拉压杆理论在混凝土结构中的应用

摘 要：在分析拉压杆模型的基础上，简单介绍国外对于拉压杆模型的研究和拉压杆的设计思路，并提出了一些拉压杆模型的应用的注意事项。本文主要以拉压杆模型在牛腿中的设计对其在混凝土结构中应用加以阐述。

关键词：拉压杆理论 混凝土结构 力学分析

1.引言

拉压杆模型是混凝土构件设计的常用简化模型，我国对于钢筋混凝土结构构件，规范一般采用极限状态設计法，确定荷载对于控制截面产生的内力，然后根据经验公式进行截面配筋设计。截面内力法适用于结构构件应变连续规则，即符合贝努利假定（国际上称之为B区）是适用的。但对于不规则的区域，如厂房的牛腿（国际上称之为D区）并不符合材料力学的结构平截面假定，所以以材料力学计算为主的配筋计算便显得无从下手，现行我国规范多使用增加配筋的方式来保证结构的安全性，但这种方法不仅在材料上会造成浪费，而且安全性上并不一定会十分牢靠，而国外在上世纪80年代，国外学者就这一问题已经展开研究，如今已取得不少成果，拉压杆模型法就是其中较为成熟的方法之一，现今已经成为结构设计的原则与具体步骤。

2.拉-压杆模型的建立机制

拉压杆模型是对由桁架模型演化而来，其原理实际上是通过内部的力流来表示构件的传力机理。总所周知，混凝土是一种抗压强度高而抗拉强度低的结构材料。混凝土承重时，其破坏形式大多为受拉区开裂，因为为了弥补其抗拉强度的不足，多采用入一种抗拉强度较高的材料增加其抗拉强度，如钢筋，钢纤维，玻璃纤维等，钢筋作为拉杆承受传来的拉力，将各杆件相连形成满足静力平衡的力学模型。这就将其等效成为混凝土压杆和钢筋拉杆等效成为一个桁架来承受荷载。拉压杆模型的作为一种混凝土结构的设计方法，在对结构干扰区做受力分析和配筋设计时，相对我国的经验公式更能真实的反映结构内部的应力变化情况，力学意义明确，并满足静力平衡条件，结构屈服条件还可以对钢筋混凝土构件的塑性变形进行限制。本文以牛腿柱为例，简述拉压杆模型的设计步骤。

3.牛腿的设计步骤

1）先将各力的设计值求出2）加载处承压板尺寸验算（应满足 ，公式中依次为竖向荷载设计值， ，混凝土抗压强度和承压板面积）3）建立拉-压杆模型，进行内力估算和尺寸估算4）拉杆设计，计算出拉杆所需的钢筋面积。5）节点去设计和锚固验算。6）计算压杆宽度，验算是否能满足间距要求。7）裂缝控制要求控制最小配筋，对于斜压杆需满足 ，且同时满足规范中闭合箍筋在拉杆附近处2/3有效高度内均匀布置。

4.拉-压杆理论应用的注意点

1）混凝土压杆的轴向抗压强度，现在还没有一个准确的定义。国外有学者根据实验建议应力限制按计算。2）混凝土压杆的倾角的确定，最初采用的45°倾斜角压杆的简单拉压杆模型的结构相对保守，实际工程中的倾角一般小于45°。3）结点区域的设计，因为拉压杆模型是静定结构，结点是压杆与拉杆的连接部位，其与混凝土压杆的强度、锚固于该节点区域的钢筋拉杆之间有着密切的联系，一者的改变会影响其他两者，最终需使得三者均满足设计要求。

5.结语

拉压杆模型是满足塑性下限定理，它可以表示混凝土内部真实可靠的传力机制，并且还能满足混凝土塑性变形能力的限制，它可以帮助我们认识到结构的受力机制，决定构件大小、位置、分布和锚固等问题。拉压杆模型作为一种静定结构的模型，需注意压杆强度，节点区域的拉杆强度和锚固强度有着密切联系，需要做到内部抗力和外部作用的平衡，则该体系就可以保证结构设计的合理和安全。但由于在一些方面还缺乏系统的研究，在拉压杆理论的运用过程中还存在一些争议，国外学者也持有不同的意见，这使得拉压杆理论的应用还需要有漫长的路要走。

参考文献：

[1] 箱梁竖向预应力孔道对腹板主拉应力的影响分析[J]. 尹旭文，钟新谷. 湘潭师范学院学报（自然科学版）. 2006（04）

[2] 袁佳. 基于拉压杆理论的混凝土构件设计方法研究[D].东北林业大学，2013.

[3] 张文学. 预应力混凝土连续箱梁局部应力分析及拉—压杆设计[D].同济大学，2007.

[4] 李树山，高丹盈，解伟.钢筋混凝土牛腿结构拉压杆模型及配筋设计[J].土木建筑与环境工程，2013，

35（S1）：36-39+61.

[5] 晋敏.拉压杆理论在钢筋混凝土结构设计中的应用[J].公路，2013（04）：22-25.

[6] 刘华新，邢颖，刘舰，魏巍.拉—压杆模型法在牛腿配筋设计中的应用[J].辽宁工学院学报，2005（01）：37-39.

[7] 方从启，刘朝山.混凝土结构设计的拉-压杆模型方法——Ⅰ：模型建立[J].混凝土，2009（09）：5-9+13.

作者简介：赵章瑜（1997年8月29日—），男，汉族，籍贯：河南三门峡，本科，研究方向：拉压杆理论在混凝土结构中的应用。