CN114428992B - 超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法及计算机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法及计算机系统，包括：获取超高性能混凝土板的有效高度h 0、距离集中反力作用面h 0处破坏锥体截面面积的周长U m、确定超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值f td，得到超高性能混凝土板的超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc；根据板的有效高度h 0、距离集中反力作用面h 0处破坏锥体截面面积的周长U m、以及有效平均压应力σpc,m，计算得到超高性能混凝土板上预应力抗冲切承载力设计值F lp；将超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc与超高性能混凝土板上预应力抗冲切承载力设计值F lp之和作为抗冲切承载力F lu。本发明适用范围更广、可靠度更高。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁结构设计领域，尤其涉及一种超高性能混凝土板抗冲切承载力的的确定方法及计算机系统。
背景技术
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，使得轻薄的UHPC板的抗冲切受力问题变得更为突出。与普通混凝土板相比，UHPC板中因钢纤维的掺入，使其受冲切问题变得更加复杂，国内外学者也展开了大量研究：陈浩研究了11块四边简支UHPC方板的受力性能，试验板均发生冲切破坏，给出的桥面板设计建议为板厚不小于100mm；Bunjie和Fehling研究了块四边简支UHPC方板的受力性能，最小跨厚比达到12.5，结果表明试验板均发生弯曲破坏，具有良好的延性；曹清对11块四边简支的UHPC板进行了试验研究，考虑了板厚、加载面积、加载位置、UHPC强度和板底纵向配筋率等5个参数对UHPC板抗冲切承载力的影响，试验结果为10块板发生了冲切破坏，没有配筋的1块板发生弯曲破坏；Harris研究了12块无配筋的UHPC方板的破坏模式，边界条件为四边固支、中心单点加载，其中7块板发生冲切破坏、5块板发生弯曲破坏，得出结论为UHPC桥面板的厚度达到63.5mm即可满足抗冲切需求，并且基于7组试验数据给出抗冲切极限承载力回归公式，但未经其他试验数据验证。樊健生等研究了11块UHPC矩形板的抗冲切性能试验研究，边界条件为对边简支，主要考虑板的厚度、保护层厚度、配筋率及加载区域面积等参数对试验板抗冲切及抗弯性能的影响，其中7块板发生了典型的冲切破坏，2块板发生典型的弯曲破坏，2块板发生冲弯破坏；A1-Quraishi研究了6块UHPC八边形板的抗冲切性能，边界条件为简支，其中5块板发生了冲切破坏，1块板发生了弯曲破坏，结果表明板厚显著影响冲切破坏区域的最终形状，并给出抗冲切承载力的回归公式；Xie等等开展了5块UHPC平行四边形板的弯曲性能试验，研究了不同倾角的影响，并且分析了其抗弯承载力。Joh,ChangBin等研究了8块UHPC方板的冲切试验，边界条件为四边固支，考虑不同形式的加载块面积和板厚对UHPC板冲切承载力的影响，其中6块板发生了冲切破坏，2块板发生了弯曲破坏；Park，Ji-Hyun和Hong,Sung-gul研究了7块UHPC板的冲切试验性能试验，边界条件为四边固支，其中6块板发生冲切破坏，1块板发生弯曲破坏；ThucN.Nguyen等研究了8块UHPC板的冲切性能试验研究，主要考虑了纤维取向的影响，其中7块板发生了冲切破坏，1块板发生了弯曲破坏；Olivier Remy等研究了6块UHPC圆板的冲切性能试验研究，其加载块为圆柱体，边界条件为圆心简支，其中6块板均发生了冲切破坏；Lionel Moreillon研究了19块UHPC板的冲切性能试验研究，考虑了2种UHPC的配合比，并且考虑板厚和配筋率对冲切承载力的影响，其中6块板发生典型的冲切破坏，5块板发生典型的弯曲破坏，8块板发生冲弯破坏；GhafurH.Ahmed研究了9块UHPC方板的冲切性能试验研究，跨中加载，其中6块板发生了冲切破坏，2块板发生了弯曲破坏。
总体而言，目前学者已开展了一定数量的UHPC板冲切试验，可为UHPC板抗冲切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板抗冲切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板抗冲切承载力影响的基础上，建立一个适用范围更广、可靠度更高的抗冲切承载力确定方法。
发明内容
本发明提供了一种超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法及计算机系统，用以解决现有的超高性能混凝土板抗冲切承载力计算方法的试验样本数量偏少，其适用性窄、可靠性不高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法，包括以下步骤：
获取超高性能混凝土板的有效高度h 0、距离集中反力作用面h 0处破坏锥体截面面积的周长U m、确定超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值f td，基于前述获得的各参数得到超高性能混凝土板的超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc；
获取预应力引起的超高性能混凝土的有效平均压应力σpc,m；根据超高性能混凝土板的有效高度h 0、距离集中反力作用面h 0处破坏锥体截面面积的周长U m、以及有效平均压应力σpc,m ，计算得到超高性能混凝土板上预应力抗冲切承载力设计值F lp；
根据超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc和超高性能混凝土板上预应力抗冲切承载力设计值F lp，计算得到超高性能混凝土板的抗冲切承载力F lu：
优选地，在计算超高性能混凝土板的抗冲切承载力F lu之前，采用以下步骤对超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc进行修正，具体如下：
其中，
为钢筋影响系数，且
；
为截面高度尺寸效
应系数；f td为超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值；P为超高性能混凝土板破坏锥体截面内
衣纵向与横向受拉钢筋的配筋百分率的均值；f sd为钢筋抗拉强度设计值。
优选地，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标准值f tk的关系为f td=f tk/（1.45K），其中纤维取向系数K应取局部纤维取向系数K local=1.75。
优选地，钢筋抗拉强度设计值f sd与钢筋抗拉强度标准值f sk的关系为f sd=f sk/1.2。
优选地，当P大于4.0时，取P=4.0。
优选地，超高性能混凝土板上预应力抗冲切承载力设计值F lp采用以下方法进行计算，具体如下：
其中，σpc,m为预应力引起的超高性能混凝土的有效平均压应力。
本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述方法的步骤。
本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述任一所述方法中的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法及计算机系统，适用范围更广、可靠度更高。
2、在优选方案中，本发明的超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法及计算机
系统，引入钢筋影响系数
，反映配筋率对抗冲切承载力影响。相比传统的确定方法，预测
结果与实测结果的相关性更好、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板的结构设计以及抗冲切承载力的确定提供参考，具有重要的
工程应用价值。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例的钢筋影响系数拟合的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，本发明的一种超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法，包括以下步骤：
S1、获取超高性能混凝土板的有效高度h 0、距离集中反力作用面h 0处破坏锥体截面面积的周长U m、确定超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值f td，基于前述获得的各参数得到超高性能混凝土板的超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc；
S2、获取预应力引起的超高性能混凝土的有效平均压应力σpc,m；根据超高性能混凝土板的有效高度h 0、距离集中反力作用面h 0处破坏锥体截面面积的周长U m、以及有效平均压应力σpc,m ，计算得到超高性能混凝土板上预应力抗冲切承载力设计值F lp；
S3、根据超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc和超高性能混凝土板上预应力抗冲切承载力设计值F lp，计算得到超高性能混凝土板的抗冲切承载力F lu：
在上述步骤中，步骤S1和S2的实施顺序不限定。通过上述步骤，可以快速计算得到超高性能混凝土板的抗冲切承载力F lu，适用范围更广、可靠度更高。
在一些实施方式中，提高超高性能混凝土板的配筋率能增强钢筋销栓作用、增大
超高性能混凝土板的剪压区高度，进而提高其冲切承载力，而现有技术均未充分反映配筋
率对承载力的影响。为此，本发明实施例可优选引入钢筋影响系数
，反映配筋率对抗冲
切承载力影响，确保公式满足可靠指标要求，最终使得方法具有适用范围更广、可靠度更高
等特点。
从而，在一些实施方式中，在计算超高性能混凝土板的抗冲切承载力F lu之前，采用以下步骤对超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc进行修正，具体如下：
其中，
为钢筋影响系数，且
；
为截面高度尺寸
效应系数；f td为超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值；P为超高性能混凝土板破坏锥体截面
内衣纵向与横向受拉钢筋的配筋百分率的均值；f sd为钢筋抗拉强度设计值。
在一些实施方式中，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标准值f tk的关系为f td=f tk/（1.45K），其中纤维取向系数K应取局部纤维取向系数K local=1.75。在一些实施方式中，钢筋抗拉强度设计值f sd与钢筋抗拉强度标准值f sk的关系为f sd=f sk/1.2。以及，选取超高性能混凝土板破坏锥体截面内衣纵向与横向受拉钢筋的配筋百分率的均值P时，当P大于4.0时，取P=4.0。
需要强调的是，本发明实施例对于超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc参
数的修正，其中的钢筋影响系数
不是随意选取的。本实施例按照如下过程选取：
搜集公开报道的超高性能混凝土板抗冲切试验结果，并采取如下原则筛选试验数
据：①立方体抗压强度不低于110MPa，且掺入了钢纤维；②试验板为冲切破坏；③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UHPC板80块，将其定
义为数据库I，其中配筋UHPC板发生冲切破坏的有61块，没有配置钢筋的UHPC板发生冲切破
坏的有19块。其中有效高度参数范围为15~88mm，立方体抗压强度参数范围为110.0~
221.3MPa，钢纤维含量特征值参数范围为0.2-1.7，配筋率参数范围为0-9.4%。利用数据库I
中UHPC冲切试验板数据对钢筋影响系数
进行拟合。拟合过程中偏下限取值，非保守点
控制在15%左右，如图2所示。
在一些实施方式中，超高性能混凝土板上预应力抗冲切承载力设计值F lp采用以下方法进行计算，具体如下：
其中，σpc,m为预应力引起的超高性能混凝土的有效平均压应力。其中，预应力引起的超高性能混凝土的有效平均压应力σpc,m可通过《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。
本发明实施例还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述实施例的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述任一所述实施例中的步骤。
为了更好的说明本实施例的超高性能混凝土板抗冲切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：
针对数据库I中的试验数据样本，取现行《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F lu，再与试验值F exp进行对比，结果如下表1所示：
表1：数据库I的超高性能混凝土板抗冲切承载力计算误差
注：χ m、χ cov分别为计算误差χ（试验值F exp与公式计算值F lu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F exp与公式计算值F lu之比的最大值与最小值；超高性能混凝土板抗冲切承载力的可靠指标要求不小于4.70。
表1给出数据库I中的超高性能混凝土板抗冲切承载力试验值F exp与公式计算值F lu的对比结果。由上表可以看出，本实施例的确定方法与现行《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相关性更好，可靠指标均满足要求，可靠性更好。
综上可知，本发明的超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法是利用大量超高
性能混凝土抗冲切试验样本进行误差分析、系数修正和可靠度校核而得，通过引入钢筋影
响系数
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，
预测结果与实测结果的相关性更好、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板的结构设计以及抗冲切承载力的确定提供参考，具有重
要的工程应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取超高性能混凝土板的有效高度h 0、距离集中反力作用面h 0处破坏锥体截面面积的周长U m、确定超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值f td，基于前述获得的各参数得到超高性能混凝土板的超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc；采用以下步骤对超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc进行修正，具体如下：
其中，
为钢筋影响系数，且
；
为截面高度尺寸效应系数；f td
为超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值；P为超高性能混凝土板破坏锥体截面内衣纵向与
横向受拉钢筋的配筋百分率的均值；f sd为钢筋抗拉强度设计值；
获取预应力引起的超高性能混凝土的有效平均压应力σpc,m；根据所述超高性能混凝土板的有效高度h 0、距离集中反力作用面h 0处破坏锥体截面面积的周长U m、以及有效平均压应力σpc,m，计算得到超高性能混凝土板上预应力抗冲切承载力设计值F lp；
根据所述超高性能混凝土基体抗冲切承载力设计值F lc和超高性能混凝土板上预应力抗冲切承载力设计值F lp，计算得到超高性能混凝土板的抗冲切承载力F lu：
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法，其特征在于，所述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标准值f tk的关系为f td=f tk/（1.45K），其中纤维取向系数K应取局部纤维取向系数K local=1.75。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法，其特征在于，所述钢筋抗拉强度设计值f sd与钢筋抗拉强度标准值f sk的关系为f sd=f sk/1.2。
4.根据权利要求1所述的超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法，其特征在于，当P大于4.0时，取P=4.0。
5.根据权利要求1所述的超高性能混凝土板抗冲切承载力的确定方法，其特征在于，所述超高性能混凝土板上预应力抗冲切承载力设计值F lp采用以下方法进行计算，具体如下：
其中，σpc,m为预应力引起的超高性能混凝土的有效平均压应力。
6.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至5任一所述方法的步骤。
7.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现上述权利要求1至5任一所述方法中的步骤。
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