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結構設計中的“抗剪截面限制條件”

做結構設計,相信對抗剪截面限制條件(剪壓比)都不會陌生,但是:

如果構件中加了鋼骨,抗剪截面限制條件會有什么改變?

罕遇地震下,構件截面抗剪限制條件又有什么不同?

樓板抗剪如何限定?

中震抗剪不屈服、大震抗剪彈性,是否需要驗算抗剪截面限制條件?

今天,我們一起來看看這些問題。

01、鋼筋混凝土構件

翻到《混規》6.3.1,矩形、T形和I形截面受彎構件的受剪截面應符合下列條件:

我們知道,梁的斜截面受剪破壞有三種形式,分別是斜壓破壞、剪壓破壞、斜拉破壞。梁的斜截面受剪承載力計算公式是針對剪壓破壞確定的,因此具有一定的適用范圍,也就是說,公式有其上下限值。上限值即上述規定的截面限制條件,是為了避免斜壓破壞,也就是說,在這種情況下,再加大箍筋,也是無濟于事的;而下限值即箍筋的最小配筋率,是為了避免斜拉破壞。

《混規》6.3.11,矩形、T形和I形截面的鋼筋混凝土偏心受壓構件和偏心受拉構件,其受剪截面應符合6.3.1條規定。

《混規》6.3.20條,鋼筋混凝土剪力墻的受剪截面應符合下列條件:

《混規》6.4.1,在彎矩、剪力、扭矩共同作用下,矩形、T形、I形截面和箱型截面的截面限制條件為:

另外,《混規》6.5.3條、6.6.1分別規定了板受沖切及局部受壓時的截面限制條件。

考慮地震組合時,抗剪截面限制條件會有所不同,其一,考慮抗震調整系數;其二,區分跨高比、剪跨比等;其三,適當降低系數,比如由0.25調整為0.20,降低系數的主要原因可能是考慮到地震往復作用的不利性。

斜截面破壞形式與剪跨比有關,截面限制條件自然也與剪跨比有關,只是,對于受彎為主的梁式構件,用了剪跨比的簡化表達方式——跨高比來區分而已。

連梁由于它的特殊性,抗剪截面很容易超限,對此,我們應該注意到一條關于連梁抗剪截面放寬的條件:

《混規》11.7.10條,當a)連梁截面寬度不小于250mm,采用交叉斜筋配筋;b)截面寬度不小于400mm,采用集中對角斜筋或對角暗撐配筋時,截面限制條件為:

至此,對普通的鋼筋混凝土構件,截面限制條件基本如上所述,《高規》、《抗規》與《混規》一致。我們都很清楚,抗剪截面限制條件和鋼筋(縱筋及箍筋)沒關系。

很多時候,抗剪截面搞不定,我們想通過增加鋼骨來解決。接著看

參考《組合結構設計規范》(J1302016):

02、型鋼混凝土梁、柱

1)型鋼混凝土框架梁、框架柱

持久、短暫設計工況

地震設計工況

2)型鋼混凝土轉換梁、轉換柱

持久、短暫設計工況

地震設計工況

從上面可以看到,在普通鋼筋混凝土框架梁、框架柱中加了鋼骨之后,抗剪截面限制條件有所放寬(系數為未加鋼骨截面的1.8倍),但取消了剪跨比對限值的分類。對框架梁、框架柱,鋼骨配置有最低要求,達到最低要求之后,再增加鋼骨截面,對抗剪截面限制條件無影響。

我們來看一下,混凝土框架梁柱截面腹板的最小含鋼率,型鋼按Q345,混凝土按C40,則最小含鋼率為0.62%,如果按C60計算,最小含鋼率為0.89%

我們選幾個型鋼混凝土構件截面,算算看:

1)型鋼混凝土梁(C40+Q345),

700X1000X30X700X350X40,ρ=2.87%

2)型鋼混凝土柱(C60+Q345),

700X700X20X400X400X40,ρ=1.46%

3)型鋼混凝土柱(C60+Q345),

1200X1200X30X38X700X500ρ=1.39%

4)型鋼混凝土梁(C40+Q345),

800X1000X30X700X400X60,ρ=2.35%

根據計算,一般情況下,腹板的最小含鋼率是很容易滿足的,基本不用理會。

03、型鋼混凝土剪力墻、鋼板墻

3)型鋼混凝土剪力墻

持久、短暫設計工況

地震設計工況

a)當剪跨比大于2.5

b)當剪跨比不大于2.5

其中

為剪力墻一端所配型鋼的截面面積,當兩端所配型鋼截面面積不同時,取較小一端的面積。

4)鋼板混凝土剪力墻

持久、短暫設計工況

地震設計工況

a)當剪跨比大于2.5

b)當剪跨比不大于2.5

其中

 Ap為剪力墻面內配置的鋼板截面面積

鋼板混凝土剪力墻受剪性能試驗表明,即使剪力超過了鋼筋混凝土的截面抗剪限制條件,由于鋼板的存在,并未出現斜壓破壞的情況,還是表現為剪壓破壞的特征。因此本條規定鋼板混凝土剪力墻的受剪截面限制條件中的剪力設計值僅考慮墻肢截面鋼筋混凝土部分承受的剪力值。

對型鋼混凝土剪力墻和鋼板混凝土剪力墻,截面限制條件右側沒有改變,不同的是,公式的左側,僅提取剪力墻混凝土部分承受的剪力設計值,在計算這一部分時,和型鋼截面面積有關。也就是說,在一定范圍內,加大型鋼截面,對型鋼混凝土剪力墻和鋼板混凝土剪力墻的抗剪截面驗算,是有用的,這是一個突破(相比2001組合規范)。注意看加陰影的這兩個公式,在扣除型鋼和鋼板剪力的時候,前一個公式沒有考慮抗震調整系數,后一個公式則考慮了抗震調整系數,從邏輯上來說,第二個公式是有問題的。

04、性能化設計

《高規》性能化設計,在罕遇地震下,豎向構件抗剪截面驗算按如下兩個公式:

1)鋼筋混凝土豎向構件:

2)鋼-混凝土組合剪力墻:

其中,Aa為剪力墻端部暗柱中型鋼的截面面積;

Asp為剪力墻內鋼板的橫截面面積;

《廣東省高規》性能化設計,豎向構件抗剪截面驗算按如下公式:

對不同的構件類型,不同的性能目標,構件重要性系數和剪壓比系數剪壓比系數對應性能水準3、性能水準4、性能水準5,取值分別為0.1330.150.167.

以上兩本規范的主要分歧在于,對鋼-混凝土組合剪力墻,截面驗算時,是否考慮型鋼,明顯地,《高規》與《組合結構設計規范》在邏輯上是比較契合的。但《高規》中考慮型鋼與鋼板時前面的系數0.250.15是如何確定的,與《組合設計規范》是什么關系,有待討論。

對一些關鍵部位的樓板,可能也需要性能化設計,目前規范中未看到樓板的抗剪截面限定條件,深圳超限專家建議,在罕遇地震作用下樓板抗剪不屈服時,樓板抗剪驗算公式為:

實際操作中,也有設計院參考《高規》鋼筋混凝土豎向構件抗剪截面驗算公式對樓板進行驗算。

之前審查別人的超限報告,在驗算中震抗剪彈性、大震抗剪不屈服時,有的工程師只計算了抗剪截面,這顯然是不合適的,因為抗剪承載力驗算是比抗剪截面更高一級的要求。

也有些工程師,只計算抗剪承載力,不算抗剪截面,如果抗剪承載力不足,就提高箍筋配置,當箍筋配置過大時,會出現抗剪承載力大于抗剪截面的上限,這也是不合理的。

因此,當我們驗算抗剪的時候,抗剪承載力和抗剪截面往往是需要同時復核的。

05、結論

抗剪截面限制條件可劃分為三個層次:

1)普通鋼筋混凝土構件;

2)型鋼混凝土梁、柱,抗剪截面限制條件有所放寬,但和型鋼截面面積關系不大,屬于從公式右側著手;

3)型鋼混凝土剪力墻、鋼板剪力墻,抗剪截面限制條件與型鋼截面面積有關,屬于從公式左側著手。

驗算抗剪彈性和抗剪不屈服的時候,抗剪承載力和抗剪截面需要同時復核。


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