不同悬挑比下钢筋混凝土深梁在间接荷载作用下的抗剪强度降低

《Journal of Building Engineering》:Shear Strength Reduction in Reinforced Concrete Deep Beams with Different Soffit Offset Ratios under Indirect Loading

【字体: 时间:2026年02月10日 来源:Journal of Building Engineering 7.4

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  本研究通过实验评估了间接荷载下钢筋混凝土深梁的剪应力强度,揭示了底板偏移比和悬挂钢筋对强度的影响,并提出了基于有效剪跨的新型分析方法,验证其预测精度为均值1.18,变异系数15.6%。

  
金尚宇(Sang-Woo Kim)| 李宣浩(Sunho Lee)| 李正允(Jung-Yoon Lee)
韩国水原市松京馆大学(Sungkyunkwan University)土木、建筑与环境系统工程学院,邮编16419

摘要

本研究通过实验评估了受间接荷载作用的钢筋混凝土(RC)深梁的抗剪强度,并提出了一种预测其抗剪强度的新方法。实验变量包括荷载类型、悬挑比以及悬吊钢筋的数量和加固区域。实验结果表明,与直接荷载相比,受间接荷载作用的试件抗剪强度降低了多达50%;同时,CSA设计规范未能充分反映这一抗剪强度的降低现象。此外,本研究基于间接荷载所延伸的荷载传递路径提出了一个有效的抗剪跨度,并利用这一概念开发了一种新的预测方法。通过比较预测值与实验得到的抗剪强度,发现考虑间接荷载的影响后的预测方法能够提供较为准确的结果,平均误差为1.18%,变异系数(COV)为15.6%。

引言

交叉梁的结构系统在建筑中得到广泛应用,用于创造空间功能并分配荷载。近年来,随着技术进步和用户需求的多样化,越来越多的建筑采用了复杂的几何形状和结构体系。因此,与过去不同,D区域的设计逐渐成为B区域设计的替代方案,因为它能够适应复杂的荷载和约束条件。属于D区域的构件(包括深梁、牛腿和梁-柱接头)无法用传统的分析方法进行设计;因此,如果设计规范或细节处理不当,可能导致D区域强度不足。因此,关于钢筋混凝土(RC)深梁结构性能的研究最近取得了显著进展。
刘等人[1]开发了一种预测模型,该模型分析了混凝土和钢筋对RC深梁抗剪能力的影响,结果表明混凝土的贡献约占总抗剪强度的55%~80%。Shabanlou等人[2],[3]研究了腹板开孔对RC深梁火灾后抗剪性能的影响,发现无论是否有开孔,其承载能力最多可降低39%。张等人[4],[5]提出了一种优化钢筋布置的方法,可将深梁中的钢材用量减少多达64%。Jasim等人[6]和Allawi等人[7]使用有限元法(FEM)和拉杆-纽带模型(strut-and-tie model)预测了考虑腹板开孔大小和位置以及碳纤维增强材料(CFRP)影响的RC深梁的抗剪强度。Shakir和Hamad[8],[9]研究了通过腹板开孔受荷载的梁的加固技术,并通过实验确认,根据所采用的加固方法,承载能力最多可提高23%。
当RC梁通过次级梁间接受荷载时,其结构性能可能会因支撑主梁的几何形状和钢筋布置而降低。Mattock和Shen[10]以及Wight和MacGregor[11]明确指出了交叉梁的间接荷载如何压缩支撑梁底部的纵向钢筋,可能导致过早的弯曲破坏。多个国家的设计规范建议使用悬吊钢筋(由Leonhardt[12]首次提出),以防止RC梁在间接荷载作用下的强度降低。
CSA A23.3-24[13]提供了关于全深度悬吊钢筋的数量和布置区域的详细规定,以防止RC梁在间接荷载作用下的过早破坏,并规定支撑梁底部的纵向钢筋应放置在支撑梁底部钢筋之上。特别是在支撑梁的悬挑不高于支撑梁的情况下(这在建筑结构中很常见),CSA规范允许采用简化方法进行悬吊钢筋的设计,而无需使用拉杆-纽带模型。然而,由于CSA规范主要关注防止过早的弯曲破坏,因此需要通过实验验证其抗剪性能的适用性。
ACI 318-25[14]仅建议在间接荷载作用下对深梁的设计使用拉杆-纽带模型,并未提供悬吊钢筋的详细设计方法。相比之下,对于细长梁在间接荷载作用下的设计,2019年的修订版引入了在抗剪钢筋之外还需增加悬吊钢筋的要求(基于Mattock和Shen[10]的研究)。然而,与CSA规范类似,该要求也未提供明确的设计公式或细节指南。欧洲规范2[15]同样要求提供足够的钢筋,以将间接荷载传递到与荷载方向相反的一侧;但同样,这也仅停留在概念层面,没有具体的设计方法。Fib模型规范2020[16]规定,当次级梁在主梁底部产生直接拉力时,可以根据Fib公报58[17]进行连接设计。不过,Fib公报58主要关注混凝土中的锚固问题,未提供与抗剪相关的悬吊钢筋规定。
RC深梁在间接荷载作用下的抗剪强度降低不仅受交叉梁下方悬挑区域的影响,还受主梁抗剪跨度的影晌。根据Fereig和Smith[18],[19]的研究,交叉梁间接荷载作用下的抗剪强度降低是一个显著现象,尤其在a/d值为1.5时抗剪强度线性下降;当a/d值超过2.5时,抗剪强度不再继续降低。Ferguson[20]的报告指出,在a/d值为1.35的RC深梁通过等深度的次级梁间接受荷载时,抗剪强度降低了多达68%。Taub和Neville[21]观察到,当深度为主梁0.84倍的次级梁对a/d值为2.09的主梁施加间接荷载时,RC深梁的抗剪强度降低了约13%。基于a/d值为1.48的RC深梁的实验结果,Fereig和Smith[22]证明垂直箍筋能有效抑制间接荷载下的抗剪强度降低,而水平箍筋的影响可以忽略不计。这些发现共同表明,在间接荷载作用下的RC深梁中,抗剪强度的降低程度取决于抗剪跨度与深度的比值、次级梁的几何特性以及加固方法。
当前的设计规范主要关注防止间接荷载引起的过早弯曲破坏,这需要评估其在抗剪方面的有效性,并开发能够明确考虑间接荷载的分析和设计方法。本研究旨在通过实验检验现有结构设计规范对间接荷载作用下RC深梁的适用性,并提出能够预测其抗剪强度的分析和设计方法。为此,选择了两根交叉梁之间的悬挑比以及悬吊钢筋的详细信息作为关键参数,以实验阐明抗剪强度降低的机制,并评估现有结构设计规范的适用性。本研究的创新之处在于进行了间接荷载下的实验验证,并提出了一种基于荷载传递机制的分析方法及相应的简化设计方法。此外,本研究的结果有望为提高建筑行业的安全性及改善梁-梁连接的设计提供重要的基础数据。

实验部分

试件配置

如表1所示,实验变量包括荷载类型(直接或间接)、次级梁的悬挑比以及悬吊钢筋的数量。悬挑比定义为次级梁底部相对于主梁深度的偏移量,其范围从0到0.5,以实验评估其对主梁强度的影响,并验证CSA规范[13]中的相关规定。

荷载-位移关系

图3显示了直接荷载和间接荷载试验所得的荷载-位移响应。图3中的荷载值来自UTM(Universal Testing Machine),位移值为主梁的中跨挠度,由安装在每个试件底部表面的LVDT(Linear Variable Displacement Detector)测量得出。图3中的示意图用于区分荷载类型、次级梁的几何形状以及悬吊钢筋的存在情况。

间接荷载下的抗剪设计方法

抵抗间接荷载的主梁的抗剪强度必须等于或大于从次级梁传递的设计剪力。此外,由间接荷载引起的设计剪力应由主梁的混凝土和悬吊钢筋共同承受,具体计算方法如下:
根据CSA A23.3-24[13]和Wight等人的研究,悬吊钢筋需要承受的剪力计算公式如下:
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