超高性能混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力的确定方法

1.本发明属于桥梁结构设计领域，尤其涉及一种超高性能混凝土构件受力性能的确定方法。


背景技术：

2.超高性能混凝土(ultra high performance concrete，简称uhpc)是一种高强、高韧、高耐久的新型水泥基复合材料。已有工程经验表明，uhpc可有效减轻结构自重、强化结构抗裂性能、提升结构跨越能力和长期服役性能，在桥梁工程领域应用前景广阔。由于uhpc构件趋向于薄壁化、轻型化，使得薄壁uhpc构件的抗剪受力问题变得更为突出。因此，uhpc受弯构件的抗剪承载力计算是uhpc桥梁结构设计的关键内容之一。
3.由于钢筋混凝土的斜截面剪切破坏受力十分复杂、影响因素众多，目前关于钢筋混凝土梁的斜截面剪切破坏机理及斜截面受剪承载力计算理论尚未形成统一的理论共识。从20世纪至今，国内外学者提出的钢筋混凝土梁抗剪承载力的计算理论主要有桁架理论、极限平衡理论、统计分析法等。目前，国内外已有较多学者针对配筋uhpc梁的抗剪性能和承载力计算方法，开展了相关研究工作。
4.graybeal等人进行了3根aashto
ꢀⅱ
型截面的预应力无腹筋uhpc梁受剪性能试验，发生了不同形式的破坏模式。voo等人通过18根预应力i形梁uhpc梁研究了剪跨比、纤维率、纤维类型和预应力度对其抗剪性能的影响规律，并据此提出了uhpc梁抗剪承载力公式。wu等人通过11根i形配筋uhpc梁研究了配筋率、剪跨比、纤维掺量等因素对其抗剪性能的影响，并基于试验结果提出剪切开裂荷载和承载力计算公式。为了评估已有抗剪设计方法的安全性，baby等人制作了11根3m长、0.38m高的i形uhpc梁，试验参数包括uhpc类型、有无箍筋、纵筋形式(预应力筋/普通钢筋)，验证了法国uhpc结构设计指南承载力公式的安全性，并改进了剪切开裂荷载的计算方法。此外，baby等人还采用修正压力场理论方法来预测uhpc梁的抗剪性能。ferrier等人还研究了配置frp筋的uhpc梁的抗剪性能。徐海宾等人进行了9根t形uhpc梁抗剪性能试验，试验参数包括剪跨比、配箍率和预应力水平，并基于试验结果拟合了uhpc梁抗剪承载力计算的经验公式。郑辉等人通过9根预应力uhpc薄壁箱梁的抗剪试验研究了配箍率、剪跨比等参数对其抗剪性能的影响，并结合试验结果提出了预应力uhpc梁抗剪承载力计算公式。季文玉等人通过12根t形uhpc梁研究了剪跨比、配箍率和纵筋率对其受剪性能的影响。
5.总体而言，目前国内外学者已开展了一定数量的uhpc梁受剪试验，可为uhpc抗剪承载力计算方法的分析提供大量的数据样本。与此同时，已有部分学者对uhpc抗剪承载力计算方法进行了一些研究，但均主要是通过自身试验数据拟合修正所得，而试验样本数量偏少，其适用性、可靠性有待进一步研究。因此，有必要在系统分析试验参数对uhpc抗剪承载力影响的基础上，建立一个适用范围更广、可靠度更高的抗剪承载力确定方法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种适用范围更广、可靠度更高的超高性能混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力的确定方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
7.一种超高性能混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力的确定方法，包括以下步骤：
8.(1)获取超高性能混凝土受弯构件的截面面积ac(mm2)、矩形截面宽度或t形截面腹板宽度b(mm)、截面受压边缘到纵向受拉钢筋的距离h0(mm)；确定预应力钢筋合力点处超高性能混凝土法向应力等于零时的预加力n
p0
和超高性能混凝土轴心抗压强度标准值f
ck
(mpa)，基于上述获得的各参数得到超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土基体受剪承载力设计值vc(n)；
9.(2)获取矩形截面宽度或t形截面腹板宽度b(mm)、截面受压边缘到纵向受拉钢筋的距离h0(mm)；确定超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值f
td
，基于上述获得的各参数得到超高性能混凝土受弯构件斜截面上纤维受剪承载力设计值vf(n)；
10.(3)基于上述步骤(1)、步骤(2)中测得的超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土基体受剪承载力设计值vc和超高性能混凝土受弯构件斜截面上纤维受剪承载力设计值vf，采用以下方法对其进行修正，获得超高性能混凝土受弯构件主体材料修正值w具体如下：
11.w＝α1α2(vc+vf)；
12.其中，α1为异号弯矩影响系数；α2为箍筋影响系数；
13.(4)获取超高性能混凝土受弯构件斜截面上抗剪钢筋受剪承载力设计值vs(n)；
14.(5)获取超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
(n)；
15.(6)根据步骤(3)-(5)中确定的超高性能混凝土受弯构件主体材料修正值w、超高性能混凝土受弯构件斜截面上抗剪钢筋受剪承载力设计值vs和超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
，依据以下公式确定超高性能混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力vu(n)；具体如下：
[0016]vu
＝w+vs+v
p
。
[0017]
上述确定方法中，优选的，所述超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土基体受剪承载力设计值vc采用以下方法进行修正，具体如下：
[0018]
其中，
[0019]
其中，α
cv
为超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土受剪承载力系数；α
p
为预应力提高系数；超高性能混凝土轴心抗压强度标准值f
ck
与超高性能混凝土的抗压强度等级f
cu,k
(标准值)的关系为f
ck
＝0.7f
cu,k
。
[0020]
上述n
p0
可按现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(jtg 3362-2018)规定计算；当n
p0
大于0.3f
ckac
时，n
p0
取0.3f
ckac
；当预加力n
p0
引起的截面弯矩与外弯矩方向相同时以及预应力超高性能混凝土连续梁的情况，n
p0
均取0。
[0021]
上述确定方法中，优选的，所述超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土受剪承载力系数α
cv
确定方法如下：对一般受弯构件，α
cv
＝0.25；对集中荷载作用下的独
立梁，α
cv
＝0.5/(λ+0.5)，其中λ为计算截面的剪跨比，当λ小于1.5时，λ取1.5，当λ大于3时，λ取3。本发明中，除了集中荷载的情况，其他都是一般受弯构件。
[0022]
上述确定方法中，优选的，所述超高性能混凝土受弯构件斜截面上纤维受剪承载力设计值vf采用以下方法进行修正，具体如下：
[0023]vf
＝0.9α
fvftd
bh0；
[0024]
其中，α
fv
为超高性能混凝土轴拉性能系数；超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值f
td
与超高性能混凝土的抗拉强度等级f
tk
(标准值)的关系为f
td
＝f
tk
/1.45，其中纤维取向系数应取整体纤维取向系数k
global
＝1.25。
[0025]
上述确定方法中，优选的，超高性能混凝土轴拉性能系数α
fv
确定方法如下：对于应变软化型超高性能混凝土，α
fv
＝0.8；对于应变硬化型超高性能混凝土，α
fv
＝1.0。
[0026]
上述确定方法中，优选的，异号弯矩影响系数α1确定方法如下：计算简支梁或连续梁的近边支点梁段的抗剪承载力时，α1＝1.0；计算连续梁或悬臂梁的近中间支点梁段的抗剪承载力时，α1＝0.9。
[0027]
上述确定方法中，优选的，箍筋影响系数α2确定方法如下：采用钢筋超高性能混凝土受弯构件但未设置箍筋时，α2＝0.8；采用钢筋超高性能混凝土受弯构件设置箍筋时，α1＝0.9；采用预应力筋超高性能混凝土受弯构件时(有无箍筋均相同)，α1＝0.9。
[0028]
上述确定方法中，优选的，所述超高性能混凝土受弯构件斜截面上抗剪钢筋受剪承载力设计值vs采用以下方法得到：
[0029]
(1)获取抗剪箍筋截面面积a
sv
(mm2)、抗剪箍筋间距s(mm)、截面受压边缘到纵向受拉钢筋的距离h0(mm)；
[0030]
(2)确定抗剪箍筋抗拉强度设计值f
sv
；
[0031]
(3)基于上述获得的各参数得到超高性能混凝土受弯构件斜截面上抗剪钢筋受剪承载力设计值vs；具体如下：
[0032][0033]
其中，抗剪箍筋抗拉强度设计值f
sv
与箍筋强度等级f
sk
(标准值)的关系为f
sy
＝f
sk
/1.2。
[0034]
上述确定方法中，优选的，对于体内预应力弯起钢筋：所述超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
采用以下方法得到：
[0035]
(1)获取超高性能混凝土受弯构件斜截面内弯起预应力钢筋的截面面积a
p,i
(mm2)、预应力弯起钢筋(在斜截面受压端正截面处)的切线与水平线夹角θ
p,i
；
[0036]
(2)确定体内预应力钢筋抗拉强度设计值f
pd,i
；
[0037]
(3)基于上述获得的各参数得到超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
；具体如下：
[0038]vp
＝0.75f
pd,i
∑a
p,i
sinθ
p,i
；
[0039]
其中，体内预应力钢筋抗拉强度设计值f
pd,i
与预应力筋强度等级f
pk
(标准值)的关系为f
pd,i
＝f
pk
/1.47。
[0040]
上述确定方法中，优选的，对于体外预应力弯起钢筋：所述超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
采用以下方法得到：
[0041]
(1)获取超高性能混凝土受弯构件斜截面内弯起体外预应力钢筋的截面面积a
p,e
、体外预应力钢筋弯起钢筋(在斜截面受压端正截面处)的切线与水平线夹角θ
p,e
；
[0042]
(2)确定使用阶段体外预应力钢筋扣除预应力损失后的有效应力σ
pe,ex
；
[0043]
(3)基于上述获得的各参数得到超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
；具体如下：
[0044]vp
＝0.75∑σ
pe,exap,e
sinθ
p,e
。
[0045]
使用阶段体外预应力钢筋扣除预应力损失后的有效应力σ
pe,ex
可通过《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(jtg3362-2018)规定计算。
[0046]
对于同时有体内预应力弯起钢筋和体外预应力弯起钢筋的情形，将这两种情况所得v
p
相加即得到超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
。
[0047]
本发明的超高性能混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力的确定方法可适用于矩形、t形和i形截面的超高性能混凝土受弯构件，具有简单、适用范围更广、可靠度更高等特点。
[0048]
本发明中，连续梁近中间支点梁段，有异号弯矩影响，抗剪承载力有所降低，本发明通过引入异号弯矩影响系数α1来考虑异号弯矩对承载力的不利影响；无腹筋超高性能混凝土梁抗剪承载力计算结果可靠指标偏低，通过可靠度校核结果，本发明引入了箍筋影响系数α2，确保公式满足可靠指标要求。通过上述两个系数对超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土基体受剪承载力设计值vc和超高性能混凝土受弯构件斜截面上纤维受剪承载力设计值vf进行修正，有利于提高结构的准确性与可靠度。另外，现有技术中未充分反映剪跨比对承载力的影响，本发明通过引入了超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土受剪承载力系数α
cv
来反映剪跨比对抗剪承载力影响；超高性能混凝土的不同受拉特性对承载力贡献影响不一致，为此本发明对超高性能混凝土残余抗拉强度取值进行简化，并引入超高性能混凝土受拉性能系数α
fv
。需要强调的是，本发明对于各参数的修正，均不是随意选取的，本发明通过引入异号弯矩影响系数α1、箍筋影响系数α2、超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土受剪承载力系数α
cv
、超高性能混凝土轴拉性能系数α
fv
等，最终确定方法具有适用范围更广、可靠度更高等特点。
[0049]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0050]
本发明提供的超高性能混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力的确定方法是利用大量超高性能混凝土抗剪试验样本进行误差分析、系数修正和可靠度校核而得，通过引入异号弯矩影响系数α1和箍筋影响系数α2等，最终确定方法具有适用范围更广、可靠度更高等特点。相比传统的确定方法，结果更准确更贴近实测结果、安全储备合理、可靠度满足规范要求，易于在工程实践中使用，可以为超高性能混凝土受弯构件结构的设计以及抗剪承载力的确定提供参考，具有重要的工程应用价值。
具体实施方式
[0051]
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
[0052]
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
[0053]
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
[0054]
实施例：
[0055]
一种超高性能混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力的确定方法，包括以下步骤：
[0056]
(1)获取超高性能混凝土受弯构件的截面面积ac、矩形截面宽度或t形截面腹板宽度b、截面受压边缘到纵向受拉钢筋的距离h0；确定预应力钢筋合力点处超高性能混凝土法向应力等于零时的预加力n
p0
和超高性能混凝土轴心抗压强度标准值f
ck
，基于上述获得的各参数得到超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土基体受剪承载力设计值vc；
[0057]
(2)获取矩形截面宽度或t形截面腹板宽度b、截面受压边缘到纵向受拉钢筋的距离h0；确定超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值f
td
，基于上述获得的各参数得到超高性能混凝土受弯构件斜截面上纤维受剪承载力设计值vf；
[0058]
(3)基于上述步骤(1)、步骤(2)中测得的超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土基体受剪承载力设计值vc和超高性能混凝土受弯构件斜截面上纤维受剪承载力设计值vf，采用以下方法对其进行修正，获得超高性能混凝土受弯构件主体材料修正值w具体如下：
[0059]
w＝α1α2(vc+vf)；
[0060]
其中，α1为异号弯矩影响系数；α2为箍筋影响系数；
[0061]
(4)获取超高性能混凝土受弯构件斜截面上抗剪钢筋受剪承载力设计值vs；
[0062]
(5)获取超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
；
[0063]
(6)根据步骤(3)-(5)中确定的超高性能混凝土受弯构件主体材料修正值w、超高性能混凝土受弯构件斜截面上抗剪钢筋受剪承载力设计值vs和超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
，依据以下公式确定超高性能混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力vu；具体如下：
[0064]vu
＝w+vs+v
p
。
[0065]
在上述步骤中，步骤(1)、步骤(2)、步骤(4)和步骤(5)的实施顺序不限定。
[0066]
本实施例中，上述超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土基体受剪承载力设计值vc采用以下方法进行修正，具体如下：
[0067]
其中，
[0068]
其中，α
cv
为超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土受剪承载力系数；α
p
为预应力提高系数；超高性能混凝土轴心抗压强度标准值f
ck
与超高性能混凝土的抗压强度等级f
cu,k
的关系为f
ck
＝0.7f
cu,k
。
[0069]
本实施例中，上述超高性能混凝土受弯构件斜截面上超高性能混凝土受剪承载力系数α
cv
确定方法如下：对一般受弯构件，α
cv
＝0.25；对集中荷载作用下的独立梁，α
cv
＝0.5/(λ+0.5)，其中λ为计算截面的剪跨比，当λ小于1.5时，λ取1.5，当λ大于3时，λ取3。
[0070]
本实施例中，上述超高性能混凝土受弯构件斜截面上纤维受剪承载力设计值vf采用以下方法进行修正，具体如下：
[0071]vf
＝0.9α
fvftd
bh0；
[0072]
其中，α
fv
为超高性能混凝土轴拉性能系数；超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值f
td
与超高性能混凝土的抗拉强度等级f
tk
的关系为f
td
＝f
tk
/1.45。
[0073]
本实施例中，上述超高性能混凝土轴拉性能系数α
fv
确定方法如下：对于应变软化型超高性能混凝土，α
fv
＝0.8；对于应变硬化型超高性能混凝土，α
fv
＝1.0。
[0074]
本实施例中，上述异号弯矩影响系数α1确定方法如下：计算简支梁或连续梁的近边支点梁段的抗剪承载力时，α1＝1.0；计算连续梁或悬臂梁的近中间支点梁段的抗剪承载力时，α1＝0.9。
[0075]
本实施例中，上述箍筋影响系数α2确定方法如下：采用钢筋超高性能混凝土受弯构件但未设置箍筋时，α2＝0.8；采用钢筋超高性能混凝土受弯构件设置箍筋时，α1＝0.9；采用预应力筋超高性能混凝土受弯构件时，α1＝0.9。
[0076]
本实施例中，上述超高性能混凝土受弯构件斜截面上抗剪钢筋受剪承载力设计值vs采用以下方法得到：
[0077]
(1)获取抗剪箍筋截面面积a
sv
、抗剪箍筋间距s、截面受压边缘到纵向受拉钢筋的距离h0；
[0078]
(2)确定抗剪箍筋抗拉强度设计值f
sv
；
[0079]
(3)基于上述获得的各参数得到超高性能混凝土受弯构件斜截面上抗剪钢筋受剪承载力设计值vs；具体如下：
[0080][0081]
其中，抗剪箍筋抗拉强度设计值f
sv
与箍筋强度等级f
sk
的关系为f
sy
＝f
sk
/1.2。
[0082]
本实施例中，对于体内预应力弯起钢筋：上述超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
采用以下方法得到：
[0083]
(1)获取超高性能混凝土受弯构件斜截面内弯起预应力钢筋的截面面积a
p,i
、预应力弯起钢筋的切线与水平线夹角θ
p,i
；
[0084]
(2)确定体内预应力钢筋抗拉强度设计值f
pd,i
；
[0085]
(3)基于上述获得的各参数得到超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
；具体如下：
[0086]vp
＝0.75f
pd,i
∑a
p,i
sinθ
p,i
；
[0087]
其中，体内预应力钢筋抗拉强度设计值f
pd,i
与预应力筋强度等级f
pk
的关系为f
pd,i
＝f
pk
/1.47。
[0088]
本实施例中，对于体外预应力弯起钢筋：上述超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
采用以下方法得到：
[0089]
(1)获取超高性能混凝土受弯构件斜截面内弯起体外预应力钢筋的截面面积a
p,e
、体外预应力钢筋弯起钢筋的切线与水平线夹角θ
p,e
；
[0090]
(2)确定使用阶段体外预应力钢筋扣除预应力损失后的有效应力σ
pe,ex
；
[0091]
(3)基于上述获得的各参数得到超高性能混凝土受弯构件斜截面上预应力弯起钢筋受剪承载力设计值v
p
；具体如下：
[0092]vp
＝0.75∑σ
pe,exap,e
sinθ
p,e
。
[0093]
为了更好的说明本实施例的超高性能混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力的确定
方法的优点，下面结合本实施例中的确定方法与现有确定方法对比说明如下：
[0094]
验证样本采取如下原则进行筛选：
①
单点或两点集中力加载；
②
立方体抗压强度不低于110mpa，且掺入了钢纤维；
③
纵向钢筋中不含预应力筋且为热轧带肋钢筋；
④
试验梁为剪切破坏；
⑤
试验参数较为完整，能够满足计算与分析需要。利用上述原则，同时满足条件的非预应力无腹筋梁共131根，将其定义为数据库i，其中剪跨比参数范围为1.0-4.0，立方体抗压强度参数范围为113.0-207.9mpa，纵筋率参数范围为1.3-9.5％，有效高度参数范围为114-945mm，钢纤维含量特征值参数范围为0.4-2.6。同时满足条件的非预应力有腹筋梁共103根，将其定义为数据库ii，其中剪跨比参数范围为1.0-4.0，立方体抗压强度参数范围为116.0-207.0mpa，纵筋率参数范围为3.1-8.3％，有效高度参数范围为114-430mm，钢纤维含量特征值参数范围为0.1-2.4。同时满足条件的预应力无腹筋梁共27根，将其定义为数据库iii，其中剪跨比参数范围为1.2-4.5，立方体抗压强度参数范围为111.3-187.0mpa，纵筋率参数范围为0-4.7％，有效高度参数范围为244-620mm，钢纤维含量特征值参数范围为0.4-1.6；同时满足条件的预应力有腹筋梁共16根，将其定义为数据库iv，其中剪跨比参数范围为1.7-3.2，立方体抗压强度参数范围为110.0-142.7mpa，纵筋率参数范围为1.8-4.7％，有效高度参数范围为265-565mm，钢纤维含量特征值参数范围为0.5-1.5。
[0095]
针对上述样本，现行《钢纤维混凝土结构设计规程》(jgj/t465-2019)中规定的确定方法为现有确定方法，其与本实施例的确定方法对上述样本进行计算分别得到计算值vu，再与试验值v
exp
进行对比，结果如下表1所示：
[0096]
表1：数据库i-数据库iv的超高性能混凝土梁抗剪承载力计算误差
[0097][0098]
注：χm、χ
cov
分别为计算误差χ(试验值v
exp
与公式计算值vu之比)的均值和变异系数；r为相关性系数；上述最大值与最小值为试验值v
exp
与公式计算值vu之比的最大值与最小值；超高性能混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力的可靠指标要求不小于4.70。
[0099]
表1给出数据库i-数据库iv中的超高性能混凝土梁抗剪承载力试验值v
exp
与公式计算值vu的对比结果。由上表可以看出，本实施例的数据库样本涵盖多种情况，本实施例与现行《钢纤维混凝土结构设计规程》(jgj/t 465-2019)的确定方法相比，本实施例中确定方法的计算误差(试验值v
exp
与公式计算值vu之比)更小，可靠指标均满足要求，可靠性更好。