(完整)薄膜效应 .pdfVIP

(完整)薄膜效应--第1页

1.1课题研究的目的和意义

钢筋混凝土板在土木工程中应用广泛。长期以来，各国学者在钢筋混凝土板的极限分析方面

进行系统而广泛的研究，发展了不同的实用分析方法。其中“薄膜效应”是钢筋混凝土板极

限分析的重要课题。已有的试验结果表明，在支承边界受到水平约束条件下，钢筋混凝土板

的极限承载力明显高于未受水平约束板的极限承载力，这种现象称为“薄膜效应”。对常用

配筋率的钢筋混凝土板按纯弯理论计算时，截面的中性轴位置在临近破坏时非常接近于板的

表面，板的中平面位于受拉区，当板的周边受到水平约束时，这种中平面的变形与板的边界

条件显然是不协调的。也就是说，中性轴只有移向截面高度的中央才能使板中平面与边界条

件变形协调，这样就需要有较大的薄膜压力方能达到这种状态，而这种薄膜压力将由支座来

提供。此时板破坏时混凝土压区高度较之纯弯时为大，从而显著地提高钢筋混凝土板的承载

能力。

本世纪初期，德国学者C.Bach和O.Graf在钢筋混凝土板的试验中就发现了薄膜效应的现

象。随后，1955年A.J.Ockleston发表了南非一栋三层钢筋混凝土原型结构的破坏性试验

结果，指出由于“薄膜效应”的存在，实测破坏荷载比按塑性铰线理论求得的值高3-4倍。

此后，各国学者对薄膜效应从试验和理论上都进行了深入的研究。对具有侧向约束边界、均

匀受荷的钢筋混凝土板单块板格进行了试验，研究结果表明，具有侧向约束边界的单块板格

的极限荷载明显高于Johansen屈服理论求得的极限荷载。但理论上精确的计算荷载－挠度

关系全过程曲线是极其复杂的，在分析中必须考虑混凝土裂缝、钢筋的流动与强化、复杂应

力状态下的混凝土本构关系、钢筋与混凝土之间的粘结滑移以及几何形状的改变等各种复杂

因素，因而，至今尚未获得完全满意的解决方法。

前苏联学者试图在结构分析中能考虑这种薄膜效应，对当时正在编制修订的钢筋混凝土结构

设计规范拟采用破损荷载方法作了全面论证，提出在钢筋混凝土双向板设计应容许考虑薄膜

压力效应的影响。并以经验的方式、简单地将多跨双向板楼盖中的中间各跨板内所需钢筋建

议减少20%。1950年苏联颁布了考虑塑性变形的钢筋混凝土板和次梁计算规程。在该规程

中，除考虑塑性内力重分布进行钢筋混凝土板和次梁的设计外，还在多跨连续双向板的设计

中，容许考虑薄膜压力的有利影响，可减少板中钢筋用量10~20%。

我国在工程设计中，对于周边与梁整体连接的板，可将板的弯矩设计值适当减少，单向板中

间跨的跨中弯矩及支座弯矩可以各减少20%，以考虑板跨内的拱作用，即所谓的薄膜效应。

由于弹性变形对固结板承载能力有显著的影响，刚塑性理论实际上难以应用，据此求得的考

虑薄膜效应的结果并不十分可靠。但试验结果已表明水平受约束板具有较大的强度储备。因

此，如何利用该强度储备建立可靠的、考虑边界水平约束作用的实用设计方法，仍是在板的

研究中需要解决的课题。

随着有限元数值方法和计算机应用技术的进步，使得可以对钢筋混凝土结构作比较精确的弹

塑性分析，钢筋混凝土有限元分析方法能够给出结构内力和变形发展的全过程；能够描述裂

缝的形成和扩展，以及结构的破坏过程；能够对结构的极限承载能力和可靠度作出评估。本

文采用有限元软件ANSYS进行实体建模来模拟钢筋混凝土板，同时考虑混凝土等级、配

筋率、高跨比、长宽比对薄膜效应的影响，并描绘出其变化趋势，从而给出在考虑薄膜效应

情况下的极限承载力计算公式，给工程设计作参考。

1.2国内外研究现状

1.2.1钢筋混凝土板薄膜效应的研究状况

二战后板的试验研究发现钢筋混凝土板的实际承载力高出塑性铰线理论求得的值。这引起了

学者们的注意，深入的研究就发现了薄膜效应现象。随后国外的学者做了许多足尺试验来研

究薄膜作用力。奥克列斯顿和列