论述我国现行规范、ACI规范、CSA规范等板柱节点极限承载力的计算方法

论述我国现行规范、ACI规范、CSA规范等板柱节点极限承载力的计算方法


板柱节点在外荷载作用下,当板中抗弯钢筋较少时,可能发生延性弯曲破坏;当抗弯钢筋较多时,如果节点受冲切承载力不足,就会发生脆性冲切破坏。现阶段,各国规范均对板的受冲切承载力作了规定,例如,我国现行《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)[1]、美国建筑规范ACI318-95[2]等。其中,美国建筑规范ACI318-95中关于板受冲切承载力的计算较全面,包括了实际工程中可能遇到的各种情况。要使节点的破坏形态由脆性的冲切破坏转变为延性弯曲破坏,就必须提高板的抗冲切能力。板的受冲切承载力的提高,依赖于板厚的增加或抗冲切钢筋的配置。通常情况下,为了满足建筑功能的要求,配置抗冲切钢筋。配置抗冲切钢筋的节点,必须具有可靠的锚固,以保证抗冲切钢筋能够屈服,以使板达到极限承载力状态。

1　规范(GB50010-2002)关于板柱节点极限承载力的计算现行的《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)是根据国内外有关规范,结合我国工程实践经验给出的,它降低了原《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)中未配置抗冲切钢筋的板柱节点的抗冲切强度设计安全系数,并补充了对截面高度尺寸效应、预应力、板中开孔等影响,借鉴美国ACI 318规范和我国的《无粘结预应力混凝土结构技术规程》的规定,给出了存在不平衡弯矩时板柱节点受冲切承载力的计算方法,较好地满足了工程设计的需要。通常,板柱结构体系中的无梁楼盖板在集中荷载作用下发生冲切破坏,破坏面通常与板面呈45°左右的倾角,“规范”(GB50010-2002)规定,其抗冲切承载力可按下式计算:Fl≤0·7βhftηumh0(1)　　若板的抗冲切强度不满足上式要求,且板厚受到限制,规范允许配置箍筋或弯起钢筋作为抗冲切钢筋。配置箍筋或弯起钢筋的板的抗冲切承载力分别为:Fl≤0·35ftηumh0+0·8fyv·Ssvu　(配置箍筋) (2)
在设计中,应控制板厚不致过小以及抗冲切钢筋数量不致过多,以避免在使用条件下因冲切发生过宽的斜裂缝,为此,规范规定以下截面限制条件: 式中符号意义详见规范(GB50010-2002)。根据计算所需的箍筋,应布置在冲切破坏锥体范围内。对于配置抗冲切箍筋或弯起钢筋的冲切破坏锥体以外的截面,仍应按式(1)进行受冲切承载力验算。根据本课题组的研究,现行《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中,板柱节点受冲切承载力计算并不完善,还存在如下一些问题需要进一步研究改进:1)规范中受冲切承载力计算公式是在试验研究的基础上总结出的经验公式,尚无统一的计算模式。2)钢筋混凝土板的纵筋配筋率对板受冲切承载力的影响。随着纵筋配筋率的增加,钢筋的销栓作用增强,冲切破坏锥体斜截面上的骨料咬合作用增加,提高了板的受冲承载力。而规范中没有考虑纵筋对板受冲切承载力的有利影响。3)剪跨比对板柱节点受冲切承载力的影响。试验研究表明,剪跨比越小,冲切破坏锥体斜截面的倾角越大,受冲切承载力就越大;反之,剪跨比越大,冲切破坏锥体斜截面的倾角越小,受冲切承载力就越小。规范中假设的冲切破坏锥体斜截面的倾角为45°,是一个相当安全的下限值。
今后对冲切锥体斜截面倾角应如何取值,需要进一步研究。4)对实际工程中经常遇到的一些冲切承载力计算问题,规范中缺乏规定:a.桩基承台的抗冲切承载力计算。桩基承台属于厚板,桩与柱之间的净距较小,即剪跨比较小,倾角大于45°。冲切破坏锥体的形状受到桩与柱位置的影响较大,因而冲切破坏面往往不是规则的几何形状,比一般薄板更为复杂,其计算模式和方法有待进一步研究。b·板柱结构的边柱和角柱处板的受冲切承载力计算。按照抗震规范的要求,板柱结构外围应设边梁,对无边梁和有边梁时,在边柱和角柱处板的冲切破坏锥体以及板的受冲切承载力,均需要进一步研究。c·规范中板的受冲切承载力计算,没有明确配置其他有效抗冲切元件的计算方法,而此在板较薄的民用建筑中是个重要问题。5)考虑不平衡弯矩作用的计算方法较复杂,有待改进。

2　板柱节点抗冲切承载力的讨论
2·1　考虑不平衡弯矩作用时板柱节点的极限承载力对于板柱节点极限承载力,ACI318-95规范考虑了竖向剪力和双向不平衡弯矩的共同作用,用一个统一公式计算竖向剪力和不平衡弯矩在危险截面上产生的剪应力。论文范文它假定危险截面位于距柱或荷载边缘1/2板有效高度处,危险截面周边上某处的剪应力随该处距形心轴的距离呈线性变化,是由剪力和部分不平衡弯矩引起的,其余的不平衡弯矩由危险截面上的弯曲正应力承担。其受冲切承载力计算公式为:
式中　vu———作用在板柱节点上的竖向剪力Vu和不平衡弯矩Mux和Muy在危险截面上产生的最大剪应力;vn———危险截面的名义抗剪强度;———ACI规范中的强度折减系数;um———剪应力危险截面的周长;h0———板中受拉钢筋的形心到混凝土受压纤维最边缘的距离;J———危险截面的类似于极惯性矩的一个特征量;γvx、γvy———不平衡弯矩中由危险截面上的剪应力承担的不平衡弯矩部分与总的不平衡弯矩的比值,可分别按下式计算:
式中　b1、b2———与对应的弯矩作用方向垂直和平行方向的危险截面的边长,如计算图1a中所示柱边矩形危险截面的γvy时,b1和b2分别为(c1+h0)和(c2+h0)。