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書名：基于試驗數據庫下鋼筋混凝土橋梁板構件沖切強度破壞機理的研究
作者名：楊秋寧
本章字數： 3207字
更新時間： 2019-01-02 13:44:17

3.2 RC橋面板數據庫里的實驗數據

收集全世界各國研究者的鋼筋混凝土橋面板實驗數據是比較困難的。筆者收集了包括筆者自己的實驗數據結果在內的427個試驗數據結果，建成目前世界上最大的橋面板試驗結果數據庫。其中歐美等國家的實驗數據共計249個，日本研究者的實驗數據178個。具體內容如表3-1所示，實驗數據根據研究者的不同而各不相同。

西方研究者很早就開始了有關RC板沖切強度的研究。到目前為止，已經有諸多研究成果問世。各國研究者在大范圍內檢討影響RC橋面板強度各種因素的同時，對RC橋面板的破壞機理的研究也進行了系統的分析，并推導出RC橋面板沖切強度計算公式。

但是，對于混凝土橋面板構件而言，與梁式受彎構件有差別，混凝土橋面板的截面高度較小而平面尺寸較大，具有較大的高跨比，主要承受分布荷載，受彎時板截面的應變梯度大于梁截面的應變梯度；從配筋方面看，板的配筋多采用直徑較小的鋼筋作為受力鋼筋，鋼筋間距較大而配筋率較小。因此，RC橋面板受各種因素的影響，其破壞機理十分復雜。以前都是選取主要影響因子來判斷RC橋面板沖切破壞強度，并推導出各種實用的強度計算公式。

本書中的實驗數據顯示了這些強度計算公式的主要影響參數。例如，表3-1所示，對鋼筋混凝土強度而言，低強度的實驗數據和高強度的實驗數據都有，范圍從12.25 N/mm2到80 N/mm2不等。關于梁的沖切破壞機理的研究較多，根據研究結果可知沖切有效長度比的大小，斜拉和剪切壓縮性的破壞是不一樣的。因此考慮混凝土收縮強度為影響參數的公式較多。

以往的計算公式多半都是以混凝土強度方根按比例來計算沖切強度的。配筋率對沖切強度的影響也比較明顯，因此日本土木學會公式 [40]日本土木學會.混凝土標準規范[構造能照查編].2002年. 和BS公式等將配筋率作為強度計算公式的影響參數 [18][38]Moe，J.：Shearing Strength of Reinforced Concrete Slabs and Footings under Concentrated Loads，Development Department Bulletin. D47，Portland Cement Association，1961.4. 。根據試驗數據庫顯示配筋率的范圍在0.176%到7.02%之間，鋼筋混凝土橋面板沖切強度和配筋率成正比直線關系，因為配筋率大的實驗數據變化較多，沒有發現特定的規律。有文獻顯示鋼筋屈服強度的大小根據鋼筋抗剪作用的影響對沖切強度有一定的影響。本書中的鋼筋屈服強度范圍從309 N/mm2到628 N/mm2。橋面板的尺寸效應方面，在實驗數據較多，試驗規模較大的場合采用不同的尺寸，例如日本學者角田 [11][19][21][27][46]角田與史雄，伊藤昭夫，藤田嘉夫.關于鋼筋混凝土板沖切承載力的研究.土木學會論文報告集，1974.9（229）：105～115. 的實驗數據。基本上所有的公式都將有效高度作為影響參數，只有山口大學簡易公式采用橋面板全厚，有效高度的范圍從25.4mm到397mm。橋面板全厚的范圍從40mm到503mm。橋面板的實驗數據中混凝土的特性及尺寸都有詳細描述。

本書中將保護層厚度作為RC橋面板的沖切強度的影響參數。目前，多數國家設計規范用鋼筋混凝土橋面板沖切強度評價公式，常以板的有效高度作為主要影響因素，并未考慮板的全厚對公式的影響。例如中國鋼筋混凝土板構件的計算，從力學機理著手，假設其沖切錐面傾角為45°，剪力計算截面取距載荷邊h0處，抗力計算截面取距載荷邊h0/2處，分別采取錐底截面及錐中斷面計算其沖切剪力及抗力。 [48]前田幸雄，松井繁之.鋼筋混凝土板沖切承載力評價式.土木學會論文集，1984.8，1（348）：133-141. 但規定了最小板厚，由此可以認為，通過改變保護層厚度可增加板構件全厚，進而提高板的沖切強度。本書中的實驗數據中，最小保護層厚度為30mm，保護層的范圍從6mm到70mm。

以往的研究中雖然有一些關于粗骨料最大尺寸的文獻，但是將粗骨料最大尺寸作為影響參數的文獻卻沒有。骨材尺寸效應對鋼筋混凝土構件的沖切強度驘筋的影響，不僅僅是粗骨料本身，混凝土強度也是原因之一。另外，粗骨材的粒徑和斷面尺寸的關系對骨料的咬合作用也有影響。斷面小而骨料粒徑大的構件對咬合作用影響大。根據斷面尺寸考慮有效高度時，有效高度越小，咬合作用的影響更顯著。從鋼筋的角度對橋面板沖切強度破壞的抵抗，一般只是考慮了抗拉區的鋼筋而已。并且，橋面板發生剪切破壞時，裂縫的位置的抗拉鋼筋根據鋼筋抗剪效果進行抵抗。鋼筋抗剪效果對沖切強度的影響占20%～30% [5]Hewitt，B.，E. and Batchelor，B. de V.：Punching Shear Strength of Restrained Slabs，Proceedings of ASCE，Vol.101，No.ST9，pp.1837～1853，1975.9. Criswll，M.，E. and Hawkins，N.，M.：Shear Strength of Slabs，Basic Principle and their Relation to Current Methods of Analysis，Shear in Reinforced Concrete，ACI SP-42，Vol.42，pp.641～676，1974. ，這種效果沒有報道的文獻也有。 Gardner，N.，J. and Shao，X.，Y.：Punching Shear of Continuous Flat Reinforced Concrete Slabs，ACI Structural Journal，Vol.93，No.2，PP218～229，1996.

關于支撐長度對沖切強度的影響已有文獻記載并進行了討論，而有些研究卻沒有考慮其造成的影響。支撐長度是影響梁構件沖切強度的重要因素之一。對于橋面板構件沖切強度而言，支撐長度同樣具有一定的幾何意義，因為抗彎應力與剪切應力的比的意義以及裂縫和局部應力的再分配等原因，不能將其單純的和梁構件一樣考慮。以前的研究表明，支撐長度對橋面板構件沖切強度的影響并無明顯趨勢。本書收集的試驗試塊的性狀有正方形、長方形和圓形3種。大約有20個試驗試塊的荷載是從其中央位置自下向上施加。

橋面板的沖切強度的影響參數包括試驗的方法，材料的性能，殘存應力，試件尺寸效應，周邊條件等。如果將影響參數全部考慮到是非常困難的，就算試驗條件相同的試驗試塊的壽命也會各不相同。筆者收集了大量道路橋面板實驗結果數據，建成實驗結果的數據庫。其中實驗數據較多的研究者有日本學者角田[8]（47臺）和濱田 ][50][55]濱田純夫，松尾榮治，藤岡靖. 基于實驗的RC沖切強度算定式的安全系數.土木學會論文集，2001.5，51（676）：51～63. （] 45臺）。

一方面，考慮到影響橋面板沖切強度的影響因子有很多，以前的研究或多或少地假定某種程度的破壞后再進行數值模擬分析，這樣推導公式的精度不夠，適用性也不夠廣泛。很多結果也是針對梁構件研究得到的。如果我們把梁構件的研究成果直接運用到橋面板上，對于鋼筋混凝土橋梁而言，結構體系通常由直接承載的梁板、支承加勁梁的支座體系和支承橋跨體系的基礎組成。實際設計時三者密不可分，而且這三種基本承載構件以不同的方式影響總體結構的性能。因此這是不可行的。另一方面，從橋面板的角度，很多研究者提出了考慮各種因素的疲勞強度的簡化公式，但對于橋面板的疲勞模型及破壞機理，至今還沒有徹底弄清。日本教授角田針對以上結論對包括普通混凝土在內的RC橋面板的試驗試塊進行試驗，研究其承載耐力，并且分析自己的實驗數據和以往研究者利用統計解析法得到的實驗數據的對比結果，繼而推導出以角田命名的實用性及適用性更廣泛的公式。

角田的47個試驗試塊中混凝土強度150 kg/cm2～500 kg/cm2，支撐長度50 cm～200 cm，有效厚度7.5 cm～17 cm，鋼筋直徑10mm～22mm，配筋率0.5%～3.4%，加載面積5 cm2～30 cm2。日本研究者松井考慮了載荷增加時構件中性軸位置的變化及保護層厚度的影響，這是目前為止對橋面板沖切強度的影響因子考慮較全面的研究。其他國內外公式都沒有將保護層厚度作為橋面板沖切強度的影響因子。松井公式的保護層厚度限定在10mm～40mm的范圍以內。但保護層厚度在40mm以上該公式不適用。濱田探討鋼筋混凝土橋面板抗拉側保護層厚度對板沖切強度的影響規律及作用機理，在保持試件有效高度不變的條件下，對不同保護層厚度的鋼筋混凝土板試件進行試驗。

筆者通過增大壓縮側鋼筋量和粗骨料最大尺寸的方法，根據試驗結果，分析RC橋面板的破壞機理的同時對以往公式進行評價，推導更加合理、更加精確的公式。這些研究成果將在本書第5章詳細說明。

對于圓形的板試件的研究，主要集中在歐美日等國家。例如日本研究者秋山于1982年根據圓形試件體的試驗結果發表了相關論文。 [26]秋山暉，村田俊彥，新川隆夫：在集中荷載作用下圓形的RC橋面板沖切承載力的實驗研究，鹿島建設技術研究所年度報告30號，1982. 下表匯總了筆者收集到的427個RC橋面板試件的實驗結果。

表3-1 RC橋面板影響因子及其實驗結果

續表

以上所示各研究者的橋面板試件的影響參數各不相同。就算是相同的實驗者影響參數的范圍也有大有小。

No.1～No.2：Graf’s slabs 19][21][27][46]角田與史雄，伊藤昭夫，藤田嘉夫.關于鋼筋混凝土板沖切承載力的研究.土木學會論文報告集，1974.9（229）：105～115. 石橋忠良，齊藤啟一：鋼筋混凝土橋面板沖切承載力的考察，混凝土工學年度講演會論文集，1984，629～632.

No.3～No.27：Elstner-Hognestad’s slabs

No.28～No.29：Scordelis-Lin-May’s slabs [36]Scordelis，A.，C.，Lin，T.，Y. and May，H.，R.：Shearing Strength of Prestressed Lift Slabs，Journal of ACI，Vol.55，No.4，pp.485～506，1958.

No.30～No.42：Moe’s slabs [18][38]Moe，J.：Shearing Strength of Reinforced Concrete Slabs and Footings under Concentrated Loads，Development Department Bulletin. D47，Portland Cement Association，1961.4. 角田與史雄，伊藤昭夫，藤田嘉夫.關于鋼筋混凝土板沖切承載力的研究.土木學會論文報告集，1974.9（229）：105～115. 石橋忠良，齊藤啟一：鋼筋混凝土橋面板沖切承載力的考察，混凝土工學年度講演會論文集，1984，629～632.

No.43～No.57：Yitzhaki’s slabs [11][19][21][27][46]角田與史雄，伊藤昭夫，藤田嘉夫.關于鋼筋混凝土板沖切承載力的研究.土木學會論文報告集，1974.9（229）：105～115. Yitzhaki，D.：Punching Strength of Reinforced Concrete Slabs，Journal of ACI，Vol.63，No.5，pp.527～540，1966.

No.58～No.76：Gardner’s slabs [15][23]Gardner，N.，J.：Relationship of the Punching Shear Capacity of Reinforced Concrete Slabs with Concrete Strength，ACI Structural Journal，No. 1，pp.66～71，1990.

No.77～No.95：Mowere-Vanderbilt’s slabs [43]Mowrer，R.，D.and Vanderbilt，M.，D.：Shear Strength of Lightweight Aggregate Reinforced Concrete Flat Plates，Journal of ACI，Vol.64，No.11，pp. 722～727，1967.11.

No.96～No.98：Bazant-Cao’s slabs [44]Bazant，Z.，P. and Cao，Z.，P：in Punching Shear Failure ofSlabs，ACI Structural Journal，pp.44～53，1987.

No.99～No.111：Menetrey’s slabs 秋山暉，村田俊彥，新川隆夫：在集中荷載作用下圓形的RC橋面板沖切承載力的實驗研究，鹿島建設技術研究所年度報告30號，1982.

No.112～No.136：Kinnunen-Nylander’s Slabs

No.137：Pralong-Brandli’s slabs [28][31][32][34][35]Bhatt，P. and Agar，T.，J.，A：A Neural Network for Predicting the Punching Shear Strength of Internal Column-Flat Slabs Junctions without Shear Reinforcement，International Workshop on Punching Shear Capacity of RC Slabs- Proceedings，pp.39～45，2000.6.

No.138～No.147：Regan’s slabs [28][31][32][34][35]Bhatt，P. and Agar，T.，J.，A：A Neural Network for Predicting the Punching Shear Strength of Internal Column-Flat Slabs Junctions without Shear Reinforcement，International Workshop on Punching Shear Capacity of RC Slabs- Proceedings，pp.39～45，2000.6. Comite’Euro-International du Beton，“CEB-FIP Model Code 1990，”CEB Bulletind Information，No213/214，Lausanne，Switzerland，May 1993.

No.148～No.150：Van-Dilger’s slabs [28][31][32][34][35]Bhatt，P. and Agar，T.，J.，A：A Neural Network for Predicting the Punching Shear Strength of Internal Column-Flat Slabs Junctions without Shear Reinforcement，International Workshop on Punching Shear Capacity of RC Slabs- Proceedings，pp.39～45，2000.6.

No.151～No.155：Corley-Hawkins’s slabs

No.156～No.172：Marzouk-Hussein’s slabs [18][38]Moe，J.：Shearing Strength of Reinforced Concrete Slabs and Footings under Concentrated Loads，Development Department Bulletin. D47，Portland Cement Association，1961.4. Comite’Euro-International du Beton，“CEB-FIP Model Code 1990，”CEB Bulletind Information，No213/214，Lausanne，Switzerland，May 1993

No.173～No.196：Akiyama’s slabs 日本土木學會.混凝土標準規范[構造能照查編].2002年. AIJ：“Design Standards of Reinforced Concrete，”Architectural Institute of Japan，1991.4.

No.197～No.201：Umehara’s slabs [22][42]Yitzhaki，D.：Punching Strength of Reinforced Concrete Slabs，Journal of ACI，Vol.63，No.5，pp.527～540，1966.

No.202～No.204：Higashiyama-Matsui’s slabs Mowrer，R.，D.and Vanderbilt，M.，D.：Shear Strength of Lightweight Aggregate Reinforced Concrete Flat Plates，Journal of ACI，Vol.64，No.11，pp. 722～727，1967.11.

No.205No.207：Suehiro’s slabs Bazant，Z.，P. and Cao，Z.，P：in Punching Shear Failure ofSlabs，ACI Structural Journal，pp.44～53，1987.

No.208～No.209：Nagai’s slabs Menétrey，P：Analytical Computation of the Punching Strength of Reinforced Concrete，ACI Structural Journal，No.5，pp.503～511，1996.

No.210～No.256：Kakuta’s slabs [11][19][21][27][46]角田與史雄，伊藤昭夫，藤田嘉夫.關于鋼筋混凝土板沖切承載力的研究.土木學會論文報告集，1974.9（229）：105～115. Kinnunen，S.and Nylander，H.：“Punching of Concrete Slabs Without Shear Reinforcement，”Transactions of Royal Institute of Technology，Stockholm，No.158，Mar.1960

No.257～No.274：Slabs Maede-Matsui used in Paper. 前田幸雄，松井繁之.鋼筋混凝土板沖切承載力評價式.土木學會論文集，1984.8，1（348）：133-141.

No.275～No.276：Yamada’s slabs Yamada，T.，Nanni，A. and Endo，K.：Punching Shear Resistance of Flat Slabs：Influence of Reinforcement Type and Ratio，ACI Structural Journal，No.4，pp.555～563，1992.

No.277～No.297：Hamada’s slabs ][50][55]濱田純夫，松尾榮治，藤岡靖. 基于實驗的RC沖切強度算定式的安全系數.土木學會論文集，2001.5，51（676）：51～63. Marzouk，H. and Hussein，A.：Experimental Investigation on the behavior of High-Strength Concrete Slabs，ACI Structural Journal，No.6，pp. 701～713，1991. 梅原秀哲，石神孝之.加厚RC橋面板的力學性能研究神，土木學會論文集，1992，89～98. 未弘保，石橋忠良，佐藤春雄，大庭光商. RC橋面板沖切強度的研究，混凝土工學年度講演會論文集，1989.149～152. 永井健，小玉克己，佐藤貢一.下側增厚加強RC橋面板的實驗研究，混凝土工學年度講演會論文集，1993.341～346.

No.298～No.331：Hamada’s slabs ][50][55]濱田純夫，松尾榮治，藤岡靖. 基于實驗的RC沖切強度算定式的安全系數.土木學會論文集，2001.5，51（676）：51～63. Kinnunen，S.and Nylander，H.：“Punching of Concrete Slabs Without Shear Reinforcement，”Transactions of Royal Institute of Technology，Stockholm，No.158，Mar.1960.

No.332～No.333：Ozawa’s slabs 小澤滿津雄，內田裕市，小柳洽.RC橋面板沖切強度破壞機理的基礎研究，混凝土工學年度講演會論文集，1999.565～570.

No.334，No.335：Higashiyama’s slabs img class="qqreader-footnote" src="images/note.png" alt="[58]東山浩士，松井繁之.基于移動輪荷載試驗橋軸方向RC橋面板疲勞耐久性的研究，土木學會論文集，1998.79～90. 東山浩士，松井繁之.偏心荷載作用下RC橋面板沖切強度，混凝土工學年度講演會論文集，2001.517～522." />

No.336，No.337：Takahashi’s slabs 高橋義裕，佐藤靖彥.利用碳素纖維補強RC橋面板沖切承載力的實驗研究，混凝土工學年度講演會論文集，2000.721～726.

No.338，No.339：Abe’s slabs 阿部忠，木田哲量，澤野利章，高崎英邦. 移動荷載對RC橋面板承載力的影響及其破壞機理，混凝土工學年度講演會論文集，2002.577～582.

No.340～No.343：Salim’s slabs Salim，W. and Sebastian，W.，M.：Punching Shear Failure in Reinforced Concrete Slabs with Compressive Membrane Action，ACI Structural Journal，Vol.100，No.4，pp.471～479，2003.

No.344～No.356：Aoki’s slabs Aoki，Y. and Seki，H.：Shearing Strength and Cracking in Two-Way Slabs Subjected to Concentrated Load，Cracking Deflection，and Ultimate load of Concrete Slab Systems，SP-30，E.G.Nawy，ed，American concrete Institute，Farmington Hills，pp.103～126，1971.

No.357～No.367：Holowka’s slabs Holowka，M.，Dorton，R.and Csagoly，p.：Punching Shear Strength of Restrained Circular Slabs，Ontario Ministry of Transportation and Communications，Toronto，1979.

No.368～No.379：Kuang’s slabs Kuang，J.，S. and Morley，C.，T.：A Plasticity Model for Punching Shear of Laterally Restrained Slabs with Compressive Membrane Action，International Journal of Mechanical Sciences，V.35，No.5，pp.371～385，1993.

No.380～No.395：Rankin’s slabs Rankin，G.，I.，B. and Long，A.，E.：Predicting the Enhanced Punching Strength of Interior Slab-Column Connections，Proceedings of the Institution of Civil Engineers，V.82，pp.1165～1186，1987.

No.396～No.415：Snowdon’s slabs Snowdon，L.，C.：Some Tests on the Strength in Punching Shear of Restrained Concrete Slabs，Building Research Station，Watford，1973.

No.416～No.423：Taylor’s slabs Taylor，R. and Hayes，B.：Some Tests on the Effect of Edge Restraint on Punching Shear in Reinforced Concrete Slabs，Magazine of Concrete Research，V.17，No.53，pp.183～186，Dec.1965.

No.424～No.427：Park’s slabs Hong-gun，P.，Kyung-soo，A.，Kyoung-kyu，C.，and Lan，C.：Lattice Shear Reinforcement for Slab-Column Connections，ACI Structural Journal，Vol.104，No.3，pp.294～303，2007.

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基于試驗數據庫下鋼筋混凝土橋梁板構件沖切強度破壞機理的研究

3.2 RC橋面板數據庫里的實驗數據