CN103669721A - 一种基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，属于土木工程混凝土与钢筋混凝土结构设计领域。本发明首先根据纵筋的横截面积As配置钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋；在支座间的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋上套上一塑料套管；在塑料套管与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋之间的间隙内填充沥青或石蜡，并在塑料套管的外表面涂抹一层润滑剂；在梁上部的受压区全长配置梁受压区的纵筋；支座间区域内的箍筋的间距为钢筋混凝土梁的有效高度的一半；锚固区域内的箍筋的间距大于粗骨料最大粒径的1.5倍；锚固区域内的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋需进行锚固。本发明施工工艺简单，可有效提高剪跨比较小的钢筋混凝土梁的承载性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，属于土木工程混凝土与钢筋混凝土结构设计领域。
背景技术
钢筋混凝土梁的破坏形态有正截面破坏和斜截面破坏两种。剪跨比较大（a/d>4）的钢筋混凝土梁倾向于发生正截面破坏。通常将钢筋混凝土梁设计为适筋梁，适筋梁破坏前有明显的裂缝和挠度，并产生塑性破坏。此时，钢筋混凝土梁的抗弯承载力<抗剪承载力，梁的承载力决定于抗弯承载力的大小。剪跨比较小（a/d<3）的钢筋混凝土梁倾向于发生斜截面受剪破坏。此时，钢筋混凝土梁的抗剪承载力<抗弯承载力，梁的承载力决定于抗剪承载力的大小。所以，在剪跨比较小的梁中，混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能未能得到充分发挥。
发明内容
本发明提供了一种基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，以用于解决充分发挥剪跨比较小的钢筋混凝土梁中的混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能，同时提高其承载力的问题。
本发明的技术方案是：一种基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，所述方法的具体步骤如下：
A、首先根据纵筋的横截面积A s 配置钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1；
B、在支座4间的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1上套上一塑料套管9，且满足塑料套管9与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1之间留有2mm-3mm的间隙；
C、在塑料套管9与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1之间的间隙内填充低强度材料10，并在塑料套管9的外表面涂抹一层润滑剂；
D、沿梁的长度方向，在梁上部的受压区全长配置梁受压区的纵筋3；
E、在支座间区域12内的箍筋2的间距为钢筋混凝土梁的有效高度的一半；
F、在锚固区域13内的箍筋2的间距大于粗骨料最大粒径的1.5倍；
G、在锚固区域13内的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1采用两种方式进行锚固：
一，将钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1弯折180度并与柱中的主筋焊接固定后锚固在混凝土中；
二，采用钢板6和螺母7将钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1锚固在梁的两端；
H、梁跨中1/3区域11内浇筑高强度混凝土或浇筑纤维混凝土以提高跨中混凝土的抗压强度；其余的区域内可浇筑普通混凝土。
所述步骤A中，纵筋的横截面积A s 的计算公式为 
；式中：
为混凝土的应力折减系数；
和f y 为跨中混凝土的抗压强度和钢筋混凝土梁受拉侧纵筋1的抗拉强度，(N/mm2)；b为钢筋混凝土梁的宽度，(mm)；x为钢筋混凝土梁的等效矩形应力图的受压区计算高度，(mm)。
所述步骤C中，低强度材料10为石蜡或者沥青。
所述步骤D中，梁受压区的纵筋3再配置在支座4上的受压区内；其中梁受压区的纵筋3的配置长度为钢筋混凝土梁的有效高度的2.5倍。
所述步骤H中，钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1的第二种锚固方式中能用焊接的方法取代螺母7，将钢板6和钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1焊接在一起。
本发明的工作原理是：
在剪跨比较低的钢筋混凝土梁中，人为去除支座间钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1与混凝土之间的粘结力（保留箍筋2和混凝土之间的粘结力），同时提高梁跨中1/3区域11内混凝土的抗压强度，使得钢筋混凝土梁的破坏形式从受剪破坏转变为受弯破坏。破坏时，钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1屈服，跨中混凝土被压碎。因此，可充分提高剪跨比较小的梁的承载力。若忽略受弯区侧纵筋的抗压性能，梁的外形尺寸确定后，受拉侧纵筋的横截面积可按下式计算：
式中，
为混凝土的应力折减系数；
和f y 为跨中混凝土的抗压强度和钢筋混凝土梁受拉侧纵筋1的抗拉强度，(N/mm2)；b为钢筋混凝土梁的宽度，(mm)；x为钢筋混凝土梁的等效矩形应力图的受压区计算高度，(mm)。
本发明的有益效果是：施工工艺简单，无需预应力设备，即可有效提高剪跨比较小的钢筋混凝土梁的承载性能，承载力的提高的程度在剪跨比低于3的钢筋混凝土梁中尤为显著。
附图说明
图1为本发明中钢筋混凝土简支梁的配筋图；
图2为本发明中钢筋混凝土梁的A-A剖面图；
图3为本发明中钢筋混凝土梁的B-B剖面图；
图4为本发明中B-B剖面图的局部放大图；
图5为本发明中需提高混凝土抗压强度的区域图；
图中各标号：1为钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋、2为箍筋、3为梁受压区的纵筋、4为支座、5为加载点、6为钢板、7为螺母、8为钢筋混凝土梁横截面的外轮廓线、9为塑料套管、10为低强度材料、11为梁跨中1/3区域、12为支点间区域、13为锚固区域。
具体实施方式
实施例1：如图1-5所示，一种基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，所述方法的具体步骤如下：
A、首先根据纵筋的横截面积A s 配置钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1；
B、在支座4间的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1上套上一塑料套管9，且满足塑料套管9与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1之间留有2mm的间隙；
C、在塑料套管9与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1之间的间隙内填充低强度材料10，并在塑料套管9的外表面涂抹一层润滑剂；
D、沿梁的长度方向，在梁上部的受压区全长配置梁受压区的纵筋3；
E、在支座间区域12内的箍筋2的间距为钢筋混凝土梁的有效高度的一半；
F、在锚固区域13内的箍筋2的间距大于粗骨料最大粒径的1.5倍；
G、在锚固区域13内的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1采用两种方式进行锚固：
一，将钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1弯折180度并与柱中的主筋焊接固定后锚固在混凝土中；
二，采用钢板6和螺母7将钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1锚固在梁的两端；
H、梁跨中1/3区域11内浇筑高强度混凝土或浇筑纤维混凝土以提高跨中混凝土的抗压强度；其余的区域内可浇筑普通混凝土。
所述步骤A中，纵筋的横截面积A s 的计算公式为
；式中：
为混凝土的应力折减系数；
和f y 为跨中混凝土的抗压强度和钢筋混凝土梁受拉侧纵筋1的抗拉强度，(N/mm2)；b为钢筋混凝土梁的宽度，(mm)；x为钢筋混凝土梁的等效矩形应力图的受压区计算高度，(mm)。
所述步骤C中，低强度材料10为石蜡或者沥青。
所述步骤D中，梁受压区的纵筋3再配置在支座4上的受压区内；其中梁受压区的纵筋3的配置长度为钢筋混凝土梁的有效高度的2.5倍。
所述步骤H中，钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1的第二种锚固方式中能用焊接的方法取代螺母7，将钢板6和钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1焊接在一起。
实施例2：如图1-5所示，一种基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，所述方法的具体步骤如下：
A、首先根据纵筋的横截面积A s 配置钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1；
B、在支座4间的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1上套上一塑料套管9，且满足塑料套管9与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1之间留有2.5mm的间隙；
C、在塑料套管9与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1之间的间隙内填充低强度材料10，并在塑料套管9的外表面涂抹一层润滑剂；
D、沿梁的长度方向，在梁上部的受压区全长配置梁受压区的纵筋3；
E、在支座间区域12内的箍筋2的间距为钢筋混凝土梁的有效高度的一半；
F、在锚固区域13内的箍筋2的间距大于粗骨料最大粒径的1.5倍；
G、在锚固区域13内的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1采用将钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1弯折180度并与柱中的主筋焊接固定后锚固在混凝土中的方式进行锚固；
H、梁跨中1/3区域11内浇筑高强度混凝土或浇筑纤维混凝土以提高跨中混凝土的抗压强度；其余的区域内可浇筑普通混凝土。
所述步骤A中，纵筋的横截面积A s 的计算公式为
；式中：
为混凝土的应力折减系数；
和f y 为跨中混凝土的抗压强度和钢筋混凝土梁受拉侧纵筋1的抗拉强度，(N/mm2)；b为钢筋混凝土梁的宽度，(mm)；x为钢筋混凝土梁的等效矩形应力图的受压区计算高度，(mm)。
所述步骤C中，低强度材料10为沥青。
所述步骤D中，梁受压区的纵筋3再配置在支座4上的受压区内；其中梁受压区的纵筋3的配置长度为钢筋混凝土梁的有效高度的2.5倍（以降低锚固区域内负弯矩的影响）。
实施例3：如图1-5所示，一种基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，所述方法的具体步骤如下：
A、首先根据纵筋的横截面积A s 配置钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1；
B、在支座4间的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1上套上一塑料套管9，且满足塑料套管9与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1之间留有3mm的间隙；
C、在塑料套管9与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1之间的间隙内填充低强度材料10，并在塑料套管9的外表面涂抹一层润滑剂；
D、沿梁的长度方向，在梁上部的受压区全长配置梁受压区的纵筋3；
E、在支座间区域12内的箍筋2的间距为钢筋混凝土梁的有效高度的一半；
F、在锚固区域13内的箍筋2的间距大于粗骨料最大粒径的1.5倍；
G、在锚固区域13内的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1采用钢板6和螺母7将钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1锚固在梁的两端；
H、梁跨中1/3区域11内浇筑高强度混凝土或浇筑纤维混凝土以提高跨中混凝土的抗压强度；其余的区域内可浇筑普通混凝土。
所述步骤A中，纵筋的横截面积A s 的计算公式为
；式中：
为混凝土的应力折减系数；
和f y 为跨中混凝土的抗压强度和钢筋混凝土梁受拉侧纵筋1的抗拉强度，(N/mm2)；b为钢筋混凝土梁的宽度，(mm)；x为钢筋混凝土梁的等效矩形应力图的受压区计算高度，(mm)。
所述步骤C中，低强度材料10为石蜡。
所述步骤H中，钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1的第二种锚固方式中能用焊接的方法取代螺母7，将钢板6和钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1焊接在一起。
具体参数如下：
试验体的外形尺寸为2400mm(长)×240mm(宽)×340mm(高)，梁的下侧配置3根直径22mm（单根面积为387.1mm2）的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1，其屈服强度为400N/mm2，钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1的保护层厚度为40mm。
钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1：A s 为受拉侧纵筋的总横截面积，计算值1233mm2，示例中实际使用1161mm2；为1.0；
和f y 为分别为30N/mm2，438N/mm2；b为240mm；x为75mm。
在支座4间的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1上套上一塑料套管9，使塑料套管9与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1之间的间隙为3mm，将熔融的石蜡均匀的浇灌在支座4间的塑料套管9与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1之间的间隙内，然后在塑料套管9上涂抹一层润滑油。
沿梁的长度方向，在梁上部的受压区全长配置梁受压区的纵筋3。
在支座间区域12内按150mm间距配置箍筋2（梁的高度为340 mm，混凝土保护层为40 mm，所以示例中的混凝土梁的有效高度为300 mm），两侧的锚固区域内各配置4跟箍筋2，单肢箍筋2的截面面积为31.7mm2，屈服强度为438N/mm2；各区域混凝土的强度均为30N/mm2。
在锚固区域13内的箍筋2的间距为60mm。
四点受弯加载试验中，支座间距为1800mm，加载点间距为350mm。梁的剪跨比为2.42。
作为对比，尺寸和配筋均相同的，但支座4间的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1上未套上一塑料套管9和未浇灌石蜡的梁也进行了加载试验。
试验结果：经套上一塑料套管9和浇灌石蜡处理的梁的极限荷载为369.6kN，破坏时，钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋1屈服，跨中上部混凝土被压碎（即两加载点5间的梁的上部区域混凝土被压碎）；未经套上一塑料套管9和浇灌石蜡的梁的极限荷载为276.0kN，呈现斜拉破坏形态。由此可以验证当剪跨比小于3时（本例试验梁的剪跨比为2.42），采用本发明的设计方法可以使梁的承载力提高34%。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
A、首先根据纵筋的横截面积A s 配置钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋（1）；
B、在支座（4）间的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋（1）上套上一塑料套管（9），且满足塑料套管（9）与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋（1）之间留有2mm-3mm的间隙；
C、在塑料套管（9）与钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋（1）之间的间隙内填充低强度材料（10），并在塑料套管（9）的外表面涂抹一层润滑剂；
D、沿梁的长度方向，在梁上部的受压区全长配置梁受压区的纵筋（3）；
E、在支座间区域（12）内的箍筋（2）的间距为钢筋混凝土梁的有效高度的一半；
F、在锚固区域（13）内的箍筋（2）的间距大于粗骨料最大粒径的1.5倍；
G、在锚固区域（13）内的钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋（1）采用两种方式进行锚固：
一，将钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋（1）弯折180度并与柱中的主筋焊接固定后锚固在混凝土中；
二，采用钢板（6）和螺母（7）将钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋（1）锚固在梁的两端；
H、梁跨中1/3区域（11）内浇筑高强度混凝土或浇筑纤维混凝土以提高跨中混凝土的抗压强度；其余的区域内可浇筑普通混凝土。
2.根据权利要求1所述的基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，其特征在于：所述步骤A中，纵筋的横截面积A s 的计算公式为 ；式中：
为混凝土的应力折减系数；
和f y 为跨中混凝土的抗压强度和钢筋混凝土梁受拉侧纵筋（1）的抗拉强度，(N/mm2)；b为钢筋混凝土梁的宽度，(mm)；x为钢筋混凝土梁的等效矩形应力图的受压区计算高度，(mm)。
3.根据权利要求1所述的基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，其特征在于：所述步骤C中，低强度材料（10）为石蜡或者沥青。
4.根据权利要求1所述的基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，其特征在于：所述步骤D中，梁受压区的纵筋（3）再配置在支座（4）上的受压区内；其中梁受压区的纵筋（3）的配置长度为钢筋混凝土梁的有效高度的2.5倍。
5.根据权利要求1所述的基于拱效应的钢筋混凝土梁的设计方法，其特征在于：所述步骤H中，钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋（1）的第二种锚固方式中能用焊接的方法取代螺母（7），将钢板（6）和钢筋混凝土梁受拉侧的纵筋（1）焊接在一起。
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