一种提高钢筋混凝土构件寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种提高钢筋混凝土构件寿命的方法，属于土木工程的结构设计领域。

背景技术

钢筋混凝土梁、柱构件是土木工程领域最常用的构件形式，其承载力的设计主要考虑的是受弯和受剪作用，即正截面受弯承载力设计和斜截面受剪承载力设计。目前，钢筋混凝土构件受弯作用的力学简化模型已经十分成熟，模拟得到受弯承载力的预测值也与实际值较为接近。但是，钢筋混凝土构件的剪切破坏形式多样，其破坏机理和受力模型随剪跨比(构件截面弯矩与剪力和有效高度乘积的比值)的变化而改变。国内外许多学者在分析各种破坏机理的基础上，对斜截面受剪承载力给出过不同类型的计算公式，但是由于剪切承载力的复杂性使得这些计算公式无法得到的实际应用。

目前，国际主流的抗剪设计一般基于“剪压破坏”形态，采用“理论与试验相结合”的方法来计算斜截面受剪承载力，其基本假设为：V

此假设模型中的箍筋的受剪承载力设计值V

梁、拱机制是钢筋混凝土构件的基础抗剪力学模型，任意钢筋混凝土构件横截面的弯矩-剪力平衡状态可表示为公式

由于目前的实验室条件缺乏直接测定钢筋混凝土构件的横截面应力状态的有效技术，因此，无法获得横截面的混凝土合力大小和作用位置等参数，梁、拱模型的基本概念虽然简单和清晰，但是其应用仍然只停留在理论公式阶段。

当前应用于抗剪设计的力学模型多由梁、拱机制模型发展简化而来，例如定角桁架模型、变角桁架模型和桁架+拱模型等。由于各种假设的局限性，使得简化的抗剪模型无法精准地计算或预测每个加载位移点的承载力，此外，现有的抗剪模型只能计算得到总的抗剪作用力，而无法区分梁、拱机制分别在构件不同受力阶段所发挥的作用，因此，也无法根据其具体的受力或者载荷情况对构件进行相应的修补或者加固。因此，目前亟需一种定量计算梁、拱机制分别在构件不同受力阶段抗剪作用的方法，为准确预测抗剪钢筋混凝土构件的抗剪承载力以及有目标的修补或加固构件提供基础。

发明内容

【技术问题】

现有的抗剪模型无法精准地计算或预测每个加载位移点的承载力，且只能计算得到总的抗剪作用力，而无法区分梁、拱机制分别在构件不同受力阶段所发挥的作用。

【技术方案】

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于对梁、拱抗剪机制的定量计算和评价，来实现提高钢筋混凝土构件寿命的方法，通过本发明方法，能够实现对梁、拱抗剪机制的抗剪作用进行区分并给出定量的数据，以指导工程师按照此数据对钢筋混凝土构件进行相应的修补或者进行加固，以减少盲目修补的成本和时间，并提高钢筋混凝土的寿命，具有广阔的应用前景。

具体的，本发明的技术方案为：一种提高钢筋混凝土构件寿命的方法，所述方法包括以下步骤：

①根据钢筋混凝土构件的长L、截面宽b、截面高h、剪跨比λ、配置钢筋情况、混凝土抗拉强度f

②将模型沿轴向划分为N个等间距的一系列微分单元dx，第I个微分单元dx的切割面之一穿过n个混凝土单元；根据获得的各个混凝土单元的垂直于该切割面的应力输出σ，计算在某一位移点时累积该切割面上的受压合力大小C

③将步骤①和步骤②计算得到的数据代入公式

④重复步骤②和③即可得到其余N-1个微分单元dx对应的梁、拱机制的抗剪贡献；将计算得到的N个微分单元对应的梁、拱机制的抗剪贡献代入公式

⑤重复步骤②～④即可得到梁、拱机制对抗剪作用的贡献随位移点变化的曲线，当在实际应用中的对应的位移点的梁机制对抗剪作用的贡献大于拱机制时，则针对梁机制对钢筋混凝土构件进行加固或修补；当梁机制对抗剪作用的贡献小于拱机制时，则针对拱机制对钢筋混凝土构件进行加固或修补；当梁机制对抗剪作用的贡献等于拱机制时，则同时针对梁机制和拱机制对钢筋混凝土构件进行加固或修补。

在本发明的一种实施方式中，步骤②中，所述受压合力大小C

在本发明的一种实施方式中，所述钢筋混凝土构件为矩形截面构件。

在本发明的一种实施方式中，所述钢筋混凝土构件为梁和/或柱。

在本发明的一种实施方式中，所述将模型划分为多个混凝土单元和钢筋单元的方法为三维刚体弹簧元法3D RBSM。

在本发明的一种实施方式中，所述三维刚体弹簧元法3D RBSM是利用随机分配的方法将模型划分为多个混凝土单元和钢筋单元。

在本发明的一种实施方式中，所述加载为利用与轴向垂直的力加载在构件上。

在本发明的一种实施方式中，所述加载为三点加载、四点加载、单调加载或循环往复加载。

在本发明的一种实施方式中，所述N的数值越大，最终结果的准确度以及精度越高。

在本发明的一种实施方式中，所述微分单元dx有两个切割面。

本发明还提供了一种设计钢筋混凝土构件的方法，所述方法利用上述方法设计钢筋混凝土构件。

在本发明的一种实施方式中，在设计钢筋混凝土构件时，根据实际应用中的对应的位移点的梁机制和拱机制对抗剪作用贡献的大小，判断如何加固钢筋混凝土构件；具体的为，当位移点对应的梁机制对抗剪作用的贡献大于拱机制时，则针对梁机制对钢筋混凝土构件进行加固；当梁机制对抗剪作用的贡献小于拱机制时，则针对拱机制对钢筋混凝土构件进行加固；当梁机制对抗剪作用的贡献等于拱机制时，则同时针对梁机制和拱机制对钢筋混凝土构件进行加固。

本发明还提供了上述方法在设计钢筋混凝土构件中的应用。

本发明的优点和效果：

(1)本发明通过将钢筋混凝土构件进行划分单元，并结合微分和再积分的方法实现了定量评价钢筋混凝土构件的梁、拱抗剪机制在任意加载位移点对抗剪承载力的贡献的目的，能够将梁机制和拱机制的抗剪作用进行区分，能够指导工程师按照此数据对钢筋混凝土构件进行相应的修补或者进行加固，以减少盲目修补的成本和时间，从而能够提高钢筋混凝土的寿命，具有广阔的应用前景。

(2)本发明测定得到的梁机制和拱机制的抗剪作用有利于工程师根据实际情况设计特定的钢筋混凝土构件的结构，例如，可以根据尺寸和应用场景确定梁抗剪机制和拱抗剪机制的抗剪作用，以针对性的设计钢筋混凝土构件的结构，以避免或减少后续可能出现的剪切破坏的问题。

(3)本发明使用的三维刚体弹簧元法(3D RBSM)是在离散元的基础上发展起来模拟离散介质破坏的一种方法(如图5所示)，3D RBSM假设每个离散单元都是刚体，刚体之间通过弹簧相连接，并以单元型心位移作为基本未知量，单元间的作用力完全反映在弹簧上，根据计算力学原理建立按位移求解的支配方程。3D RBSM对定量评价钢筋混凝土结构和构件的开裂具有极大优势：能够更精准地模拟局部力学性能，可以直观的表现开裂过程，定量地计算裂缝的宽度。

附图说明

图1：现有的钢筋混凝土构件剪压区受剪承载力的试验结果，其中，(a)为均匀载荷作用下的数据，(b)为集中载荷作用下的数据。

图2：钢筋混凝土构件在三点加载下横截面受力状态示意图。

图3：钢筋混凝土梁构件的微分单元的受力状态示意图。

图4：梁机制和拱机制抗剪力学模型示意图。

图5：3D RBSM模型示意图。

图6：实施例1中的钢筋混凝土短梁的结构示意图。

图7：实施例1中利用3D RBSM模型模拟得到荷载-位移关系曲线与实验结果的比较。

图8：实施例1中的钢筋混凝土短梁中的钢筋模型。

图9：实施例1中的钢筋混凝土短梁的微分单元的划分示意图。

图10：第I个微分单元dx的切割面的混凝土单元切割示意图。

图11：实施例1中计算得到的梁机制和拱机制的抗剪作用的分解结果。

图12：实施例2中计算得到的梁机制和拱机制的抗剪作用的分解结果。

图13：实施例3中计算得到的梁机制和拱机制的抗剪作用的分解结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例1：一种提高钢筋混凝土构件寿命的方法

包括以下步骤：

①根据钢筋混凝土构件的长L、截面宽b、截面高h、剪跨比λ、配置钢筋情况、混凝土抗拉强度f

②将模型沿轴向划分为N个等间距的一系列微分单元dx，第I个微分单元dx的切割面之一穿过n个混凝土单元；根据获得的各个混凝土单元的垂直于该切割面的应力输出σ，计算在某一位移点时累积该切割面上的受压合力大小C

③将步骤①和步骤②计算得到的数据代入公式

④重复步骤②和③即可得到其余N-1个微分单元dx对应的梁、拱机制的抗剪贡献；将计算得到的N个微分单元对应的梁、拱机制的抗剪贡献代入公式

⑤重复步骤②～④即可得到梁、拱机制对抗剪作用的贡献随位移点变化的曲线，当在实际应用中的对应的位移点的梁机制对抗剪作用的贡献大于拱机制时，则针对梁机制对钢筋混凝土构件进行加固或修补；当梁机制对抗剪作用的贡献小于拱机制时，则针对拱机制对钢筋混凝土构件进行加固或修补；当梁机制对抗剪作用的贡献等于拱机制时，则同时针对梁机制和拱机制对钢筋混凝土构件进行加固或修补。

作为优选，步骤②中，所述受压合力大小C

作为优选，所述钢筋混凝土构件为矩形截面构件。

作为优选，所述钢筋混凝土构件为梁和/或柱。

作为优选，所述将模型划分为多个混凝土单元和钢筋单元的方法为三维刚体弹簧元法3D RBSM。

作为优选，所述三维刚体弹簧元法3D RBSM是利用随机分配的方法将模型划分为多个混凝土单元和钢筋单元。

作为优选，所述加载为利用与轴向垂直的力加载在构件上。

作为优选，所述加载为三点加载、四点加载、单调加载或循环往复加载。

作为优选，所述N的数值越大，最终结果的准确度以及精度越高。

作为优选，所述微分单元dx有两个切割面。

实施例2：一种提高钢筋混凝土构件寿命的方法的应用

使用实施例1的方法进行抗剪机制计算，抗剪机制计算的对象实验为钢筋混凝土短梁的三点加载实验。

钢筋混凝土梁构件全长为1600mm，横截面尺寸为300mm×150mm，剪跨比为a/d＝2.35(如图6所示)。配置两根直径为29mm的受拉钢筋(受拉钢筋配筋率：3.36％)，其混凝土保护层厚度为45mm(有效高度为255mm)。本实验对图中左侧剪跨进行受剪配筋补强，将可能的剪切破坏限制在右侧剪跨，从而便于观测与分析。钢筋以及混凝土的材料力学性能如表1所示。

表1钢筋混凝土短梁的钢筋和混凝土的材料力学性能

①运用3DRBSM对上述钢筋混凝土短梁建立模型；利用随机分割的方法(Voronoi法)将模型进行单元切割，划分为多个混凝土单元(如图5(b)所示)和钢筋单元(如图8所示)，并对模型进行静力加载，可得如图7所示的荷载-位移关系曲线；通过与钢筋混凝土短梁的实验结果对比可知，3DRBSM对上述钢筋混凝土短梁在三点加载的破坏过程中的模拟是较准确的，因此，可以用3DRBSM对上述钢筋混凝土短梁进行模拟；

②对右侧剪跨进行微分单元dx划分，微分单元dx的单元大小取为50mm(如图9所示)，第I个微分单元dx的切割面之一穿过n个混凝土单元(如图10所示)，利用3DRBSM方法进行数值模拟，获得的各个混凝土单元的应力输出σ(如表2所示，以达到极限荷载时右侧剪跨中间微分单元dx为例，下同)，计算在某一位移点时累积在该切割面上的受压合力大小C

T

C

j

表2极限荷载时右侧剪跨中间微分单元dx各个混凝土单元的应力输出

③将步骤②得到的数据代入公式

④重复步骤②和③即可得到其余N-1个微分单元dx的切割面对应的梁、拱机制的抗剪贡献；将计算得到的N个微分单元对应的梁、拱机制的抗剪贡献代入公式

⑤重复步骤②～④即可得到梁、拱机制对抗剪作用的贡献随位移点变化的曲线，结果见图11，可见，本发明得到的梁机制和拱机制的抗剪贡献之和与3D RBSM模拟得到的总的抗剪贡献是一致的，即说明本发明方法准确的计算得到钢筋混凝土构件的抗剪作用力；此外，本实施例还给出了在三点加载的过程中梁机制和拱机制分别的抗剪贡献，可见，就本实施例的钢筋混凝土短梁而言，在三点加载的过程中，拱机制的抗剪贡献在位移量大于1mm时发挥主要贡献作用，尤其的在位移量达到3mm时处于最高抗剪作用，即最高载荷量。

因此，在本实施例的钢筋混凝土短梁的使用过程中，可以根据其实际应用场景以及可能发生的位移量进行提前加固或者修补，例如，其在实际应用过程中位移量可达2～4mm，可主要根据拱机制对其进行加固，例如，其在实际应用中位移量只有1～2mm，可主要根据梁机制对其进行加固。此类有针对性的加固/修补，能够大大节约加固/修补用料且能够达到全面加固/修补的效果；或者在涉及短梁时，在其拱机制处进行加固设计，以防止其载荷过大而造成破坏。

当dx更小时(20mm)，则测定的曲线和上述图11一致，但是其精度有所提高。

当dx更大时(100mm)，则测定的曲线的精确度降低；具体的选择可以根据计算机能力以及最终结果的精度要求来定。

实施例3：一种提高钢筋混凝土构件寿命的方法的应用

使用实施例1的方法进行抗剪机制计算，抗剪机制计算的对象实验为钢筋混凝土长梁的三点加载实验。

实施例2为在实施例1的基础上增大剪跨比(a/d＝3.14)而得到的钢筋混凝土长梁，钢筋和混凝土的材料力学性能见表3。将静力加载过程中的应力输出代入公式中，可计算得到某一位移点处(以达到极限荷载时右侧剪跨中间微分单元dx为例)梁机制和拱机制的抗剪贡献，重复相应的计算过程，从而可以得到整个加载过程中梁、拱机制对抗剪作用的贡献随位移点变化的曲线，结果见图12。

表3钢筋混凝土长梁的钢筋和混凝土的材料力学性能

T

C

j

实施例4：一种提高钢筋混凝土构件寿命的方法的应用

使用实施例1的方法进行抗剪机制计算，抗剪机制计算的对象实验为钢筋混凝土短梁的四点加载实验。

实施例3为在实施例1的基础上改变加载方式(四点加载)而得到的钢筋混凝土短梁。将静力加载过程中的应力输出代入公式中，可计算得到某一位移点处(以达到极限荷载时右侧剪跨中间微分单元dx为例)梁机制和拱机制的抗剪贡献，重复相应的计算过程，从而可以得到整个加载过程中梁、拱机制对抗剪作用的贡献随位移点变化的曲线，结果见图13。

T

C

j

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。