基于梁、拱机制的钢筋混凝土构件的弯剪破坏机理研究

Flexure-shear failure is one of the most important failure modes for a RC member, which is the hot topic in seismic design field. Currently, only few researchers studied the flexure-shear failure mechanism. In this project, basing on the basic shear resistance components (beam-arch actions), the flexure-shear failure mechanism will be clarified by systematic theoretical analysis and experimental research. By using three dimensional Rigid-Body-Spring-Method (3D RBSM), the flexure-shear failure mode due to cyclic load of a RC column will be simulated; the degradation behavior of initial shear strength and beam-arch actions will be quantitatively evaluated; the relationship equation between degradation of beam-arch actions and main structural factors will be established and the key shear component which leads to the degradation of shear strength will be found. In our previous researches, it was confirmed that the section crack in plastic hinge might be the critical reason for flexure-shear failure. Therefore, in this project, the relationship equation between degradation of shear strength and the position and width of section crack will be built; the mechanism of shear strength degradation due to section crack will be determined based on numerical analysis and analysis of beam-arch actions; the internal cracking pattern which leads to degradation of shear strength will be concluded. The above results are of obvious significance to provide theoretical basis and technical support to seismic design of RC members.

弯剪破坏是钢筋混凝土构件在地震作用下可能遭受的主要破坏形式之一，是抗震设计领域的热点问题。目前，针对弯剪破坏的机理性研究偏少。本项目以基本抗剪机制（梁、拱机制）的定量分析为抓手，通过系统地理论分析和试验研究，明晰弯剪破坏的机理。运用三维刚体弹簧元法（3D RBSM）模拟RC柱构件在往复荷载作用下的弯剪破坏过程，定量评价初期抗剪承载力的退化行为和梁、拱机制的退化行为，建立梁、拱机制的退化程度与主要结构参数的关系式模型，明确主导抗剪承载力退化的关键抗剪机制；申请人的前期研究发现，“塑性铰贯通裂缝”可能是导致弯剪破坏的关键变形因素，因此，本项目通过梁构件的剪切加载试验，明确贯通裂缝的位置、宽度与抗剪承载力退化程度的关系式模型；通过数值模拟和梁、拱机制的理论分析，明确贯通裂缝导致抗剪承载力退化的机理，揭示抗剪承载力退化的内部开裂原因。以上成果将为改善钢筋混凝土构件的抗震设计提供理论依据和技术支持。

符合现行结构设计规范的钢筋混凝土构件在受到强震等动力作用时，可能会发生脆性特征明显的剪切破坏（脆剪破坏、弯剪破坏），导致结构整体的坍塌等严重后果。这是因为现行设计规范没能充分考虑动力作用下钢筋混凝土构件的抗剪性能衰减行为和抗剪性能的尺寸效应等因素。本项目为明晰钢筋混凝土构件的剪切破坏机制开展了一些列研究工作，包括：在往复荷载条件下，采用三维刚体弹簧元（3D RBSM）模拟评价钢筋混凝土构件的弯剪破坏行为、抗剪承载力的衰减行为、梁拱抗剪模型的衰减行为；向钢筋混凝土梁的塑性铰区域人工导入贯通裂缝，并实施贯通裂缝梁的受剪破坏试验和模拟试验过程，分析塑性铰贯通裂缝对抗剪性能的影响规律；模拟评价钢筋混凝土梁的抗剪性能尺寸效应，分析梁拱模型的尺寸效应；实施腹部小开孔梁的受剪破坏试验和模拟试验过程，分析开孔设置对抗剪性能、梁拱模型、开裂变形和局部应力的影响。以上研究工作的开展可得下述重要结果：一是明确了钢筋混凝土构件的弯剪破坏机制。往复荷载会导致拱模型逐渐衰减，从而导致弯曲变形设计的构件发生剪切破坏。二是分别解释了钢筋混凝土深梁、浅梁抗剪性能的尺寸效应机制。对于深梁，抗剪承载力的尺寸效应主要是由于拱模型的尺寸效应导致的。对于浅梁，拱模型的尺寸效应是剪跨开裂模式的变化引起的，而配置箍筋能够增强梁模型的抵抗应力，从而抵消拱模型的尺寸效应。三是建立了抗剪增强型腹部开孔梁的设计方案，并解释了梁腹开孔使抗剪性能增强的机制。合理配置腹部小开孔的孔位能够人为控制临界斜裂缝的发展路径，并明显增强梁的抗剪性能，其机制是人为增强了拱模型的抗剪能力。钢筋混凝土构件的弯剪破坏机制和尺寸效应机制的重要成果为进一步完善我国钢筋混凝土结构的抗剪设计和抗剪加固设计提供了理论基础和依据；梁腹合理开孔可为机电管线预留通道，抗剪增强型开孔梁设计方案的提出颠覆了梁腹开孔会导致负面抗剪作用的观念，为梁腹开孔设计指明了方向。