铁路桥梁钢筋混凝土构件抗剪设计方法分析比较.pdf

2 0 1 2年第 4期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 3 3 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 3 3 0 4 铁 路桥 梁钢筋 混凝 土构 件抗 剪设计方 法分 析 比较 张园 园 ， 贡金 鑫 ， 刘晓光 ， 张玉玲 ( 1 大连理工大学 土木工程 学院 ， 辽 宁 大连1 1 6 0 2 4 ； 2 中 国铁道科学研究 院 铁 道建筑研究所 ， 北京1 0 0 0 8 1 ) 摘 要 ： 对我 国铁 路桥 涵设计 规 范 T B 1 0 0 0 2 3 2 o 0 5 ， 美国铁路 工程 协会 标 准 A R E MA和 欧洲桥 梁设 计 规 范 E N 1 9 9 2 - 2 ： 2 0 0 5中， 铁 路桥 梁钢 筋混凝 土 构件 受剪 承 载 力 设 计 方 法进 行 了比较 。 分析 表 明 ， 我 国规 范和 A R E MA使 用荷 载 法的设 计 方法 与容许 应 力的 规 定基 本 相 同。A R E MA 荷 载 系数 法 采 用 定 角桁 架 模 型 ， 剪应 力 由混凝 土和 箍 筋共 同承担 ， 欧洲 规 范采 用 变 角桁 架模 型 ， 受剪 承 载 力 由箍 筋 屈服 时剪 力 和 混凝 土压 杆压 碎 时剪 力的 较 小值 确 定 。按 美 国 A R E MA使 用荷 载设 计 法和荷 载 系数 设 计 法计 算 的构 件 受剪 承载 力基 本持 平 。 关键 词 ： 铁 路桥 梁钢 筋混 凝 土 受剪设 计 方法规 范 中图 分类 号 ： U 4 4 2 5文献 标 识码 ： A 在剪力和弯矩共同作用下 ， 钢筋混凝土受弯构件 可能会发生斜截面剪切破坏 ， 因此斜截 面受剪承载力 设计非常重要。 目前 国内外规范采用的钢筋混凝土结 构设计理论 不 同 ， 构 件受 剪承 载力计 算方 法也 不 同。了解 国外规范与我 国规范 的区别 ， 对我 国铁路桥 梁设 计 方法 的发 展 和规 范 的修订 具有 重要 意义 。本 文 对 我 国铁 路 规 范 T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 ， 美 国铁 路 工 程 协会标 准 A R E MA ， 欧洲规 范 E N 1 9 9 1 1 1 ： 2 0 0 4 4 3 和 E N 1 9 9 2 2 ： 2 0 0 5 中， 钢筋混凝 土构件的受剪设计 方法 进行 了分析 和 比较 。 1 我 国规范容 许应 力法 与 美 国规范 使用 荷 载 法 的比较 钢筋混凝土构件的剪切破坏是弯矩和剪力共同作 用下 的破坏 。与受弯破坏相比， 具有脆性破坏的特点 ， 因此构件受剪承载力的计算非常重要。对于受剪承载 力设计 ， 我国规范采用容许应力 法 ， 美 国标准 A R E M A 提供 了使用荷载法和荷载系数法两种方法 ， 我 国规范 的容许应力法与美国标准的使用荷载法基本相同。美 国标准规定的混凝土容许剪应力 为 0 0 7 9 以 ( 不 大 于 0 6 6 MP a ) ， 混 凝 土 与 箍 筋共 同 承 担 剪 应 力 时 不 超过 + 0 3 3 以 。 两规范规定的受剪承载力设计表 达式和容许应力如表 1所示 ， 美 国标准混凝土强度 收稿 日期： 2 0 1 1 0 9 - 2 1 ； 修 回日期 ： 2 0 1 1 1 2 2 3 基 金项 目： 铁道部科技 开发计 划项 目( 2 0 1 0 G O 0 1 - C ) 作者 简介 ： 张园园( 1 9 8 7 一) ， 女 ， 山东济南人 ， 硕士研究生 。 与立方体强度 的换算关 系见文献 6 。由表 1可见 ， 我 国规范 和 美 国标 准 规 定 的 由混 凝 土 承 担 的 剪 应 力 ( o r ， 与 u ) 及混凝土和箍筋共同承担的剪应力容 许值( 与 + 0 3 3 以 ) 均较为接近。不同点 是 ： 计算混凝土剪应力时我 国规范只考虑内力偶之 间混凝土 的抗剪作用 ， 美 国标准考虑混凝土受压外缘 到受拉钢筋中心之间混凝土的抗剪作用 ， 荷载和截面 特性均相 同的情况下 ， 按我 国规范计算的剪应力 大于 按美 国标准计算的值 ； 我 国规范规定 ， 当构件所有截 面应力均大于 or 时 ， 需修改截面尺寸或提高混凝 土强度 ； 当构件所有截面应力均小于 or ： 时， 可不 进行抗剪强度检算 ， 按构造要求配置箍筋 ， 否则剪应力 超过 ， 的部分 由箍筋或斜 筋承担 。美 国标 准规 定 ， 剪应力超过混凝土容许剪应力时 应 配置箍筋 ， 需要 的箍 筋按 下式 计算 s ( s i n t +c o s ) 式中， 为箍筋面积 ； s 为箍筋间距 ； 为箍筋容许应 力 ； O t 为箍筋与梁轴线的夹角。 对于 T形截面受弯构件 ， 我 国规范规定 还需验算 板与梗相交处 ( 图 1的截面 I I 和 I 一I ) 的剪应力 ， 计 算公 式 如下 ， C r =r J1 r ( 2 ) I l f 0 式 中， r 为梗 内中性轴处 的剪应力 ； r 为纯剪 时混 凝土的容许应力 ； h ； 为截面 I I 或 I 一I 处的翼缘高 度 ； S 为截面 II 和 I 一I 以外部分面积对 中性轴的 面积矩 ； S为中性轴 以上部分面积对 中性轴的面积矩。 3 4 铁道建筑 A p r i l ， 2 0 1 2 注 ： V为计 算 剪力 ； 6为截 面 宽度 ； 为 内力偶 的力 臂 ； d为受压 外缘 至受 拉钢 筋 中心 的距 离 ； 也 可 由公 式详 细计 算 ： V = o 0 7 5 + 7 5 o V d ， 式中 ， M为同 一截面的 剪力和弯矩，p 为纵筋配筋率。 受剪承载力取拉杆箍筋屈服时的剪力和混凝土压杆压 碎时剪力的较小值 ， 设 计 中可假定 0的值或取 = V R 求得 0的值 。 欧洲规范要求考虑剪力在受拉钢筋中产生的附加 图 1 上翼 缘应力检算示意 2美国标准荷 载 系数法 与 欧洲规 范极 限状 态 法的 比较 美 国标 准 荷载 系数法 和 欧洲规 范抗 剪设计 均是 以 桁架模型为基础 的。美 国标准采用 的是定角 桁架模 型， 假定混凝土斜压杆倾角为 4 5 。 ， 而欧洲规范采用 的 是变角桁架模 型， 混 凝土斜 压杆倾 角在 2 2 5 。 0 4 5 0 。 范围内取值 。两规范采用的桁架模型如 图 2 所示 ， 受剪承载力计算公式见 表 2 。美 国标准荷载系 数法中规定 的构件受剪承载力分为两部分 ， 由混凝土 承担的剪力和由箍筋承担 的剪力 ； 欧洲规范规定构件 拉力 ， 见 图2 ， 附加拉力 F 按下式计算 A F =0 5 V e d ( c o t Oc 0 t ) ( 3 ) 该 拉力 由构 件上 部 的 受压 钢筋 平 衡 ， 而受 拉 钢 筋 应 满足 + 一 M E d , m a x ( 4 ) 式 中， 为与 对应的弯矩 ； 为构件承受的 最 大弯 矩 。 另外 ， 同我 国规范 一 样 ( 式 2 ) ， 对 于 T形 截 面 ， 欧 洲规范要求对腹板和翼缘交界处进行抗剪验算 。一边 的翼缘 与腹 板 的纵 向剪应力 按 下式 确定 Y E d= A F ( ， ) ( 5 ) 单位长度内的横 向钢筋面积 A r s ， 按下式计算 s =V E d h s ( 厶 c o t O ) ( 6 ) 受压翼缘 2 l ( a ) 美国标准 ( b ) 欧洲 规范 图 2 美国标准和欧洲规范采用的受剪承载力桁架模型 寸 引 2 0 1 2年 第 4期 铁 路桥梁钢筋混凝 土构件抗剪设计方法分 析 比较 3 5 表 2 美国标 准荷载 系数法和 欧洲规范规定 的受 剪承 载力计算公式 注 ： V 为截 面乘系数的剪力 ； 咖为强度折减 系数 ； b 为压杆 和拉杆的最小宽度 ； 为 内力 臂 ， 近似取 为0 9 d ； 0 为混凝土压杆 的水 平 夹角 ； a为纵筋的水平夹角 ； d 为系数 ， 对钢筋混凝土构件取 1 0 ； 。=0 6 ( 1 一 厶 2 5 0 ) ； A 为箍筋 截面面积 为箍筋屈服强度 设计值 ； s 为箍筋间距 ； 其 它参数定义见表 1 。 为防止翼缘压坏 ， 还应满足下列条件 Ed d s i n 0 c o s 0 ( 7 ) 式 中， ， 为翼缘与腹板交界处的翼缘厚度 ； A x为所考 虑 的 长度 ， 见 图 3 ； F 为沿 翼 缘 长 A x内法 向 力 的 变 化值 ； 规范建议 的 0值为 ， 翼缘受压时 1 0 c o t 0 2 0 ， 翼缘 受拉 时 1 0 c o t 0 1 2 5 。 3 美国标准使用荷载 法与荷载 系数 法的比较 对美国铁路工程协会手册使用荷载设计法和荷载 系数设计法的受剪承载力安全性进行对 比分析。假定 钢筋混凝土单筋矩形 截面构件的截面高度为 h ， 宽度 为 b ， 跨度为 z = 2 0 m。只考虑桥梁恒荷载和车辆活荷 载的作用。在支座截面， 恒荷载产生的剪力为 ， 活 荷载产生的剪力为 ， 冲击荷载产生 的剪力为 。 材料和截面特性及配箍面积均相同的条件下 ， 分 别按照荷载系数法和使用荷载法计算恒载剪力 和 ， 。定义使用荷载法的安全系数 为 K = ， v 。 图 4和图 5给出了不 同混凝土强度、 纵 向钢筋配筋率 及活载与恒荷 载之 比时 的安全 系数值。 由图可 以看 出， 当箍筋参数按 A ( s b )从 0变化到 1 0时， 安全 系数约有一半的情况大于 1 ， 一半的情况小于 1 。这说 明， 对钢筋混凝土受剪构件 ， 当按 刚好满足荷载系数法 的要求进行设计时， 约有一半 的情况不满足使用荷载 设计法的要求 ， 一半 的情况高于使用荷载设计法的要 1 5 I 4 O 9 0 8 图 3 翼 缘与腹板的连接 求 ， 总体上与使用荷载设计法是持平的。 4 结 论 通 过 对 我 国铁 路 桥 涵 设 计 规 范 T B 1 0 0 0 2 3 - 2 0 0 5 ， 美国铁路工程协会标准 A R E MA和欧洲桥梁设 计规范 E N 1 9 9 2 - 2 ： 2 0 0 5三个规范中， 钢筋混凝土构件 抗剪设计方法 的比较分析 ， 得出以下结论 ： 1 ) 对于构件受剪承载力计算 ， 我 国规范的容许应 力法和美国标准的使用荷载法概念上是基本相 同的， 控制的容许应力也接近。 2 ) 美国标准荷载系数法采用定角桁架模型 ， 欧洲 规范采用变角桁架模型 ， 并考虑 了剪力在受拉 钢筋 中 产生的附加拉力。 1 4 l 3 1 2 1 1 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 图 4不 同混凝土 强度 等级时 与 A ( s 6 )的关系 3 6 铁道建筑 图 5 不 同配筋率及活载与恒荷载之 比时 K与 A ( s 6 )的关 系 3 ) 对钢筋 混凝 土 受 剪构 件 ， 美 国标 准荷 载 系 数设 计法与使用荷载设计法的设计结果总体上是相当的。 参 考 文 献 1 张 园园 ， 贡金鑫 ， 张 玉玲 ， 等 国内外钢筋混凝 土铁路 桥梁设 计方法 比较 分析 J 铁道 建筑 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 7 1 0 2 中华人 民共和 国铁道 部 T B 1 0 0 0 2 3 2 o 0 5 铁 路桥 涵钢 筋混凝 土及 预应 力混 凝土结构设计规范 s 北京 ： 中国铁道 出 版社 ， 2 0 0 5 3 A R E MA Ma n u a l f o r R a i l w a y E n g i n e e r i n g S L a n h a m， MD： Th e Ame r i c a n Ra i l wa y En g i n e e r i n g a n d Ma i n t e na n c e o f - Wa y As s o c i a t i o n， 201 0 4 B r i t i s h S t a n d a r d s I n s t i t u t i o n E N 1 9 9 2 1 1 ： 2 0 0 4 D e s i g n o f c o n e r e t e s t r uc t u r e s Pa r t 1 1： Ge ne r a l r ul e s a nd r ul e s for bu i l d i n g s S B r u s s e l s ： E u r o p e a n C o m m i t t e e for S t a n d a r d i z a t i o n( C E N) ， 2 0 0 4 5 B r i t i s h S t a n d a r d s I n s t i t u t i o n B S E N 1 9 9 2 2 ： 2 0 0 5 E u r o c o d e 2 ： De s i g n o f c o nc r e t e s t ruc t ur e s - p a r t 2： Co n c r e t e b r i d g e s - d e s i g n a n d d e t a i l i n g rul e s S L o n d o n ： T h e B r i t i s h S t a n d a r d s I n s t i t u t i o n ， 2 0 0 5 6 贡金鑫 ， 魏 巍巍 ， 胡 家顺 中美欧 混凝 土结 构设 计 M 北 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 7 7 贡金鑫 ， 魏巍巍 ， 赵 尚传 现代混凝 土结构 基本理 论及应 用 M 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 9 8 过镇海 ， 方鄂 华 ， 庄崖屏 混凝 土结构设 计 M 北 京 ： 中 国 建筑工业 出版社 ， 2 0 0 3 ( 责任 审编 赵其文) 2 0 1 2铁路建 设大 中型项 目介绍 2 0 1 2年铁路 建设投 资规模 为4 0 6 0 4 L 元 ， 其 中用 于 大 中型项 目4 0 5 0 亿 元 、 小 型 项 目 1 0亿 元 。全 年 安 排 国 家及 合 资铁 路 大 中型 项 目 2 4 9个 ，其 中 ， 收 尾 销 号 项 目6 3个 ( 客运 专 线 8个 、 新 建铁 路 1 4个、 复线 及 扩 能 9个 、 电气化 工程 1个、 枢 纽 3 1个 ) ； 续 建 项 目 1 7 7 个( 客 运 专线 4 1个 ， 新 建铁 路 6 3个 ， 复 线 及 扩 能 3 1 个 ， 电气化 工程 4个 ， 枢 纽 3 7个 ， 集装 箱 1个) ， 包括哈 大客 专等 1 5个客 运 专线在 内的 年 内建 成投 产 项 目 8 4 个 ； 开工 项 目9个 ( 客 运 专线 1个 ， 新 建铁 路 6个 ， 复线 及 扩 能 2个) 。对 宝 兰客 运 专线 等 5 3个拟 开工 项 目， 预 留投资计划 1 7 0亿元， 根据勘察设计进度以及各项 开工 准备 工作 落 实情 况 ， 适 时安 排 开工 。 哈大 客运 专线 哈 大客 运 专线 为今 年 计 划 8 4个 建 成投 产 的 重 点 项 目之 一 。哈 大客 专是 国 家 “ 十 一五 ” 规 划 的重 点建 设工程 项 目之一 ， 是 中长期铁路 网规 划“ 四纵四 横 ” 快 速客 运干 线 中京哈 客运 专线 的重要 组成 部分 。 哈 大客 专纵 贯 东北三 省 ， 南起 大连 ， 经 营 口、 鞍 山、 辽 阳 、 沈 阳 、 铁 岭 、 四平 、 长春 、 松 原 等 城 市 ， 终 至 哈 尔 滨 ， 建设规 模 8 9 3 k m。 哈 大客 专是我 国 目前 最北 端 的一条 高速铁路 。建 成投产后 ， 哈 大客专与既有的哈大铁路 实行客货分线 运营， 将有效缓解 东北地区运输紧张状况 ， 加强地区间 的联 系。 京石 客 运专 线 京石客 运 专线 为今 年 计 划 8 4个 建成 投 产 的 重 点 项 目之 一 。京石客 专 共设 北京 西、 涿 州 、 高碑 店 、 保 定 、 定 州、 石 家庄 南 6个 车站 ， 建设规模 3 1 2 k m。 京 石客 专是我 国铁路 网主 骨 架之 一 ， 建 成 后将 实 现客货分线运输 ， 有效释放既有线货物运输能力， 大大 缓解既有京广铁路 北段运力紧张状 况， 提 高铁路运输 服务质量， 促进环渤 海地 区经济的协调发展 。京石客 专是中长期铁路 网规 划中京广 高速铁 路的重要 组 成部分 ， 是环渤海经济圈的重要铁路通道 ， 有利 于加强 环 渤 海地 区与 中部 地 区、 珠 江三 角洲 地 区的联 系。 石 武客 运专 线 石 武客 运专 线 为今 年 计 划 8 4个 建成 投 产 的重 点 项 目之一。石武客专北起石 家庄， 南至武汉， 建设规模 8 7 9 k m。 石 武客 专是 京 广 高速铁 路 的 重要 组 成 部 分 ， 跨 越 河北 、 河南 、 湖北 三省 ， 沿线 共设 1 4个 车站 。 ( 下转 第 7 5页)