中美规范无梁楼盖抗冲切计算之比较研究
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2022年04月11日 14:03:40
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无梁楼盖应用于结构上,主要分三种情况。其一为地上结构,称之为板柱体系;其二为地库顶板;其三为地下室底板。近年国内无梁楼盖项目出了不少事故,多为地库顶板。地下室底板由于地下水问题事故也时有发生。上部板柱体系中国规范要求严格,事故也很少发生。近年来众多学者对无梁楼盖问题做过大量分析研究,成果丰富。从受力来看,二、三类属于一类,应以静载分析为主,一类以抗震分析为主。本文针对二、三类问题,另文讨论一类问题。

无梁楼盖应用于结构上,主要分三种情况。其一为地上结构,称之为板柱体系;其二为地库顶板;其三为地下室底板。近年国内无梁楼盖项目出了不少事故,多为地库顶板。地下室底板由于地下水问题事故也时有发生。上部板柱体系中国规范要求严格,事故也很少发生。近年来众多学者对无梁楼盖问题做过大量分析研究,成果丰富。从受力来看,二、三类属于一类,应以静载分析为主,一类以抗震分析为主。本文针对二、三类问题,另文讨论一类问题。

本文的讨论以中美规范对比为切入点,通过两国砼规范的对比分析,研究抗冲切的设计现状,找出不足及应对措施。

抗冲切从本质上讲也是抗剪,美标ACI 318-19将梁的抗剪放在SECTIONAL STRENGTH,One-way shearstrength章节,将板的抗冲切放在Two-way shear strength章节充分显示了这一点。因此,本文先讲梁抗剪,后讲板抗冲切。


GB50010-2010(2015版),简称混规:
1 砼梁抗剪
6.3.1  截面要求 ,C 50 以下


6.3.3 不配置箍筋

式中

面高度影 响系数: 小于800mm,取800mm; 大于2000mm,取2000mm。

2000 代入(2),得到 在0.8-1之间。

6.3.4 配置箍筋 , 受弯构件,

素砼抗剪承载力为式(2),梁高度大于800mm,梁会出现斜压破坏,承载力不再线性增加,配置箍筋后,斜裂缝得到控制,斜压破坏不会出现,故式(4)的砼部分不再考虑截面高度效应。但砼会在受力达到 之前出现斜裂缝,之后增加的剪力会转移到由箍筋承受,因此砼 部分承担的剪力系数仍用0.7偏高。

2 砼板抗冲切
6.5.3 截面要求

比较,抗剪与抗冲切截面控制尺寸 比为0.25/0.12=2,抗冲切截面要求严。

6.5.1 不配置箍筋

η为考虑受力不均匀系数,不考虑或不存在不均匀,η=1。η取下二式较小值

图 1

式中:

局部荷载设计值或集中反力设计值; 板柱节点,取柱所受的轴压力设计值  的层间 差值减去柱顶冲切范围内板的荷载设计值; 有不平衡弯矩时,按本规范第6.5.6条确定;
截面高度影响系数: h不大于800mm,取1.0; 小于2000mm时,取0.90,其间线性插值 此处 大于梁的尺寸效应。
计算截面周长,取距局 部荷载或集中反力作用面积周边 板垂直截面的 周长;
截面有效高度,取两个方向有效高度平均值;
局部荷载或 中反力作用面积形状的影响系数;
计算截面周长与板截面有效高度之比的影响系数;
局部荷载或集中反力作用面积为矩形时长边与短边之比,不宜大于4; 小于2时取2; 圆形冲切面,取2;
柱位置影响系数: 中柱,取40 ; 边柱,取 30; 角柱,取20。


不配置箍筋,冲切公式(6)实为砼抗剪破坏公式(2),只是与梁相比,冲切是四面,梁是一面,故式中用周长 表示。

抗冲切计算 取值 较梁抗剪略大。

抗冲切要求四面共同受力,需考虑受力不均匀性。

其1是系数 ,考 虑的是冲切形状的影响。 当冲切线不是矩形或圆形时,会产生受力不均匀,使得角部受力大。 考虑这一因素,对矩形截面,长边大于短边两倍的情况,要对承载力进行折减。

其2是系数 ,如果相对高度小,也不利于均匀冲切受力。 边柱和角柱冲切受力不均匀,也需考虑承载力的折减。

其3是不均匀荷载。6.5.6规定,在竖向荷载、水平荷载作用下,当考虑板柱节点计算截面上的剪应力传递不平衡弯矩时,其集中反力设计值 应以等效集中反力设计值 代替, 可按本规范附录F的规定 计算,简述如下

(1)不平衡弯矩作用在某一主轴上:

1)单向不平衡弯矩 ,作用方向指向图2的AB边

图 2

2)  单向不平衡弯矩 ,作用方向指向图2的CD边

(2)双向不平衡弯矩

6.5.3配置箍筋

式中

呈45冲切破坏锥体斜截面相交 的全部箍筋截面面积;

砼受冲切产生斜裂缝后剪力由箍筋承受,砼抗冲切部分承载力打7折,系数取0.5。

与梁抗剪式(4)相比,式(15)考虑了箍筋抗力不均匀系数0.8。


ACI 318-19,简称美混规
1 砼梁抗剪
22.5.1.2 截面要求

截面尺寸由下式确定

此式相当于混规式(1)。

22.5.11配置箍筋

配置箍筋情况下,梁剪力首先由砼承受,梁出现斜裂缝后,增加的剪力由箍筋承担。

22.5.5.1砼承担剪力 见下 表。


表1

表2

 

与板厚有关的系数,见22.5.5.1.3。

由式(18),取d=10in(250mm),

普通砼,λ=1; 为箍筋面积, 最小箍筋面积, 拉钢筋配筋率。

不考虑轴力,表1的公式表示为米制为

令式(a)、(b)相等,得到界限配筋率 =1.7%,即当配筋率大于1.7%时,抗剪承载力由式(b)计算。

美混规未列入不设置箍筋梁抗剪条文。考虑梁产生斜裂缝后剪力由箍筋承受,砼部分抗剪强度取 ,参 见砼板抗冲切,这个值只是砼单独抗剪的0.5倍,此式为美制,米制为 ,即式(a)。 参考 后面 的计算,C30,承载力为 对比混规式(4), 可见混规梁抗剪砼部分承载力比美混规高1.0/0.63-1=58%。

由此可知式(16)的截面要求为

22.5.8.5.3 箍筋承担剪力

按下式计算

 该式与混规式(4)相同。

2 砼板抗冲切
22.6.6.3截面要求

配置箍筋截面最大抗冲切强度 ,见下表,相应于混规的式(5)。

表3


22.6.1.2不配置箍筋

22.6.1.2Nominal shear strength for two-way members without shear reinforcement shall becalculated by

无抗剪钢筋时板抗剪强度为

表 4


取表中最 小值,表 中公式可写

普通砼,λ=1;由式(18),取d=10in(250mm),

式(a)与式(1)对比, 对应。 式(b) 与式(2) 含义一致,只是系数表达形式略有不同。 式(c)是式(3)的 ,两个含义一致,故 两式 相同。

式(a)米制为 ,考虑 ,则为 ,C30, , ,承载力为 对应式(1) ,C3 0,

可见,抗冲切计算,不配置抗剪钢筋,美混规承载力取值比混规高25%。

22.6.1.3配置箍筋

22.6.1.3 Nominal shear strength fortwo-way members with shear reinforcement shall be calculated by

配置抗剪钢筋

22.6.6.1For two-way members with shear reinforcement, vc at critical sections shall be calculated in accordancewith Table 22.6.6.1.

22.6.6.1砼抗剪强度

表 5

配置箍筋情况下,当砼承载力达到 时出现斜裂缝,此时剪力由箍筋承受,故上表中取无箍筋的0.5倍。 对于C30, 规梁抗冲切计算砼部分承载力为 ,比美混规高 0.72/0.63=14%。

22.6.7.2箍筋抗剪强度

混规式(15),增加了折减系数0.8。


小结:

1. 梁抗剪计算,对于素砼梁和配筋砼梁,混规对于砼项采用同样的抗剪承载力,未考虑砼斜裂缝开裂后增加的剪力转移到抗剪钢筋这一情况,而此时砼项只受到素砼时一半的剪力。因而与美钢规相比,混规砼抗剪项偏于不安全。

2.  板抗冲切计算,不设置抗冲切钢筋时,美混规抗冲切承载力高于混规。

3.  板抗冲切计算,设置抗冲切钢筋时,美混规抗冲切承载力略低于混规。

4. 板抗冲切计算,设置抗冲切钢筋时,混规箍筋项考虑0.8的不均匀系数,似更合理。

 

中美砼强度换算

1  混规

立方体 强度 ,95%保证率,以Cxx表示。

抗压强度标准值

C50及以下, C4 0及以下,

抗压强度设计值

1.4为砼抗力分项系数。

2  美混规

圆柱体 ,91%保证率。

3  换算

,得到

近年来,采用无梁楼盖的地库发生了多起破坏倒塌事故。下面为部分来自网络的部分破坏现场图片。

地库无梁楼盖的破坏多为地面堆土超载引起,但具体受力破坏原因又比较复杂。表面看为冲切破坏,且从冲切面看有直剪和斜剪。实际上,破坏原因要从板柱结构的受力机理分析。

板柱结构可将板分成柱上板带和跨中板带,柱周边板的破坏发生在柱上板带,可借助下图的砼连续梁来说明。在楼面荷载作用下,板会产生两组裂缝,剪切斜裂缝和受弯及弯-剪裂缝。前者始发于柱边板厚度的中部,斜裂缝呈45度棱柱体,系主拉应力产生,这是规范的冲切“斜剪”裂缝。后者发生在柱边板负弯矩处和跨中正弯矩处,始发于弯矩作用下的拉应力垂直裂缝,随着裂缝开展,弯-剪共同作用呈垂直裂缝破坏,即所谓“直剪”。

由此可知,柱周边板的破坏对应着两种情况,分别由板抗弯计算与抗冲切计算确定,哪个承载力较低哪个先坏。正常的冲切破坏是45度棱柱体,发生这种破坏说明冲切起控制作用。如果板负筋配筋不足,会发生受弯破坏。这时首先出现的是沿柱边直下的垂直裂缝,随着裂缝增大板有效高度减小会沿垂直裂缝发生弯-剪破坏。

有一种情况,虽然板负筋配的够足,也可能发生沿直缝的破坏。北京的这个就属于这种情况,见下图。

这是一个带托板的柱帽,从现场情况看,托板顶面与楼板底面有二次施工缝。楼板受弯后托板未能与其上部楼板形成一体,使得板计算高度只有一半,板受弯破坏形成图中的裂缝。下面的托板不足以承受弯-剪联合作用而随发生“直剪”破坏。

冲切破坏,特别是无箍筋情况,属脆性破坏。为避免这种情况,建议采用如下方法进行设计:

1. 即使计算砼能满足冲切,也要配置箍筋抗冲切,规定最小配箍,比如达到 抗冲切承载力。

2. 以楼板负筋屈服荷载验算抗冲切承载力,即抗冲切承载力大于抗弯承载力,做到强冲切弱弯。

最后,注意托板与楼板之间不要留施工缝。


除地库楼面超载引起的无梁楼盖破坏外,地下室底板的无梁楼盖也常发生破坏。它是一个倒置的无梁楼盖,事故原因多为地下水压力所致,分析机理与上面一致。

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