弯剪共同作用下钢筋混凝土梁承载力计算方法的研究

国内外大量实验现象表明,钢筋混凝土梁在受到弯矩和剪力共同作用的情况下,其抗弯承载力和抗剪承载力具有相关性。GB50010-2002《混凝土结构设计规范》(以下简称“规范”)关于梁的设计方法并未考虑两者的相关性。分析表明:在弯剪共同作用下,按《规范》设计的钢筋混凝土梁的可靠指标不能满足GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》的要求。通过对现有试验数据进行分析,该文提出了基于四分之一圆弧模型的建议修正公式和相应的计算方法。修正公式能很好的体现梁抗弯承载力和抗剪承载力之间的相关性,具有明确的物理意义。对修正公式和《规范》公式进行配筋计算和可靠度分析,结果表明:考虑弯剪相关性的修正公式相比《规范》公式,计算模式准确,可靠指标接近《统一标准》的要求。     

钢筋混凝土剪扭构件承载力可靠度分析

对GB50010-2002《混凝土结构设计规范》(以下简称“规范”)剪扭构件承载力计算公式以及黄靓建议的公式进行了可靠度对比分析。结果表明,对于安全等级为二级的剪扭构件,当发生脆性的剪型破坏时,规范公式的受剪可靠指标和受扭可靠指标均值分别为3.23 和3.25,不能满足GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》(以下简称《统一标准》)3.7 的要求;当发生延性的扭型破坏时,规范公式的受剪可靠指标和受扭可靠指标分别为4.02 和2.88,亦不能满足3.2 的可靠指标要求;随着扭剪比的变化,规范公式的可靠指标变化幅度较大,受扭和受剪可靠指标之间相差较大,出现不平衡现象。黄靓建议的公式的可靠指标比规范公式高,对于两种破坏类型,可靠指标都在3.6 附近,并克服了规范公式可靠指标不平衡的缺点,但对于剪型破坏亦不满足《统一标准》3.7 的可靠指标要求。对此,该文把黄靓等人的直线模型再次缩进,提出钢筋混凝土剪扭构件修正公式并作了可靠度分析,结果表明该文修正公式的可靠指标均值在3.75 附近,能满足《统一标准》的要求。     

对钢筋混凝土偏压构件承载力计算公式的修正建议

GB50010-2002《混凝土结构设计规范》(以下简称《规范》)计算偏心受压构件正截面承载力时需要判断大小偏心,计算步骤较繁琐,计算公式存在缺陷。针对《规范》的不合理性提出了一个统一纯弯-偏压-轴压三种受力状态的计算公式,统一公式具有明确的物理意义,并且与试验数据拟合较好。利用统一公式计算对称配筋偏压构件时可取消大小偏心判断,计算所得的钢筋面积能返回统一公式验算。规范公式的偏压构件承载力Mu-Nu相关曲线在大小偏心交界处会出现尖点,小偏心段不能很好地与轴压点衔接;统一公式的Mu-Nu曲线是一条连续光滑的曲线,曲线连接了纯弯、偏压、轴压三个受力状态,具有明确的物理意义。统一曲线与规范曲线可以较好地吻合。比较统一公式与规范公式计算所得的钢筋面积,结果表明规范公式的小偏心受压和轴压的配筋存在突变,而在接近轴压点时小偏心计算较轴压公式偏不安全,而统一公式的配筋计算具有较好的过渡性,并且计算精度满足工程的要求,可靠指标满足GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》的要求。     

中美混凝土结构设计规范剪扭构件承载力的对比分析

为研究GB 50010-2002《混凝土结构设计规范》(以下简称“我国规范”)剪扭构件的安全度水准及有关设计方法的合理性,对比分析了我国规范和ACI 318-08(以下简称“美国规范”)剪扭构件的承载力计算方法和结果,并进行了可靠度比较。结果表明,我国规范在考虑混凝土部分相关性时,用“三折线”简化模型将混凝土部分提供的抗扭和抗剪承载力相关曲线外扩,使得混凝土部分的计算承载力被高估,设计安全度偏小。美国规范对于混凝土部分剪扭相关性考虑得较为保守,使得混凝土部分设计偏于安全。美国规范配筋量比我国规范大,配筋基本满足1/4 圆弧相关性模型的承载力要求;而我国规范计算所得的钢筋不能满足1/4 圆弧相关性模型的承载力要求,设计安全度比美国规范小。美国规范的可靠指标比我国规范高,我国规范可靠指标不能满足GB 50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》的要求。     

钢管混凝土短柱极限承载力可靠度分析

基于《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001),利用一次二阶矩法(JC法)对圆钢管混凝土轴压短柱的极限承载力进行了可靠度校准。结果表明,钢管混凝土构件的可靠指标随着混凝土强度等级的提高而提高,随着钢材强度、含钢率及套箍指标的提高而降低;此外钢材种类、荷载组合以及荷载效应比等也对钢管混凝土构件可靠指标有一定程度的影响。按照建议的分项系数值,能较好的满足《建筑结构可靠度设计统一标准》可靠指标的要求。     

圆管翼缘钢-混凝土新型组合梁负弯矩区力学性能试验研究

为研究圆管翼缘组合梁负弯矩区的力学性能,进行了5根简支组合梁负弯矩作用下的静力加载试验,分析了试验梁的变形、应变发展规律。依据试验梁承载能力极限状态下的受力特性,采用简化塑性理论推导了圆管翼缘组合梁负弯矩区纯弯、纯剪承载力的计算公式,比较了公式对试验梁极限承载力的计算精度。对比EC4、GB 50917-2013、ASCE及Liang等公式的弯剪相关关系及对试验梁极限承载力的计算结果,提出了圆管翼缘组合梁负弯矩区弯剪相关承载力的适用计算公式。研究结果表明:试验梁在试验过程中表现出良好的稳定性和延性性能,最终破坏时伴随发生了局部剪切屈曲、下翼缘侧向屈曲、梁端腹板压屈及钢梁整体弯扭屈曲等4种典型破坏形态;当混凝土翼板受拉开裂后,不计混凝土抗剪作用的计算弹性剪应变分布较为符合实测剪应变曲线;受高剪力、高弯矩相关效应影响,计算负弯矩区圆管翼缘组合梁承载力时应考虑弯剪相关作用;GB 50917-2013给出的弯剪相关关系对试验梁极限抗弯承载力的计算平均值为96%,是综合计算精度与结果安全性的较适用公式。建议在应用所提纯弯、纯剪承载力公式的基础上,采用GB 50917-2013的弯剪相关公式计算负弯矩区圆管翼缘组合梁的弯剪相关承载力。     

“板—桁模型”计算预应力混凝土复合受力构件抗扭强度

弯、剪、扭复合受力下混凝土构件的受力特性非常复杂,准确计算构件的抗扭强度对构件的设计及工作性能的分析都非常重要。在钢筋混凝土构件的板-桁模型理论基础上,以预应力混凝土构件在复合受力下的板—桁模型理论为基础,以箱形截面预应力混凝土构件为例,由力及力矩的平衡、变形关系、材料本构关系及构件的破坏准则,建立了在小扭弯比情况下复合受力构件抗扭承载力的计算方法。所建立的计算模型及公式理论基础强、概念清晰,经试验值与理论计算值对比,符合情况较好,证实了板—桁模型理论分析复合受力构件抗扭性能的正确性。     

卷边槽钢纯弯构件畸变屈曲板组约束系数的直接强度法分析

现行国家规范《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）提出适用于各种型钢构件板组的约束系数统一计算公式。针对冷弯薄壁卷边槽钢纯弯构件畸变屈曲运用直接强度法计算受压翼缘板组约束系数,并与GB50018-2002计算结果比较,得到一些有价值的结论,供设计研究参考。     

考虑尺寸效应的深受弯构件受剪模型分析

深受弯构件斜截面受剪机理复杂且受尺寸效应影响显著,缺乏准确、合理的受剪计算模型。结合Tan-Cheng模型中对混凝土软化作用和深受弯构件尺寸效应的全面考虑优势,在深入研究混凝土斜压杆倾角α和构件复合抗拉强度f_t对深受弯构件受剪承载力影响的基础上,简化压杆顶部节点区高度l_c与α的关系,考虑腹筋有效作用区域修正复合抗拉强度f_t计算模型,提出了不影响精度前提下的修正Tan-Cheng模型。研究表明:基于国内外308组深受弯构件受剪试验数据计算结果,建议模型计算精度等同Tan-Cheng模型,并能够准确考虑尺寸效应影响,但计算过程较为简洁;通过与现有典型各国规范建议模型对比分析表明,计算结果较规范计算值更接近试验值,能够更准确地对深受弯构件的受剪承载力进行预测。     

基于裂缝带理论的深受弯构件受剪分析

目前,现行各国规范和典型抗剪模型未能准确、合理考虑尺寸效应对深受弯构件受剪能力的影响。基于拉压杆模型,结合断裂力学中能量损失平衡方程和裂缝带抗剪理论,建立了深受弯构件抗剪计算模型;通过对大量钢筋混凝土深受弯构件受剪试验数据的回归分析,对模型进行简化;采用该模型对343组深受弯构件的受剪承载力进行计算,并将其预测结果及美国ACI318-14、欧洲EC2、加拿大CSA A23.3-04、我国规范（GB50010-2010）、Tan-Cheng模型计算结果与试验值进行对比分析。分析表明:基于裂缝带理论的深受弯构件抗剪模型预测结果较各国规范及Tan-Cheng模型的计算结果与试验值吻合良好,建议模型具有明确的力学概念且受剪跨比影响较小,消除了尺寸效应的影响,能够准确预测深受弯构件的抗剪能力。     

A NEW CRITERION OF FATIGUE STRENGTH OF A ROUND BAR SUBJECTED TO COMBINED STATIC AND REPEATED BENDING AND TORSION

Abstract Criteria of fatigue strength of a round bar subjected to combined static and repeated bending and torsion have already been published by Findley and Sines together with empirical formulas by Gough. However, it is only Sines'criterion, by which the fatigue limit under combined bending and torsion is calculated, when completely reversed and pulsating fatigue limits and mean stresses are known. The authors show that Sines'criterion does not conform strictly with experimental results and they correct Sines'criterion so that fatigue failure occurs when the octahedral shearing stress amplitude attains a material constant value which decreases not only in proportion to the octahedral normal mean stress, but also in proportion to the octahedral normal stress amplitude. Applying the authors'criterion to combined repeated bending and torsion, plus coexistent static bending and torsion, a design formula was derived. The formula was compared with experimental results of Gough.     

基于修正拉-压杆模型的型钢混凝土深梁受剪承载力分析

在型钢混凝土深梁抗剪性能试验基础上,基于修正拉-压杆理论,考虑拉杆分力对受剪承载力的有利影响,采用型钢混凝土深梁的受压区高度作为上部节点高度,并对型钢翼缘和腹板进行合理简化,建立了型钢混凝土深梁的修正拉-压杆模型,推导了型钢混凝土深梁受剪承载力计算公式。将该文提出计算方法与ACI规范拉-压杆模型以及中国规范的计算方法进行比较可得:1）该文建立的修正拉-压杆模型,能较好反映型钢混凝土深梁的剪切传力机理和破坏模式,其受剪承载力计算值与试验结果吻合较好;2）采用JGJ 138-2001计算型钢混凝土深梁的受剪承载力偏低,离散性较大;按YB 9082-2006计算剪跨比大于2的构件受剪承载力偏于不安全。     

Comparison between solid and hollow reinforced concrete beams

Comparison between test results of seven hollow and seven solid reinforced concrete beams is presented. All of the fourteen beams were designed as hollow sections to resist combined load of bending, torsion and shear. Every pair (one hollow and one solid) was designed for the same load combinations and received similar reinforcement. The beams were 300 × 300 mm cross-section and 3,800 mm length. The internal hollow core for the hollow beams was 200 × 200 mm creating a peripheral wall thickness of 50 mm. The main variables studied were the ratio of bending to torsion which was varied between 0.19 and 2.62 and the ratio in the web of shear stress due to torsion to shear stress due to shear force which was varied between 0.59 and 6.84. It was found that the concrete core participates in the beams’ behaviour and strength and cannot be ignored when combined load of bending, shear and torsion are present. Its participation depends partly on the ratio of the torsion to bending moment and the ratio of shear stress due to torsion to the shear stress due to shear force. All solid beams cracked and failed at higher loads than their counterpart hollow beams. The smaller the ratio of torsion to bending the larger the differences in failure loads between the hollow and solid beams. The longitudinal steel yielded while the transverse steel experienced lower strain values.     

A coupled bending-torsion model for electrostatically actuated torsional nano/micro-actuators with considering influence of van der Waals force

In the current paper, a coupled two degree of freedom model which considers both bending and torsion of the supporting torsion beams is presented for electrostatically actuated torsional nano/micro-actuators under the effect of van der Waals (vdW) force. Newton’s second law is utilized for finding the normalized equations governing the static behavior of the actuator. The implict function theorem is then utilized for finding the equations governing the pull-in state of the actuator. The related results show that torsion model considerably overestimates the pull-in parameters of the nano/micro-actuator. The concept of the instability mode is introduced, and it is shown that when the ratio of the bending stiffness to the torsion stiffness of the supporting torsion beams is relatively low, the dominant instability mode of the actuator would be the bending mode and otherwise the dominant instability mode would be the torsion mode. It is also observed that the presence of the vdW force can significantly reduce the pull-in angle and pull-in deflection of the nano/micro-actuator. The presented results also show that the vdW force can lead to considerable reduction in the pull-in voltage of the actuator. The equilibrium behavior of the actuator is studied, and it is observed that the vdW force and also bending of the supporting torsion beams greatly reduce the maximum allowable voltage which can be applied to the actuator. Results of this paper can be used for successful design of electrostatically actuated torsional nano/micro-actuators where the size of the actuator is sufficiently small, and as a result, the vdW force plays a major role in the system.     

圆钢管混凝土柱的受扭性能研究

对四个圆形截面钢管混凝土柱在纯扭和压扭荷载作用下的滞回性能进行了试验研究, 将试验所测得的扭矩-扭转角滞回曲线与采用分层筒模型计算的理论结果进行了对比, 结果表明分层筒模型在分析圆钢管混凝土柱在纯扭和压扭往复荷载作用下的受力性能时具有较高的精度。基于分层筒模型, 对钢管混凝土柱在纯扭和压扭荷载作用下的轴力和扭矩分配, 应变变化规律和主要影响参数进行了较为详细的分析和讨论。最后采用回归方法, 基于大量理论计算结果提出了钢管混凝土柱的抗扭承载力和轴力-抗扭承载力相关关系简化计算公式, 可适用于实际工程设计。