受扭构件承载力计算

StrengthofReinforcedConcreteMembersinTorsion第5章受扭构件承载力计算5.1概述平衡扭转在超静定结构，扭矩是由相邻构件的变形受到约束而产生的，其值需结合变形协调条件才能求得，扭矩大小与受扭构件的抗扭刚度有关，称为约束扭转。《规范》建议的受扭构件承载力公式是针对平衡扭转的情况，而约束扭转经调整近似按此计算。对于约束扭转，由于受扭构件在受力过程中的非线性性能，尤其是混凝土的开裂和钢筋的屈服，主梁抗扭刚度明显降低，主梁对次梁转角的约束作用减小，相应主梁扭矩减小，需要考虑内力重分布进行扭矩计算。约束扭矩的大小与构件受力阶段的刚度比有关，不是一个定值。《规范》建议的受扭构件承载力公式是针对平衡扭转的情况，而约束扭转经调整近似按此计算。5.2矩形截面构件开裂扭矩一、矩形截面开裂扭矩裂缝出现前，钢筋混凝土纯扭构件的受力与弹性扭转理论基本吻合。由于开裂前受扭钢筋的应力很低，可忽略钢筋的影响。最大剪应力tmax发生在截面长边中点。◆由材料力学知，构件侧面的主拉应力stp和主压应力scp相等。◆主拉应力和主压应力迹线沿构件表面成螺旋型。◆当主拉应力达到混凝土抗拉强度时，在构件中某个薄弱部位形成裂缝，裂缝沿主压应力迹线迅速延伸。◆对于素混凝土构件，开裂会迅速导致构件破坏，破坏面呈一空间扭曲曲面。按弹性理论，当主拉应力stc=tmax=ft时按塑性理论，对理想弹塑性材料，截面上某一点达到强度时并不立即破坏，而是保持极限应力继续变形，扭矩仍可继续增加，直到截面上各点应力均达到极限强度，才达到极限承载力。截面上的剪应力分布如图所示分为四个区，取极限剪应力为ft，分别计算各区合力及其对截面形心的力偶之和，可求得塑性总极限扭矩为，◆

混凝土材料为弹塑性材料。◆达到开裂极限状态时开裂扭矩介于Tcr,e和Tcr,p之间。◆引入修正降低系数考虑应力非完全塑性分布的影响。◆根据实验结果，修正系数在0.87~0.97之间，《规范》为偏于安全起见，取0.7。开裂扭矩的计算公式为截面受扭塑性抵抗矩二、带翼缘截面的受扭塑性抵抗矩有效翼缘宽度应满足：bf'≤b+6hf'

bf≤b+6hf，且hw/b≤6。三、箱形截截面◆封闭的箱形形截面，其其抵抗扭矩矩的作用与与同样尺寸寸的实心截截面基本相相同。◆实际工程中中，当截面面尺寸较大大时，往往往采用箱形形截面，以以减轻结构构自重，如如桥梁中常常采用的箱箱形截面梁梁。◆为避免壁壁厚过薄薄对受力力产生不不利影响响，规定定壁厚tw≥bh/7，且hw/tw≤6一、开裂裂后的受受力性能能■由前述主主拉应力力方向可可见，受受扭构件件最有效效的配筋筋应形式式是沿主主拉应力力迹线成成螺旋形形布置。。■但螺旋形形配筋施施工复杂杂，且不不能适应应变号扭扭矩的作作用。■实际受扭扭构件的的配筋是是采用箍筋与抗扭纵筋筋形成的空空间配筋筋方式。5.3纯扭构件件的承载载力计算算■开裂前，T-θ关系基本本呈直线线关系。。■开裂后，，由于部部分混凝凝土退出出受拉工工作，构构件的抗抗扭刚度度明显降降低，T-θ关系曲线线上出现现一不大大的水平平段。■对配筋适适量的构构件，开裂后受扭钢筋筋将承担扭扭矩产生生的拉应应力，荷荷载可以以继续增增大，T-θ关系沿斜斜线上升升，裂缝缝不断向向构件内内部和沿沿主压应应力迹线线发展延延伸，在在构件表表面裂缝呈螺旋状状。■当接近极限扭扭矩时，在构构件长边上有有一条裂缝发发展成为临界裂缝，并向短边延延伸，与这条空间裂裂缝相交的箍箍筋和纵筋达达到屈服，T-q关系曲线趋于于水平。■最后在另一个个长边上的混混凝土受压破破坏，达到极极限扭矩。二、破坏特征征按照配筋率的的不同，受扭扭构件的破坏坏形态也可分分为适筋破坏、少筋破坏和超筋破坏。◆对于箍筋和纵筋配置都合适的的情况，与临界（斜））裂缝相交的的钢筋都能先先达到屈服，，然后混凝土压压坏，与受弯弯适筋梁的破破坏类似，具具有一定的延延性。破坏时的极限限扭矩与配筋筋量有关。◆当配筋数量过过少时，配筋筋不足以承担担混凝土开裂裂后释放的拉拉应力，一旦旦开裂，将导导致扭转角迅迅速增大，与受弯少筋梁梁类似，呈受拉脆性性破坏特征，，受扭承载力取取决于混凝土土的抗拉强度度。◆当箍筋和纵筋配置都过大时时，则会在钢钢筋屈服前混混凝土就压坏坏，为受压脆脆性破坏。受受扭构件的这这种超筋破坏坏称为完全超筋，受扭承载力取取决于混凝土土的抗压强度度。◆由于受扭钢筋筋由箍筋和受受扭纵筋两部部分钢筋组成成，当两者配配筋量相差过过大时，会出出现一个未达达到屈服、另另一个达到屈屈服的部分超筋破坏坏情况。三、配筋强度度比z受扭性能及及其极限承承载力与配筋量、配配筋强度比比z有关。Astl:对称布置的的全部纵筋筋截面面积积；Ast1:箍筋的单肢肢截面面积积；ucor:截面核心部部分的周长长，ucor=2(bcor+hcor),bcor,hcor分别为从箍箍筋内表面面计算的截截面核心的的短边及长长边尺寸。。试验表明，，当0.5≤z≤2.0范围时，受受扭破坏时时纵筋和箍箍筋基本上上都能达到到屈服强度度。《规范》建议取0.6≤z≤1.7，当z＞1.7时，取z=1.7设计中通常常取z=1.~1.2。四、极限扭扭矩分析——变角空间桁桁架模型对比试验表表明，在其其他参数均均相同的情情况下，钢钢筋混凝土土实心截面面与空心截截面构件的的极限受扭扭承载力基基本相同。。开裂后的箱形截面受扭构件，，其受力可可比拟成空间间桁架：纵筋为受受拉弦杆，，箍筋为受受拉腹杆，，斜裂缝间间的混凝土土为斜压腹腹杆。《规范》矩形受扭承载力力计算公式公式的适用范围围（1）为避免配筋过过多产生超筋脆脆性破坏为了保证构件受受扭破坏时有一一定的延性，设设计中应避免少少筋破坏和超筋筋破坏。（2）为防止少筋脆脆性破坏（3）当扭矩小于开开裂扭矩时，即即按上面最小配筋筋率、箍筋最大大间距和箍筋最最小直径的构造造要求配置受扭扭钢筋。《规范》T形截面受扭承载载力计算公式，，采用按各矩形形截面的受扭截截面塑性抵抗矩矩的比例来分配配截面总扭矩的的方法确定各矩矩形截面所承受受的扭矩。《规范》箱形截面受扭承承载力计算公式式与按挖去部分分核心混凝土的的箱形截面基本本相同，但考虑虑了实际壁厚小小于实心截面等等效壁厚的情况况。αh:箱形截面壁厚影响系数，当大于1时取1。◆受扭构件的箍筋筋在整个长度上上均受拉力，因因此箍筋应做成成封闭型，且应沿截面周周边布置；当采采用复合箍筋时时，位于截面内内部的箍筋不应应计入；受扭所所需的箍筋末端端应弯折135°，弯折后的直线线长度不应小于于10倍箍筋直径。箍筋间距应满足受剪最大大箍筋间距要求求，且不大于截截面短边尺寸。。◆受扭纵筋应沿截截面周边均匀布布置，在截面四角必必须布置受扭纵纵筋，纵筋间距距不大于200mm和梁截面短边尺尺寸。◆受扭纵筋的搭接接和锚固均应按按受拉钢筋的构构造要求处理。。5.4弯剪扭扭构件件的承承载力力计算算一、破破坏形形式TVTM扭矩使纵筋筋产生生拉应应力，，与受受弯时时钢筋筋拉应应力叠叠加，，使钢钢筋拉拉应力力增大大，从而会会使受受弯承承载力力降低低。扭矩和和剪力力产生生的剪剪应力力总会会在构构件的的一个个侧面面上叠叠加，，故承载力力总是是小于于剪力力和扭扭矩单单独作作用的的承载载力。弯剪扭扭构件件的破破坏形形态与与三个个外力力之间间的比比例关关系和和配筋筋情况况有关关，主主要有有三种破破坏形形式：弯型破破坏：当弯矩矩较大大，扭扭矩和和剪力力均较较小时时，弯矩矩起主主导作作用。。裂缝首首先在在弯曲曲受拉拉底面面出现现，然然后发发展到到两个个侧面面。底部纵纵筋同同时受受弯矩和扭矩产生拉拉应力力的叠叠加，，如底底部纵纵筋不不是很很多时时，则则破坏始始于底底部纵纵筋屈屈服，承载载力受受底部部纵筋筋控制制。受弯承承载力力因扭扭矩的的存在在而降降低。扭型破破坏：当扭矩矩较大大,弯矩和和剪力力较小小,且顶部纵筋小于底底部纵筋时发生。。扭矩引起顶部纵筋筋的拉应力很大，，而弯矩引起的压压应力很小，所以以导致顶部纵筋拉拉应力大于底部纵纵筋，构件破坏是由于顶部纵纵筋先达到屈服，然后底部混凝土土压碎，承载力由由顶部纵筋拉应力力所控制。由于弯矩对顶部产产生压应力，抵消消了一部分扭矩产产生的拉应力，因因此弯矩对受扭承载力力有一定的提高。但对于顶部和底部部纵筋对称布置情情况，总是底部纵纵筋先达到屈服，，将不可能出现扭扭型破坏。剪扭型破坏：当弯矩较小，对构件的承载力力不起控制作用，，构件主要在扭矩矩和剪力共同作用用下产生剪扭型或或扭剪型的受剪破破坏。裂缝从一个长边（（剪力方向一致的的一侧）中点开始始出现，并向顶面面和底面延伸，最最后在另一侧长边边混凝土压碎而达达到破坏。如配筋筋合适，破坏时与与斜裂缝相交的纵纵筋和箍筋达到屈屈服。当扭矩较大时，以以受扭破坏为主；；当剪力较大时，以以受剪破坏为主。。扭矩和剪力产生的的剪应力总会在构构件的一个侧面上上叠加，因此承载力总是小于剪剪力和扭矩单独作作用的承载力。二、《规范》弯剪扭构件的配筋筋计算由于在弯矩、剪力和扭矩的共同作用下，各各项承载力是相互互关联的，其相互互影响十分复杂。。具体方法如下：1、受弯纵筋计算受弯纵筋As和A's按弯矩设计值M由正截面受弯承载载力计算确定。2、剪扭配筋计算对于剪扭共同作用用，《规范》采用混凝土部分承载力相关，箍筋部分承载力叠加的方法。对于矩形截面一般般剪扭构件，称为剪扭构件混凝凝土强度降低系数数，小于0.5时取0.5；大于1时取1。对于集中荷载作用用下的剪扭构件为避免配筋过多产产生超筋破坏，剪扭构件的截面面应满足，当满足以下条件时时，可不进行受剪扭承承载力计算，仅按按最小配筋率和构构造要求确定配筋筋。1、当剪力V≤0.35ftbh0或V≤ftbh0时，令V=0，仅按受弯构件的正截面受弯承载力和纯扭构件的受扭承载力分别进行计算；2、当扭矩T≤0.175ftWt时，令T=0，仅按