第八章-鋼筋混凝土受扭構(gòu)件承載力-受扭構(gòu)件

混凝土結(jié)構(gòu)

ConcreteStructure第八章

鋼筋混凝土受扭構(gòu)件承載力計(jì)算TorsionMembers第八章受扭構(gòu)件的扭曲截面承載力

§8.1

概述

§8.2

純扭構(gòu)件的試驗(yàn)研究

§8.3

矩形截面純扭構(gòu)件的扭曲承載力計(jì)算基本要求重點(diǎn)、難點(diǎn)試驗(yàn)研究：受力全過程及破壞特征。

矩形截面純扭構(gòu)件的承載力計(jì)算及其適用條件；剪扭共同作用下的構(gòu)件承載力計(jì)算；彎扭共同作用下的構(gòu)件承載力計(jì)算。

矩形截面純扭及復(fù)合受扭承載力計(jì)算圖8-1平衡扭轉(zhuǎn)與協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)圖例(a)(b)(c)(d)He0MT=He0H邊框架主梁次梁§8.1概述扭轉(zhuǎn)的類型平衡扭轉(zhuǎn)：雨蓬梁，吊車梁協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)：平面折梁，邊框架主梁第八章受扭構(gòu)件◆

構(gòu)件中的扭矩可以直接由荷載靜力平衡求出◆受扭構(gòu)件必須提供足夠的抗扭承載力，否則不能與作用扭矩相平衡而引起破壞。平衡扭轉(zhuǎn)EquilibriumTorsion在超靜定結(jié)構(gòu)，扭矩是由相鄰構(gòu)件的變形受到約束而產(chǎn)生的，扭矩大小與受扭夠的抗扭剛度有關(guān)，稱為協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)CompatibilityTorsion。對(duì)于協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)，由于受扭構(gòu)件在受力過程中的非線性性質(zhì)，扭矩大小與構(gòu)件受力階段的剛度比有關(guān)，不是定值，需要考慮內(nèi)力重分布進(jìn)行扭矩計(jì)算。協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)EquilibriumTorsion平衡扭轉(zhuǎn)的扭矩不隨構(gòu)件的剛度變化而變化，而協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)的扭矩與剛度變化相關(guān)。實(shí)際構(gòu)件受扭的情況：純扭、剪扭、彎扭、彎剪扭–––梁地震荷載作用下的角柱承受扭矩–––柱兩類扭轉(zhuǎn)的差別：純扭構(gòu)件的試驗(yàn)研究§8.2裂縫出現(xiàn)前，鋼筋混凝土純扭構(gòu)件的受力性能，符合圣維南彈性扭轉(zhuǎn)理論。圖8-2所示為理論計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線的對(duì)比關(guān)系。扭矩T(kN?m)Tcr扭轉(zhuǎn)角φ（deg/m）圖8-2開裂前性能8.2.1

裂縫出現(xiàn)前的性能8.2.2裂縫出現(xiàn)后的性能

裂縫出現(xiàn)后，構(gòu)件截面的扭轉(zhuǎn)剛度降低，受扭鋼筋用量越少，構(gòu)件截面的扭轉(zhuǎn)剛度降低越多。圖8-5純扭構(gòu)件開裂后性能箍筋拉應(yīng)變扭矩T(kN?m)TuTcr扭轉(zhuǎn)角φ（deg/m）

受扭鋼筋的存在使開裂扭距較素混凝土構(gòu)件約高10%-30%破壞裂縫圖8-4純扭構(gòu)件的破壞展開圖■對(duì)配筋適量的構(gòu)件，初始裂縫發(fā)生在剪應(yīng)力最大處，之后裂縫不斷向構(gòu)件內(nèi)部和沿主壓應(yīng)力跡線發(fā)展延伸，在構(gòu)件表面裂縫呈螺旋狀?！霎?dāng)接近極限扭矩時(shí)，在構(gòu)件長(zhǎng)邊上有一條裂縫發(fā)展成為臨界裂縫，并向短邊延伸，與這條空間裂縫相交的箍筋和縱筋達(dá)到屈服。最后在另一個(gè)長(zhǎng)邊上的混凝土受壓破壞，達(dá)到極限扭矩按照配筋率的不同，受扭構(gòu)件的破壞形態(tài)也可分為適筋破壞、少筋破壞和超筋破壞?！魧?duì)于箍筋和縱筋配置都合適的情況，與臨界（斜）裂縫相交的鋼筋都能先達(dá)到屈服，然后混凝土壓壞，與受彎適筋梁的破壞類似，具有一定的延性。破壞時(shí)的極限扭矩與配筋量有關(guān)?！舢?dāng)配筋數(shù)量過少時(shí)，配筋不足以承擔(dān)混凝土開裂后釋放的拉應(yīng)力，一旦開裂，將導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)角迅速增大，與受彎少筋梁類似，呈受拉脆性破壞特征，受扭承載力取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度?！舢?dāng)箍筋和縱筋配置都過大時(shí)，則會(huì)在鋼筋屈服前混凝土就壓壞，為受壓脆性破壞。受扭構(gòu)件的這種超筋破壞稱為完全超筋，受扭承載力取決于混凝土的抗壓強(qiáng)度。◆

由于受扭鋼筋由箍筋和受扭縱筋兩部分鋼筋組成，當(dāng)兩者配筋量相差過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)未達(dá)到屈服、另一個(gè)達(dá)到屈服的部分超筋破壞情況。破壞特征8.3.1素混凝土純扭構(gòu)件的受力性能試驗(yàn)表明：當(dāng)

tp>ft長(zhǎng)邊中點(diǎn)先裂，然后延伸至上、下短邊，形成三面受拉，一面受壓的空間扭曲面、脆性破壞。圖8-6矩形截面受扭構(gòu)件T

tp矩形截面純扭構(gòu)件承載力計(jì)算§8.3第八章受扭構(gòu)件彈性分析：認(rèn)為材料塑性充分發(fā)展，全截面從表面至中心達(dá)到

max所計(jì)算的扭矩抗力?！?－2若砼為彈性材料，當(dāng)最大扭剪應(yīng)力或最大主拉應(yīng)力達(dá)到砼抗拉強(qiáng)度ft時(shí)，構(gòu)件開裂，開裂扭矩：…8－1

塑性分析

素梁開裂扭矩計(jì)算公式：Tcr=0.7ftWt…8－3…8－4對(duì)于矩形截面：◆混凝土材料既非完全彈性，也不是理想彈塑性，而是介于兩者之間的彈塑性材料，◆

達(dá)到開裂極限狀態(tài)時(shí)截面的應(yīng)力分布介于彈性和理想彈塑性之間，因此開裂扭矩也是介于Tcr,e和Tcr,p之間?！?/p>

為簡(jiǎn)便實(shí)用，可按塑性應(yīng)力分布計(jì)算，并引入修正降低系數(shù)以考慮應(yīng)力非完全塑性分布的影響?！?/p>

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，修正系數(shù)在0.87~0.97之間，《規(guī)范》為偏于安全起見，取0.7。于是，開裂扭矩的計(jì)算公式為，箱形截面◆封閉的箱形截面，其抵抗扭矩的作用與同樣尺寸的實(shí)心截面基本相同?！魧?shí)際工程中，當(dāng)截面尺寸較大時(shí)，往往采用箱形截面，以減輕結(jié)構(gòu)自重，如橋梁中常采用的箱形截面梁。◆為避免壁厚過薄對(duì)受力產(chǎn)生不利影響，規(guī)定壁厚tw≥bh/7，且hw/tw≤6帶翼緣截面帶翼緣截面有效翼緣寬度應(yīng)滿足bf'≤b+6hf'

及bf≤b+6hf的條件，且hw/b≤6。8.3.2鋼筋混凝土純扭構(gòu)件的受力性能1.受扭鋼筋的配筋形式最理想的配筋方式是在靠近表面處設(shè)置呈45°走向的螺旋形鋼筋，因此，分解為豎向(箍筋)和水平(縱筋)組成抗扭骨架。圖8-6抗扭骨架受扭

要配抗扭鋼筋開裂形成大約45°方向的螺旋式裂縫選用變角度空間桁架模型施工不便反向扭矩失效但第八章受扭構(gòu)件圖8-8變角度空間桁架模型變角空間桁架模型理論的基本假定：（1）混凝土只承受壓力，具有螺旋形裂縫的混凝土外殼組成桁架的斜壓桿，其傾角為a；（2）縱筋和箍筋只承受拉力，分別為桁架的弦桿和腹桿；（3）忽略核心混凝土的受扭作用及鋼筋的銷栓作用。2.抗扭鋼筋配筋率對(duì)受扭構(gòu)件受力性能的影響–––適筋構(gòu)件–––部分超筋構(gòu)件

當(dāng)箍筋或縱筋數(shù)量過多時(shí)，開裂抗扭鋼筋受力T

鋼筋部分屈服形成空間扭曲破壞面

當(dāng)縱筋和箍筋的配置適當(dāng)，開裂抗扭鋼筋受力

T

鋼筋屈服形成空間扭曲破壞面

T

破壞特征與縱筋和箍筋的數(shù)量有關(guān)開裂表面形成螺旋裂縫抗扭鋼筋受力當(dāng)縱筋和箍筋或其中之一過少時(shí)

當(dāng)縱筋和箍筋都配置過多，開裂抗扭鋼筋受力T

鋼筋在砼壓碎時(shí)未屈服–––少筋構(gòu)件–––超筋構(gòu)件

從以上分析，要破壞有征兆，且承載力高，材料充分利用、只能采用前兩種，應(yīng)采取措施避免后兩種。同時(shí)要材料充分發(fā)揮作用，抗扭縱筋和箍筋應(yīng)合理搭配。3.

–––縱向鋼筋和箍筋的配筋強(qiáng)度比值實(shí)驗(yàn)表明：兩種鋼筋要有效發(fā)揮抗扭作用，應(yīng)控制兩者的用量比?！?－18

＞1.7時(shí)，取

=1.7

當(dāng)

=1.2，縱筋和箍筋的用量比最佳當(dāng)0.5

2.0一般兩者可以發(fā)揮作用實(shí)驗(yàn)表明：

––受扭構(gòu)件縱筋與箍筋的配筋強(qiáng)度比8.3.3《規(guī)范》規(guī)定的配筋計(jì)算方法在彎矩、剪力和扭矩共同作用下，對(duì)hw/b≤6的矩形，hw/tw≥6的箱形截面和T形、I形截面（見圖8-8）的受扭構(gòu)件扭曲截面承載力采用不同的計(jì)算方法：圖8-9受扭構(gòu)件截面公式的適用條件：避免少筋避免完全超筋1.hw/b≤6的矩形截面…8－23圖8-10比較計(jì)算公式與實(shí)驗(yàn)值2.hw/b≤6的箱形截面…8－26

箱形截面受扭塑性抵抗扭為：

值應(yīng)符合0.6

1.7的要求，當(dāng)

＞1.7時(shí)，取

=1.7。

…8－83.對(duì)于T形、I形截面圖8-10T形、I形截面的矩形劃分方法將截面分成幾個(gè)矩形截面進(jìn)行配