拉坏引起的。
从本质上来讲,冲切是三维双面剪切,剪切是二维的单面剪切。
剪切又称单向剪切(onewaysherar);冲切有时候也称冲剪,又称双向剪切(punching,twowayshear),它的计算破坏面是一个菱柱体的四个斜面,我们计算剪切一般都是梁式构件或有梁式构件的受力特征,它的剪切破坏面只是一个斜平面。
规范的公式在计算中均利用了017倍的混凝土抗拉强度(不考虑钢筋、预应力部分),从本构的层次说,这表明对混凝土的破坏极限状态的认定是相同的。
下面对于不同结构构件来阐述冲切和剪切的破坏状态:
(1)板柱结构的冲切破坏:
板柱周边的板是连续的,结构发生破坏时,应是四面一起冲切破坏。
由于在冲切破坏锥体范围内,混凝土表现为一个刚体,荷载是按边长分担的,不存在受荷面积大小的问题。
至于两边跨度不同等已经通过不平衡弯矩调整。
(2)独立基础的冲切破坏分为两种情况:
由于基础常常表现为矩形,当冲切破坏锥不能落在基础底面范围内的时候,其计算就只能用单面的冲切来验算,若是能够落在基础底面范围内的时候,其计算其实和板柱就是一样的了。
对于由于上部柱子产生的不平衡弯矩,独基采用了更为保守的做法,取地基净反力的最大值来计算。
这样,规范为了统一公式,就只给出了按单面抗冲切的形式。
(3)梁板式筏基和平板式筏基:
在设计时通过平均应力水平和局部应力水平来控制筏板不发生冲切破坏。
对于平板式筏基,其冲切破坏临界界面周长一般都很长,规范调整了其抗冲切能力(具体的解释可看建筑地基基础设计规范281418条的条文解释),通过抗冲切能力的验算,控制了筏板平均的应力水平;同时,对于筏板基础,由于冲切面积较大,荷载在这样一个大的范围内分布很不均匀,且受到结构上部刚度的影响,受力大的部位将会提前发生破坏,而这就需要通过局部的抗剪验算来满足。
冲切破坏和剪切破坏都是剪应力强度不满足。
但是三维应力作用下,很难判断哪种应力状态最不利,所以根据工程经验,发现验算剪切破坏和冲切破坏(加上安全系数)基本能使最不利状态得到满足,因此提出两种验算。
对于不同的结构形式和不同的结构构件,是由不同的破坏模式控制。
4对常见混凝土构件关于剪切和冲切对比的内容表2总结了冲切和剪切的若干对比:
表2冲切和剪切的若干对比冲切剪切异同点破坏形式及破坏机理在局部荷载或集中反力作用下,在板内产生正应力和剪应力,尤其在柱头四周合成较大的主拉应力,当主拉应力超过混凝土抗拉强度时,沿柱(桩)头四周出现斜裂缝,最后在板内形成锥体斜截面破坏,破坏形状像从板中冲切而成,故称冲切破坏,为斜拉破坏。
混凝土剪切破坏与结构类型,荷载形式,混凝土强度,剪跨比均有关系配筋率过大:
斜压破坏;配筋率适当:
剪压破坏;配筋率过低:
同无腹筋梁,当剪跨比3为斜拉破坏;当剪跨比1为斜压破坏;其他为剪压破坏需验算的构件梁,扩展基础,筏板基础,桩承台柱下独立基础、梁板式基础、筏板式基础、桩承台、无梁楼盖基本公式V017hftbh0Fl017hftumh0都属于脆性破坏,剪切破坏的工况更为复杂,某些工况下两种破坏形式较类似。
剪切又称单向剪切,冲切又称双向剪切5结语不同构件是否需进行冲切和剪切验算,有以下结论:
(1)在一般楼面、屋面板中,起控制作用的是正截面受弯承载力,斜截面受剪承载力一般不会发生问题,故不作验算。
但在基础底板、厚板转换层等厚板中,板的斜截面受剪承载力随板厚的增加而降低。
故必须进行厚板的斜截面受剪承载力计算。
混凝土规范第71513条指的就是这类“不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件”。
地基和基础规范在第81419条中有关于厚板抗剪的规定。
(2)一般说来,柱下单独基础板双向受力,墙下条形基础板单向受力,冲切和剪切,其破坏机理类似,承载力均受混凝土的抗拉强度所控制。
不同的是剪切破坏面可视为平面,而冲切破坏面则可视为空间曲面,如截圆锥、截角锥或棱台及其他不规则曲面等。
对于双向受力的柱下单独基础应验算控制截面的受冲切承载力,必要时应验算(下转第123页)1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:
/2009年第2期第35卷总第148期1232009年4月汽车坡道通过这一路径传递水平侧压力的能力也更强。
图3传递路径二相比更为直接,如图1-1所示,侧壁传给坡道板的水平力,可以通过坡道板自身直接传递给B轴线处的框架柱。
此时,B轴线处框架柱既被坡道板分割成短柱,又承受坡道板传来的横向水平力。
3计算结果本工程首先采用中国建筑科学研究院的SATWE程序计算,计算模型按层输入,因此计算模型未考虑错(跨)层的汽车坡道,仅在主体结构楼层的对应位置施加了坡道的竖向荷载。
这一计算未考虑框架柱被汽车坡道板划分为短柱和所受柱间水平力,框架柱的计算配筋也为构造配筋。
当地下室侧壁所受压力较小时(比如单层地下室),再加上,地下室侧壁所受土压力实际大小应该在主动土压力和静止土压力之间,小于静止土压力,且施工时的地下室基坑护壁也会进一步减小地下室侧壁所受压力。
所以有的工程直接采用SATWE这种计算结果设计,而框架柱不另外加强,也没有导致安全问题。
本工程为三层地下室,水、土对地下室侧壁的水平压力较大,B轴线上3、4、5轴线处的框架柱所受的横向水平力也会较大,如果忽视这种作用,可能会影响主体结构安全。
因此,采用SAP2000中文版,对本工程进行复核计算。
SAP2000计算时,梁柱采用杆系线单元,地下室侧壁、楼板、坡道板均采用厚壳单元。
计算模型和荷载均按实际情况输入。
由计算得到B轴线上3、4、5轴线处的框架柱配筋结果比上述SATWE计算结果(约为三级抗震时的构造配筋)大许多,例如轴线4交轴线B的框架柱SAP2000计算的全部纵筋配筋率达到4117%。
图2为不考虑其他荷载,仅在土、水的侧压力下轴线4交轴线B处框架柱的SAP2000计算弯矩。
在土、水的侧压力下,不同坡道板厚度条件下轴线4-B框架柱的各点内力详表1,轴线4-D框架柱的相应各点内力详表2。
从表中可以看出,坡道板厚度由120增加到150时,坡道板通过路径一传递更多的侧壁水平力,减轻了通过路径二传给框架柱的柱间水平力,从而框架柱各点弯矩减小。
而取消坡道板(即板厚为0),保留坡道梁,将较大削弱路径一的作用,侧壁的水平力通过坡道横向主梁作用在柱间,框架柱的弯矩增大较多。
2号汽车坡道比1号汽车坡道宽,所以表2中的弯矩数值也一般略小于表1。
表1轴线4-B框架柱在坡道板不同厚度时的各点弯矩值1234567030218267711311491551746191114212850198925179120mm23018952216498219152918910811939541661069193150mm226161516107961109149511110611829521751063129(单位KN-m)表2轴线4-D框架柱在坡道板不同厚度时的各点弯矩值12345670305197678101114914117391381147159802167847158120mm21718149915295016414641211059131893184973177150mm21317949119292710214261581036117887137964178(单位KN-m)4结论和建议地下室侧壁受土压力和地下水侧压力作用,地下室侧壁压力通过汽车坡道板作用在相连的框架柱上,使框架柱受力较为不利。
随着结构计算技术的不断进步,计算地下室侧壁处汽车坡道板对相连框架柱的受力影响是可行的。
应适当加大被坡道板分割成短柱的框架柱的截面,有条件时设置混凝土墙,与框架柱一起抵抗坡道板传来的侧壁水平压力。
框架柱的箍筋应通长加密。
传递土压力的汽车坡道板宜适当增加板厚度,并双层双向配筋。
在坡道板受力较大部位-与楼层板直接相连的板跨,宜适当增加板的配筋率。
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4680参考文献:
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中国计划出版社,2003,2.(上接第121页)抗剪承载力;对于单向受力的墙下条形基础只需验算控制截面的受剪承载力。
国家标准建筑地基基础设计规范GB50007-2002中81217条关于扩展基础的计算仅要求验算基础的受冲切承载力。
对于双向受力的基础底板,一般情况下是安全的。
为了稳妥起见,广东省标准建筑地基基础设计规范DBJ15-31-2003给出了同时满足受剪承载力要求的界限条件式(91217-4)。
实际工程中有这种情况,由于场地或者柱网布置所限,柱下独立基础长边与短边之比大于2,基础底板近乎单向受力,应验算基础的受剪切承载力。
把构件剪力最大的截面即柱、墙等支座边作为验算控制截面比较合理。
详细的公式推导及说明可参见广东省标准建筑地基基础设计规范DBJ15-31-20033。
综上所述,冲切和剪切是斜截面破坏的两种形式。
本文建议,应该分别验算结构构件的冲切和剪切承载力,对于规范明确不做验算的情况可以例外。
ID:
4815参考文献:
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- 混凝土结构 破坏 剪切 理解 辨析