受扭構(gòu)件扭曲截面承載力.ppt

1、第八章 受扭構(gòu)件 截面承載力計算,8.1 概述,扭轉(zhuǎn)也是一種基本構(gòu)件,兩類扭轉(zhuǎn)問題 平衡扭轉(zhuǎn)-扭矩計算是靜定問題 協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)-扭矩計算是超靜定問題,協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn),超靜定結(jié)構(gòu)中，扭矩是由相鄰構(gòu)件的變形受到約束而產(chǎn)生的，扭矩大小與受扭構(gòu)件的抗扭剛度有關(guān)。 對于約束扭轉(zhuǎn)，由于受扭構(gòu)件在受力過程中的非線形性質(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)力重分布進行扭矩計算,8.2 純扭構(gòu)件的試驗研究 8.2.1 裂縫出現(xiàn)前的性能 裂縫出現(xiàn)前， 純扭構(gòu)件的受力與彈性扭轉(zhuǎn)理論基本吻合。 開裂前受扭鋼筋的應(yīng)力很低，可忽略鋼筋的影響。 矩形截面受扭構(gòu)件在扭矩T作用下截面剪應(yīng)力分布。 最大剪應(yīng)力 發(fā)生在

2、截面長邊中點,由材料力學(xué)知，構(gòu)件側(cè)面的主拉應(yīng)力tp和主壓應(yīng)力cp相等。 主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力跡線沿構(gòu)件表面成螺旋型。 當(dāng)主拉應(yīng)力達到ft時，在構(gòu)件中某個薄弱部位形成裂縫，裂縫沿著壓應(yīng)力跡線迅速延伸。 對于素混凝土構(gòu)件，開裂會迅速導(dǎo)致構(gòu)件破壞，破壞面呈一空間扭曲曲面,8.2.2 裂縫出現(xiàn)后的性能,由前述主拉應(yīng)力方向可見,受扭構(gòu)件最有效的配筋形式是沿主拉應(yīng)力跡線成螺旋型布置。 但螺旋形配筋施工復(fù)雜，且不能適應(yīng)變號扭矩的作用。 實際受扭構(gòu)件的配筋是采用封閉箍筋與抗扭縱筋形成的空間配筋形式,開裂前，T-關(guān)系基本呈直線關(guān)系。 開裂后，由于部分混凝土退出受拉工作，構(gòu)件的抗扭剛度明顯降低，T-關(guān)系曲線出現(xiàn)一不

3、大的水平段。 對配筋適量的構(gòu)件，開裂后受扭鋼筋將承擔(dān)扭矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力，荷載可以繼續(xù)增大，T-關(guān)系沿斜線上升，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,當(dāng)接近極限扭矩時，在構(gòu)件長邊上有一條裂縫發(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到屈服，T-關(guān)系曲線趨于水平。 最后在另一個長邊上的混凝土受壓破壞，達到極限扭矩,一、試驗結(jié)果,二、破壞特征 按照配筋率的不同，受扭構(gòu)件的破壞形態(tài)可分為適筋破壞，少筋破壞和部分超筋破壞、超筋破壞。 對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到屈服，然后,混凝土壓壞，與受彎適筋梁的破壞類似，具有一

4、定的延性。破壞時的極限扭矩與配筋率有關(guān)。 當(dāng)配筋數(shù)量過少時，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度。 當(dāng)箍筋和縱筋配置都過大時，則會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，會出現(xiàn)一個未達到屈服、另一個達到屈服的部分超筋破壞情況,配筋強度比 由于受扭鋼筋由封閉箍筋和受扭縱筋兩種鋼筋組成，受扭性能和極限承載力不僅與配筋量有關(guān)，還與縱筋和箍筋的配筋強度比有關(guān)

5、,矩形截面開裂扭矩按彈性理論，當(dāng)主拉 應(yīng)力 時,按塑性理論，對理想彈塑性材料，截面上某一點達到強度時并不立即破壞而是保持極限應(yīng)力繼續(xù)變形，扭矩仍可增加，直到截面上各點應(yīng)力均達到極限強度，才達到極限承載力,8.3 純扭構(gòu)件的扭曲截面承載力 8.3.1 開裂扭矩的計算,此時截面上的剪應(yīng)力分布為四個區(qū)。 取極限剪應(yīng)力為ft，分別計算各區(qū)的合力及其對截面形心的力矩之和，求得塑性極限扭矩,若混凝土為彈性材料，則當(dāng)最大扭剪應(yīng)力或最大主拉應(yīng)力達到混凝土抗拉強度ft時構(gòu)件開裂，此時開裂扭矩為,實際上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。 達到開裂極限狀態(tài)時截面的應(yīng)力分布介于彈

6、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。 Tcr ,根據(jù)實驗結(jié)構(gòu)，修正系數(shù)在0.870.97之間 規(guī)范為偏于安全取0.7 Wt稱為受扭構(gòu)件的截面受扭塑性抵抗矩,8.3.2 扭曲截面受扭承載力的計算 變角度空間桁架模型理論 試驗分析和理論研究表明，在裂縫充分發(fā)展且鋼筋應(yīng)力接近屈服強度時，截面核心混凝土退出工作，從而實心截面的鋼筋混凝土受扭構(gòu)件可以假想為一箱形截面構(gòu)件。 模型假定： 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 ； 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,由推導(dǎo)得出適

7、筋受扭構(gòu)件扭曲截面受扭承載力計算公式,式中 為受扭構(gòu)件縱筋與箍筋的配筋強度比,4）純扭構(gòu)件抗扭承載力計算,1）矩形截面 根據(jù)變角度空間模型或扭曲破壞面極限平衡理論，矩形截面純扭構(gòu)件抗扭承載力計算公式如下,式中 fyv抗扭箍筋抗拉強度設(shè)計值； Ast1抗扭箍筋的單肢截面面積， s 抗扭箍筋的間距； Acor截面核芯部分面積，即由箍筋內(nèi)表面所圍成的截面面積,bcor， hcor分別為核芯部分短邊及長邊尺寸； 縱向鋼筋與箍筋的配筋強度之比,2）帶翼緣截面（T形或工字形截面,對于T形或工字形截面構(gòu)件，規(guī)范將其劃分為若干個矩形截面，然后按矩形截面分別進行配筋計算。矩形截面劃分的原則是首先保證腹板截面的完

8、整性，然后再劃分受壓和受拉翼緣，如圖所示。劃分的矩形截面所承擔(dān)的扭矩，按其受扭抵抗矩與截面總受扭抵抗矩的比值進行分配,對腹板、受壓和受拉翼緣部分的矩形截面抗扭塑性抵抗矩Wtw、Wtf和Wtf分別按下列公式計算,截面總的受扭塑性抵抗矩為,有效翼緣寬度應(yīng)滿足bf b+6hf 及bf b+6hf的條件，且hw/b6,帶翼緣截面,箱形截面（Hollow Section) 封閉的箱形截面，其抵抗扭矩的作用與同樣尺寸的實心截面基本相同。 實際工程中，當(dāng)截面尺寸較大時，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。 為避免壁厚過薄對受力產(chǎn)生不利影響，規(guī)定壁厚twbh/7，且 Hw/tw6,8

9、.1.2 矩形截面復(fù)合受扭構(gòu)件,1） 試驗研究分析及主要結(jié)論 在彎矩、剪力和扭矩共同作用下，鋼筋混凝土構(gòu)件的受力狀態(tài)極為復(fù)雜，構(gòu)件破壞特征及其承載力與所作用的外部荷載條件和內(nèi)在因素有關(guān)。其中外部荷載條件，通常以扭彎比 （=T/M）和扭剪比（=T/（Vb）表示；所謂內(nèi)在條件系指構(gòu)件的截面形狀、尺寸、配筋及材料強度等。根據(jù)外部條件和內(nèi)部條件的不同，構(gòu)件可能出現(xiàn)以下三種破壞形態(tài),1）彎型破壞 在配筋適當(dāng)?shù)臈l件下，扭彎比較小時，裂縫首先在構(gòu)件彎曲受拉的底面出現(xiàn)，然后向兩側(cè)面發(fā)展，破壞時底面和兩側(cè)面開裂，形成螺旋形扭曲破壞面，與之相交的縱筋及箍筋都達到受拉屈服強度，最后使處于彎曲受壓的頂面壓碎而破壞,2

10、）扭型破壞 當(dāng)扭彎比和扭剪比都比較大且構(gòu)件頂部縱筋少于底部縱筋時，盡管彎矩作用使頂部縱筋受壓，但由于頂部縱筋少于底部縱筋，在構(gòu)件頂部由扭矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過彎矩所產(chǎn)生的壓應(yīng)力，使頂部首先開裂，裂縫向兩側(cè)延伸，破壞時頂部及兩側(cè)面開裂，形成螺旋形扭曲破壞面，與之相交的鋼筋達到其抗拉屈服強度，最后使構(gòu)件底面受壓而破壞,3）剪扭型破壞 當(dāng)剪力和扭矩都較大時，由于剪力與扭矩所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的相互迭加，首先在其中一個側(cè)面出現(xiàn)裂縫，然后向頂面和底面擴展，使該側(cè)面、頂面和底面形成扭曲破壞面，與之相交的縱筋與箍筋都達到其抗拉屈服強度，最后使另一側(cè)面被壓碎而破壞,8.4.2 按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的配筋計算方法 1、對

11、于剪力和扭矩共同作用下的矩形截面一般剪扭構(gòu)件 （1）剪扭構(gòu)件的受剪承載力 （2）剪扭構(gòu)件的受扭承載力,式中 t 剪扭構(gòu)件混凝土受扭承載力降低系數(shù),0.5t1.0,對于集中荷載作用下獨立的鋼筋混凝土剪扭構(gòu)件,受扭承載力公式仍采用式,在用以上各式進行計算時，當(dāng)t 1.0時，不考慮剪力對混凝土受扭承載力的影響，即取t =1.0。 2、箱形截面鋼筋混凝土一般剪扭構(gòu)件,1）剪扭構(gòu)件的受剪承載力,2）剪扭構(gòu)件的受扭承載力,對于集中荷載作用下獨立的箱形截面剪扭構(gòu)件,3、T形和I字型截面剪扭構(gòu)件的受剪承載力 同矩形截面，注意分區(qū)（教材P201） 對于彎扭構(gòu)件截面的配筋計算，規(guī)范采用按純扭和純彎分別計算縱筋和箍

12、筋，然后疊加的方法。因此，彎扭構(gòu)件的箍筋用量由受扭箍筋決定，縱筋數(shù)量為受彎和受扭所需縱筋截面面積之和。 彎剪扭構(gòu)件配筋計算的一般原則： 縱向鋼筋應(yīng)按受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力和剪扭構(gòu)件的受扭承載力分別按所需的鋼筋截面面積和相應(yīng)位置進行配置; 箍筋應(yīng)按剪扭構(gòu)件的受剪承載力和受扭承載力分別按所需的箍筋截面面積和相應(yīng)位置進行配置,兩種特殊情況的計算 1、當(dāng) 時，可僅按受彎構(gòu)件和純扭構(gòu)件分別進行計算； 2、當(dāng) 時，可僅按受彎構(gòu)件和純扭構(gòu)件分別進行計算,2）截面尺寸限制及最小配筋率 1）截面尺寸限制條件,為了避免超筋破壞，構(gòu)件截面尺寸應(yīng)滿足下式要求,2）構(gòu)造配筋問題 構(gòu)造配筋的界限：當(dāng)滿足下式要求時，箍筋和抗扭縱筋可采用構(gòu)造配筋,最小配筋率：配箍