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该研究通过实验和数值分析数据库系统评估了ACI 318-25规范中剪切强度折减系数的可靠性，提出根据截面形状、轴力比和配筋率调整的更新系数，以改善设计一致性和安全性。
Naghmeh Haji Mohammad Yazdi | Siamak Epackachi | Vahid Sadeghian | Ardeshir Deylami
伊朗德黑兰Amirkabir技术大学土木与环境工程系
摘要
本研究探讨了ACI 318-25规范中抗剪强度规定的可靠性，并提出了修正后的抗剪强度折减系数，以用于钢筋混凝土（RC）梁和柱的设计。现行规范采用了一个固定的抗剪强度折减值，未考虑关键设计参数的变化，这可能导致不同结构构件的安全裕度不一致。为了解决这一问题，建立了一个包含98个梁试件和49个柱试件的综合实验-数值数据库，并使用非线性分析软件对248个梁截面和87个柱截面进行了建模。基于该数据库，量化了与规范抗剪设计方程相关的建模不确定性（称为“专业系数”PF），并分析了其在不同截面形状、配筋水平和轴荷载比下的统计特性。研究结果表明，对于柱子而言，PF受轴荷载比的影响最大；而对于梁，则拉伸配筋比是主要影响因素。T形梁的PF值较高，但变异性也较大，因此其可靠性指数低于矩形截面。
确定PF值后，系统生成了3600个矩形梁和T形梁以及1800个矩形柱，以涵盖各种实际设计情况。采用Rackwitz–Fiessler方法进行了可靠性分析，涵盖了ASCE 7-22 [1]中定义的两种风险等级。根据可靠性评估结果，提出了基于截面形状、轴荷载比或配筋比的专业系数修正值。对于梁，推荐的折减值范围为0.70至0.95；对于柱子，该范围为0.65至0.95。较低的值适用于关键或重要建筑（风险等级IV），需要更高的可靠性；而较高的值适用于普通建筑（风险等级II），从而实现更高效且经济的设计。这些发现强调了需要根据关键设计参数和结构重要性来细化抗剪设计规定。
引言
设计规范通常基于名义尺寸和材料属性，采用简化的确定性方法来估算结构的行为。然而，实际结构行为往往受到多种不确定性的影响，如材料变异性、施工质量、几何缺陷、荷载变化、建模技术的局限性、理想化假设以及验证数据不足等。在钢筋混凝土（RC）结构中，这些不确定性尤为突出，因为其设计和施工涉及大量变量，且结构行为复杂。文献[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]广泛认可了这些不确定性的重要性，并在诸如荷载-抗力系数设计（LRFD）或允许应力设计（ASD）等设计方法中通过使用安全系数来考虑荷载和抗力的变化。
在ACI 318-25规范[10]中，抗剪强度折减系数用于考虑强度预测的不确定性，并保持可接受的安全裕度。然而，这些系数通常被视为给定失效模式的恒定值，而不考虑结构元素的几何、材料或荷载特性的变化。虽然这种简化便于实际设计，但可能导致不同结构构件的安全裕度不一致。ACI 318-25对弯曲、轴向和抗剪作用规定了不同的折减值。对于弯曲和轴向设计，ACI考虑了拉伸配筋屈服的影响（即截面是受拉控制还是受压控制）来选择适当的折减系数。然而，对于抗剪作用（通常与脆性失效机制相关且预警信号有限），规范规定大多数RC构件的折减值为0.75，不论截面特性或荷载条件如何。为了提高设计一致性和准确性，需要进一步研究以评估和优化具有不同设计参数的截面的抗剪强度折减系数。然而，进行此类分析首先需要准确评估与ACI抗剪设计方程相关的建模不确定性。
许多研究探讨了RC构件抗剪强度预测模型的准确性，特别是基于规范的表达式中的建模不确定性。Ellingwood等人[5]进行了开创性研究，评估了建模不确定性的统计特性，并将其量化为实测抗剪强度与名义抗剪强度的比值。对于配筋较少的RC梁，他们报告的平均建模不确定性为1.00，变异系数（CV）为0.19；而对于配筋较多的构件，平均值和CV分别增加到1.09和0.17。Nowak和Szerszen[8]引入了“专业系数”（PF）的概念，以在基于可靠性的框架内表征模型不确定性。PF定义为实测强度与规范预测强度的比值，其统计分布（由平均值和CV表征）反映了预测模型中的偏差和分散性。通过结合实证数据和工程判断，他们为带箍筋的构件的抗剪强度提出了PF值，平均值为1.075，CV为0.10。Somo和Hong[11]在更全面的统计研究中分析了大量RC梁数据，发现ACI 318中的抗剪强度预测模型存在显著变异性，平均建模不确定性为1.51，CV为0.37，这表明假设正态分布存在局限性，并建议在概率分析中使用对数正态或Weibull分布。
ACI 318中的抗剪强度折减系数传统上基于结构可靠性理论进行校准，大多数构件的目标可靠性指数为3.5-4.0。目前的抗剪强度折减值0.75是基于Ellingwood等人[5]和Nowak与Szerszen[8][9]二十多年前的研究。尽管抗剪设计方程有了显著改进（特别是在ACI 318-19[12]中），但该折减系数尚未重新校准。这些修订是为了应对ACI 318-14[13][14]中提出的问题，考虑了构件尺寸和纵向配筋比对抗剪强度的影响。具体来说，消除了力矩与抗剪比项，并采用了新的公式，其中混凝土贡献取决于拉伸纵向配筋比的立方根，而非之前的线性函数。这些变化代表了RC构件抗剪行为解释和建模的重大转变，需要更新用于评估建模不确定性的统计模型以及抗剪强度折减系数。
最近，Aguilar等人[15]采用数据驱动的方法重新校准了ACI 318的PF值。他们的分析表明，传统的基于专家的估计可能过于保守，特别是对于配筋较少或尺寸较大的梁。他们为ACI 318-14[16]和ACI 318-19[12]的规定提出了统计推导的PF分布。尽管他们的研究提供了有价值的见解，但所使用的数据库对T形截面的代表性不足，且设计参数分布与实际设计情况不完全匹配。例如，研究中的拉伸配筋比高达15%，远超过ACI的设计限制，对应于实验室测试中用于强制抗剪主导失效模式的过度配筋截面。在后续的可靠性分析（包括蒙特卡洛模拟）中，Aguilar等人[17]认为，在具有抗剪配筋的小到中型构件中，使用更高的折减系数（如0.80）可能是合理的。尽管如此，由于大型无配筋构件的可靠性较低，仍推荐使用目前的0.75值。
尽管取得了这些进展，但在抗剪强度不确定性的统计建模和基于可靠性的折减系数校准方面仍存在一些差距。现有的PF值往往过于简化，未能充分考虑关键设计参数（如配筋比、混凝土强度或构件尺寸）的影响。此外，ACI 318中的当前折减值虽然基于先前的可靠性研究，但尚未根据更新的抗剪设计方程和最新的实验数据进行重新校准。
本研究首先使用实验结果和验证的非线性截面分析的结合数据集更新了抗剪强度PF的统计模型。然后根据关键设计变量对更新的PF值进行分类，以反映它们对模型精度的影响。在第二阶段，进行了基于可靠性的评估，提出了适用于带有横向配筋的RC梁和柱的适当折减系数。提出的折减值同样根据不同结构配置的安全裕度变化进行分类。本研究的结果旨在支持未来规范的发展，以实现更准确和基于可靠性的RC构件抗剪设计规定。
ACI 318-25中的梁和柱抗剪强度
在ACI 318-25[10]规范中，带有横向配筋的RC构件的名义抗剪强度定义为混凝土贡献（方程（2）和抗剪配筋贡献（方程（3）之和：
混凝土对抗剪强度的贡献可以使用简化方法或更详细的方法进行估算，具体见SI单位下的方程（2）和（3）。虽然这些方程与之前的类似
实验和数值数据库
本研究首先使用实验结果和校准的数值模拟的结合数据集，开发了一个用于预测抗剪强度不确定性的统计模型（通常称为PF）。建模不确定性在基于可靠性的设计中起着关键作用，并直接影响抗剪强度折减系数的校准。
初始数据集包含来自Joint DAfStb–ACI委员会数据库的886个RC梁抗剪试验结果
RC梁和柱抗剪强度的随机和可靠性分析
通过结合上一节中提出的修正后的专业系数（PF），进行了全面的随机和可靠性分析，以表征抗剪强度建模的统计不确定性。除了建模不确定性外，还考虑了材料属性、几何尺寸和荷载效应的变化，以评估ACI 318-25抗剪强度规定的可靠性，并提出更新的折减系数。
总结与结论
本研究对ACI 318-25中带有横向配筋的RC梁和柱的抗剪强度折减系数进行了全面的统计和基于可靠性的评估，考虑了来自材料属性、截面几何形状、荷载变化和建模不确定性的各种不确定性来源。使用了实验测试和验证的非线性截面分析的结合数据库来更新建模的统计参数
CRediT作者贡献声明
Aredeshir Deylami：资源管理、项目协调、研究、资金获取。
Naghmeh Haji Mohammad Yazdi：可视化处理、验证、研究、形式分析、概念构思。
Siamak Epackachi：撰写-审稿与编辑、监督、方法论研究、研究、资金获取、概念构思。
Vahid Sadeghian：撰写-审稿与编辑、监督、方法论研究、研究、概念构思。
数据可用性声明
支持本研究结果的数据，包括编译的实验-数值数据库、数值模型文件以及各个名义截面的统计结果，可向相应作者提出合理请求后获取。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
