深受弯构件(Deep Beam and Short Beam) (2)

深受弯构件(Deep Beam and Short Beam) (2)的图1

1 引言

如前所述, 在竖向荷载作用下钢筋混凝土深受弯构件的跨中截面应变沿高度的分布和开裂后的平均应变都不是线性分布,不能直接采用一般钢筋混凝土梁的结构设计计算方法来解决深受弯构件截面钢筋配筋和布置问题。在<深受弯构件(Deep Beam and Short Beam) (1)>中介绍了深受弯构件的定义, 深梁和短梁的破坏形态, 钢筋混凝土深受弯构件包括短梁和深梁, 主要的破坏形态是弯曲破坏和剪切破坏. 在此基础之上, 这个笔记介绍深受弯构件设计计算方法与构造要求. 与深梁相关的讨论参看如下链接:

深受弯构件(Deep Beam and Short Beam) (1)

钢筋混凝土受弯构件剪跨与深度比

强度设计方法的假设---应变兼容和极限压应变

不同规范剪跨比m取值范围的比较


2 桥梁工程的计算规定

因钢筋混凝土深受弯构件具有与普通钢筋混凝土梁不同的受力特点和破坏特征,因此,对于跨高比l/h<5的钢筋混凝土梁要按深受弯构件进行设计计算,同时,对于钢筋混凝土深梁,除应符合深受弯构件的设计计算一般规定外,还必须满足深梁设计构造上的规定,详见《混凝土结构设计规范》.


广泛用于公路桥梁的钢筋混凝土排架墩台在横桥向是由钢筋混凝土盖梁与柱(桩)组成的刚架结构,实际工程中,往往按简化图式来计算钢筋混凝土盖梁。当盖梁的线刚度(EI/L)与柱的线刚度之比大于5时,双柱式墩台盖梁可按简支梁计算,多柱式墩台盖梁可按连续计算;当盖梁的线刚度与柱的线刚度之比等于或小于5时,可按刚构计算。符号E、I和L分别为梁或柱混凝土的弹性模量、截面惯性矩、计算跨径或高度。

深受弯构件(Deep Beam and Short Beam) (2)的图2

柱式墩台示意图

盖梁的计算跨径L取Lc和1.15Ln两者较小者,其中Lc为盖梁支承中心之间的距离,Ln为盖梁的净跨径。在确定盖梁的净跨径时,圆形截面柱可换算为边长等于0.8倍直径的方形截面柱。当盖梁作为刚构分析时,盖梁跨径可取支承中心的距离。

《公路桥规》规定,当钢筋混凝土盖梁计算跨径l与盖梁高度h之比L/h>5时,按钢筋混凝土一般受弯构件进行承载力计算;当盖梁的跨高比L/h为:简支梁2<L/h≤5;连续梁2.5<L/h≤5时,钢筋混凝土盖梁应作为深受弯构件(短梁)进行承载力计算。


按弹性应力图形面积配筋法

按弹性应力图形面积配筋法又称应力图形法, 它是以混凝土结构不开裂的弹性理论为基础. 计算方法的思路是,先按结构弹性理论方法(例如弹性有限单元法或弹性模型试验等)得到结构的线弹性应力,再根据结构关注截面的拉应力图形面积,计算出拉应力的合力,按拉力的全部或部分由钢筋承担的原则计算所需钢筋的用量. 

3.1 计算方法

(1) 按结构弹性理论方法得到构件截面上的线弹性应力及分布,当应力图形偏离线性分布较大时,可按主拉应力在配筋方向投影图形的总面积计算值来计算所需钢筋截面积As:

深受弯构件(Deep Beam and Short Beam) (2)的图3

其中

K为承载力安全系数;

fy为钢筋抗拉强度设计值;

T为由钢筋承担的拉力设计值,T=ωb, 

b为结构计算截面的宽度。

深受弯构件(Deep Beam and Short Beam) (2)的图4

(2) 投影图形的总面积计算值ω

ω=ω1-ω2

ω1为截面主拉应力在配筋方向投影图形的总面积;

ω2为拉应力值小于0.45ft的应力图形面积(图中用阴影线表示的应力图形区域面积), 但应满足ω2<0.15ω1;

ft为混凝土轴心抗拉强度设计值。

当弹性应力图形的受拉区高度大于结构截面高度的2/3时,应按弹性主拉应力在配筋方向上投影图形的全面积ω1计算受拉钢筋截面积。当弹性应力图形的受拉区高度小于结构截面高度的2/3且截面边缘最大拉应力σl≤0.45ft时,可仅配置构造钢筋。


3.2 受拉钢筋的配置方式

应根据应力图形及结构受力特点确定:当配筋主要是由结构承载力控制,且结构或构件具有较明显弯曲破坏特征时,受拉钢筋可集中配置在截面受拉边缘的区域。当配筋主要考虑混凝土裂缝宽度及分布时,钢筋可在拉应力较大的范围内分层布置,各层钢筋的数量宜与拉应力图形的分布相对应。


4 公式法

基于不同加载和边界条件下钢筋混凝土深受弯构件的试件试验资料,根据观测到的构件破坏形态及结构力学特征测试数据,通过对主要影响因素的分析和总结归纳提出构件承载力、裂缝宽度等计算公式,用于进行配筋计算的方法。公式法可用于工程上常见的钢筋混凝土深受弯构件,例如短梁、深梁、牛腿、实心厚板等。计算方法按规范规定的计算公式进行配筋计算等。


深梁受拉钢筋的配置方式如下:

(1) 荷载作用在深梁顶面时,钢筋混凝土简支深梁的钢筋配置. 由梁的侧面来看,钢筋混凝土简支深梁内的钢筋布置类似钢筋网片,实际上是由沿梁的跨度方向钢筋和高度方向钢筋形成的钢筋网和纵向受拉钢筋组成,即钢筋网由梁底部区域布置的纵向受拉钢筋、水平分布钢筋和竖向分布钢筋组成。由梁的正面来看,钢筋混凝土简支深梁内截面上是双排钢筋网,它们之间设置专门的拉筋形成整体受力的钢筋骨架。

深受弯构件(Deep Beam and Short Beam) (2)的图5

简支深梁的钢筋配置

(2) 梁底部区域布置的纵向受拉钢筋宜均匀布置在梁底边缘以上0.2h(h为梁高度)的高度范围内。深梁纵向受拉钢筋应全部伸入支座,不得在跨间弯起或截断。伸入支座的纵向受拉钢筋应采用水平弯折锚固,不宜使用竖向的弯折。伸入支座的纵向受拉钢筋沿水平方向弯折锚固的长度应按规范规定计算得到的受拉钢筋锚固长度再乘以系数1.1或增加5d(d为受拉钢筋公称直径)。当不满足上述锚固长度时,应采用专门的锚固措施,例如在钢筋上加焊横向短筋、加焊锚固钢板或将纵向受拉钢筋末端搭焊成环形等有效锚固措施。


(3) 水平分布钢筋和竖向分布钢筋的直径均不应小于8mm,布置间距不应大于200mm,也不宜小于100mm。竖向分布钢筋宜做成封闭式。


(4) 钢筋混凝土深梁应配置不少于两片由水平分布钢筋和竖向分布钢筋组成的钢筋网片。拉筋沿水平和竖向两个方向上的布置间距均不宜大于600mm。

    

在深梁支座区域在高度和宽度各为0.4h的范围内,拉筋的水平和竖向布置间距不宜大于300mm。

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