钢筋混凝土组合梁抗剪性能研究

摘要：本文通过采用ANSYS有限元软件对浙江大学裘进荪等所做的叠合梁斜截面抗剪试验进行模拟，验证了使用有限元方法的可行性。再通过ANSYS有限元软件对钢筋混凝土组合梁的模拟，来分析影响结合面抗剪性能的因素及其影响。

关键词：钢筋混凝土；组合梁

1. 钢筋混凝土组合梁结合面的抗剪机理分析

对叠合面抗剪强度的大量实验研究表明，影响叠合面抗剪强度的因素有叠合面的形式、通过叠合面的箍筋抗拉强度和配筋率、混凝土强度、叠合面应力状态、界面剂以及荷载性质等，其中叠合面形式对抗剪强度的影响是由叠合面凹凸产生的机械咬合力和混凝土粘结力的作用不同造成的。

（1） 混凝土强度的影响

对于采用剪切试件的有粘结剪切面试验，剪切面混凝土的粘结强度至关重要。当不配箍筋时，剪切面的破坏与其上裂缝的出现是同时发生的。若骨料的抗拉强度高于骨料与水泥浆之间的粘结强度，混凝土开裂时的裂缝就会绕骨料形成，反之，则不论骨料的粒径大小，裂缝都会横穿骨料形成裂缝的表面就会平整。

（2）叠合面应力状态的影响

叠合梁的叠合面处于复合应力状态，主拉应力是造成叠合面开裂的主要原因。根据混凝土在符合应力状态的强度，叠合面过低时，其抗剪强度就小，容易出现水平裂缝。

2. 钢筋混凝土组合梁的结合面的抗剪性能的数值建模

2.1 钢筋混凝土叠合梁抗剪试验的数值模拟及分析

试验的模拟是根据浙江大学裘进荪所做的钢筋混凝土叠合梁斜截面抗剪试验进行的，ANSYS 计算的叠合面的平均剪应力值与试验计算所得的剪应力值的比较见图1。

图1 ANSYS计算值与试验计算值的比较

从图1中可以看出，除了4号梁和6号梁的误差比较大，其它试验梁的ANSYS计算结果与实验梁的计算结果基本相近。根据文献对国内所做的的试验的总结，叠合面的平均破坏剪应力在 1.03 N/mm2到 3.47 N/mm2之间，而数值模拟的结果都在此范围内。

2.2 钢筋混凝土T型组合梁的模型

对钢筋混凝土T型组合梁的假设和前面的试验模拟的假设相同，即：1）不考虑混凝土的结合面滑移；2）不考虑钢筋与混凝土的相对滑移，钢筋和混凝土完全粘结；3）不考虑加载面的摩擦约束。

钢筋混凝土T型组合梁整体为T型截面。采用节点耦合的方法来模拟。由于结构是对称的，因此都采用了半跨模型。对于预制梁的加载是根据预制梁所承担的后浇混凝土的重量进行加载，把后浇混凝土的重量分配到每一个节点上。

3. 数值模拟结果分析

数值模拟的结果主要是 ANSYS 计算的结合面的平均剪应力值，根据结合面上的节点的 xz 向剪应力求得。以 2 号梁为例，2 号梁结合面 xz 向剪应力图2。从图2中看出，在结合面上除了在加载位置的剪应力较大，其它的剪应力的大小都在结合面的平均破坏剪应力以下，说明在公路 I 级荷载作用下，各个梁的结合面不会因为剪应力过大而发生破坏。

图2 结合面上的 xz向剪应力

并且，随着箍筋间距的增大，结合面的剪应力也在增大。这与实际情况完全相符。从增大的情况来看，在箍筋间距为 400mm时，结合面的剪应力值基本小于平均破坏剪应力，说明规范中对于箍筋间距的规定能满足要求。当箍筋间距为 350mm 时，相对的剪应力值减小要大，也就是在箍筋间距小于 350mm后，剪应力的减小程度在减小。

图3表明，随着箍筋直径的增加，结合面的剪应力在减小。在实际情况中，当箍筋直径较小时，增加箍筋直径会提高抗剪强度，但过大的箍筋直径会使钢筋表面与混凝土之间的粘结应力增加，从而增大二者之间的相对滑移和剪切面的裂缝宽度，使裂缝表面的突出物之间的咬合程度减小，剪切面的抗剪能力便因此下降。因此对于箍筋直径，10mm 或 12mm是比较合适的。

随着预制截面高度与组合截面高度之比αh的增大，结合面的剪应力也在增大，也就是说预制梁的高度越大，则结合面的剪应力也越大。而从试验中得出的结论是随着αh的增大，结合面的剪应力在减小，且αh大于0.7时，不会再有斜裂缝沿结合面发展的情况。两者出现不同，分析原因是在进行组合梁设计时，当减小了桥面板的厚度时，T梁的整体抗弯惯矩减小了，所得横向分配系数较大，使得单梁所受的弯矩和剪力增大，从而使结合面的剪应力增大。

4. 结论

钢筋混凝土组合梁桥最大的特点在于加强桥梁受力的整体性。但是由于这种结构需要进行二次混凝土浇筑，预制构件与后浇混凝土能否整体共同工作是一个重要问题，它不仅影响组合梁桥的承载能力，也是影响钢筋混凝土组合梁桥发展的主要原因。因此，对组合梁桥承载性能的研究主要是对组合梁结合面抗剪性能的研究，该研究可为组合梁桥的设计提供依据，具有一定的意义。

参考文献：

[1]洪炳钦，杨俊杰，杨遒．叠合梁斜截面抗剪性的试验研究．浙江工业大学学报， 2007，35（4）：464~468

[2]刘思峰，郭天榜，方志耕．灰色系统理论及其应用．北京：科学出版社，2000：51~110

[3]裘进荪，林俊侠，张国英等．钢筋混凝土叠合梁斜截面抗剪强度的试验研究及计算方法．浙江工业大学学报，1992，26（2）：153~164

作者简历:周海涛（1970.03.28），男，汉族，安徽省铜陵市人，大学本科， 任职于铜陵有色设计研究院。