钢筋混凝土压弯剪扭构件抗扭刚度探讨.pdf
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1、第 8卷第 3期 2 0 1 1年 6月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF RAI L 1 AY S CI ENCE AND ENGI NE ERI NG V0 l _ 8 NO 3 J u n e 2 0 1 1 钢筋 混凝土压弯剪扭构件抗扭 刚度探讨 任文锋 , 李芳 ( 1 中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ; 2 长沙铁路勘察设计有限公司, 湖南 长沙 4 1 0 0 0 1 ) 摘要: 压弯剪扭构件抗扭刚度是研究结构整体扭转性能的基础, 在已有试验的基础上。 给出了便于查用的构件抗扭刚度 一 扭转角退化曲线; 通过对试验数据及抗扭刚度计算公式的参
2、数分析, 探讨 了构件抗扭刚度的各种影响因素。结果表明: 纵横钢筋强度比在 1附近时构件的抗扭刚度最大, 轴压比、 偏心距、 剪扭比与弯扭比的增大使得构件抗扭刚度降低。 关键词 : 钢筋混凝土 ; 抗扭 刚度 ; 退化 ; 曲线 中图分 类号 : T U 3 7 5 3 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 4 2 0 5 R e s e a r c h o n t o r s i o n s t i ff n e s s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o mp r e
3、s s i o n f l e x u r e s h e a r - t o r s i o n c o mp o n e n t s REN W e n f e n g ,L I Fa n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g , C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5, C h i n a ; 2 C h a n g s h a R a i l w a y S u r v e y a n d D e s i g
4、n L i m i t e d C o m p a n y , C h a n g s h a 4 1 0 0 0 1 ,C h i n a ) Ab s t r a c t : T o r s i o n s t i f f n e s s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o mp r e s s i o nfl e x u r es h e a rt o r s i o n c o mp o n e n t s i S t h e b a s e o f t h e r e s e a r c h o n t h e s t r u c
5、t u r a l t o r s i o n p e r f o r ma n c e T h e d e g r a d a t i o n g r a p h b e t we e n t o r s i o n s t i f f n e s s a n d a n g e r s wa s p r e s e n t e d a c c o r d i n g t o t he e x p e rime n t s d a t a,a n d t h e v a rio us i n flu e n c e f a c t o r s we r e d i s c u s s e d
6、 a c c o r d i n g t o t h e e x p e rime n t a l r e s u l t s a n d t h e p a r a me t e r a n aly s i s o f t h e f o rm u l a f o r t o rsi o n s t i f f n e s s I t i s s h o wn t ha t t o r s i o n s t i f f n e s s wi l l be ma x i ma l wh e n t h e i n t e ns i t y r a t i o o f l o ng i t u
7、d i n al s t e e l t o t r a v e r s e s t e e l i s e q ua l t o 1,a n d t h e i n c r e a s e o f t h e r a t i o o f a x i a l c o mpr e s s i v e f o r c e t o a x i a l c o mp r e s s i v e u l t i ma t e c a p a c i t y o f s e c t i o n,t h e e c c e n t ric i t y, t h e r a t i o o f s h e a
8、 r t o t o r s i o n,a n d t he r a t i o o f mo me n t t o t o r s i o n ma k e t h e t o r s i o n s t i f f n e s s d e p r e d a t e Ke y wo r d s : r e i nfo r c e d c o n c r e t e; t o r s i o n s t i f f n e s s ; d e gra d a t i o n ; gra p h s 地震时候地面不但有平动 , 而且有转动, 因此 , 高层建筑结构在地震作用下不仅有平移 ,
9、还会有绕 刚度中心的扭转 。震害分析表明, 扭转是一个很重 要的致坏因素 , 当高层建筑结构平面布置不对 称时, 扭转效应更为明显 , 因此现行高规增加 了对 结构偏心扭转的限制 。现有 的矩阵位移法与近 似计算法等结构扭转计算方法 均未深入构件层 次 , 未考虑构件开裂后抗扭刚度的降低 , 然而, 随着 结构扭转幅度 的增大 , 处于压弯剪扭复杂应力状态 下的构件抗扭刚度会不断退化, 可能导致扭转效应 增大 , 从而加剧结构 的破坏 , 因此压弯剪扭构件抗 收稿 日期 : 2 0 1 1 0 4 2 6 作者简介 : 任文锋 ( 1 9 6 7一) , 男 , 重庆人 , 工程师 , 从事工
10、民建设计 ll 作 扭刚度是研究结构整体扭转性能的基础。 目前 构 件 抗 扭 试 验 大 都 集 中在 承 载 力 方 面 , 建立了一系列强度相关方程 , 而对构件 的 抗扭刚度关注较少 ; 刘继 明等 m 基 于空 间变角 桁架模型 , 利用虚功原理推导了压弯剪扭构件的抗 扭刚度, 但计算公式 比较复杂 , 不便于应用。本 文 在 已有试验的基础上, 给出了便于查用的构件抗扭 刚度 一 扭转角退化曲线 ; 通过对试验数据及抗扭刚 度计算公式的参数分析 , 探讨了轴压 比、 偏心距 、 纵 横钢筋配筋强度 比、 剪扭 比及弯扭比等诸多因素对 构件抗扭刚度 的影响。 第 3期 任文锋, 等:
11、 钢筋混凝土压弯剪扭构件抗扭刚度探讨 4 3 1 抗扭刚度总体退化规律 1 1 构件初始扭转角 构件开裂前, 在复杂应力作用下, 其内部已有 部分裂缝开展 , 构件初始抗扭刚度约为弹性抗 扭刚度的 0 8倍 , 即 =0 8 G I , ( 1 ) 式中: G为混凝土的剪切模 量, 取 G :0 4 E, E为 混凝土的弹性模量 ; 截 面的抗扭惯性矩 I t= ; G , 称为构件的弹性抗扭刚度。 表 1 矩形截面构件在扭转时的系数 , Ta bl e 1 To r s i o n c o e f fic i e nt s O t 。 o f r e c t a n g u l a r s
12、e c t i o n 表中 b , h分别为截面的短边与长边尺寸; 对于 狭长矩形截面(m 1 0时) , I t=h t 3 , 其中, 为 截面厚度 。 而构件开裂时的抗扭刚度为弹性抗扭刚度 的 0 4 4倍, 即 K t 。 =0 4 4 G , l ( 2 ) 鉴于构件开裂前的塑性发展程度并不明显 , 可 近似认为构件刚度与扭转角呈反 比关系 , 由于构件 开裂时 的抗 扭 刚 度 是 初 始 刚度 的 0 5 5倍 ( 0 4 4 0 8 :0 5 5) , 故可认 为构件 的初始刚度对应 的位移角6 10 是构件开裂时的扭转角0 的0 5 5 倍 , 即 0 0=0 5 5 0
13、。 钢筋混凝土复合受扭构件 的开裂扭矩 计算 公式为 : 厂 r = 。 。 。 + 蔷 3 ) 式中: 系数 K=1 7 6 ( 1 一 6 0 ) ; le t 为抗扭截面弹 性抵抗矩 , = 6 3 , p的取值见表 1 ; 为混凝 土 的抗拉强度设计值; 为构件承受的轴力; A为构 件截面面积 。 构件开裂时的扭转角为 0 i c r瓦 ( 4 ) 于是, 构件的初始刚度对应的位移角为 : 0 5 5 : ( 5 ) L,上t 1 2 构件抗扭刚度总体退化规律 构件开裂后, 抗扭刚度会随着扭转角的增大而 不断降低。孙黄胜等 曾对 9根截面尺寸为 2 5 0 m m x 2 5 0 m
14、m的钢筋混凝土柱 ( 7 4 0 mm长) 进行抗 震扭转性能试验 , 得到 8根有效试件 , 将其退化系 数加权平均可得到压弯剪扭构件抗扭刚度退化规 律( 见图 1 ) 。图中纵坐标为退化后的割线刚度与 初始刚度 K ,o=0 8 G I t 的比值 , 横坐标为构件扭转 角与初始刚度对应的位移角 0 。 的比值 。 耧 0 6 嘲 量 1 2 3 4 5 扭转角位移倍数 图 1 抗扭 刚度 总体退化规律 Fi g 1 T o t a l d e g r a d a t i o n gra p h o ft o r s i o n s t i ff n e s s 从图中可 以看 出 , 构
15、件抗 扭剐度起 初退化严 重, 当构件扭转角为 2倍初始刚度对应的位移角 时, 刚度退化 5 0 ; 随着扭转角的进一步增大, 退 化幅度减少 , 最终稳定至 0 2倍初始刚度左右。需 要说明的是, 图 2是对试验数据做加权平均得到 的, 具有普遍性, 能大致反映压弯剪扭构件刚度退 化的规律。 2 抗扭刚度影响因素 高层建筑结构中的构件于压弯剪扭复杂应力 状态下, 国内外学者的大量试验研究表明: 轴压力、 弯矩、 剪力的存在, 对构件开裂前的扭转刚度的影 响可以忽略不计 。构件开裂后 , 抗扭刚度退化与纵 筋和箍筋的配筋率、 纵横钢筋配筋强度比、 构件上 作用荷载比例和截面尺寸有关 。为简便起
16、见, 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 本文通过试验数据的对比来分析轴压比、 偏心距等 因素的影响 , 对基于空间变角桁架模型推导的抗扭 刚度计算公式进行参数分析, 探讨纵横钢筋配筋强 度比、 剪扭比及弯扭比等影响因素。 图 2为不同偏心距下轴压 比对构件退化规律 的影响 , 图 3为不同轴压比下偏心距对抗扭刚度退 化的影响。 1 O O 8 籁 0 6 越 0 4 辑 02 1 O 08 骚 06 幽 魁 匠 0 4 辑 O 2 2 3 4 扭转角位移倍数 1 0 0 8 辍 0 6 咄 j 0 4 囊 0 2 2 3 4 5 扭转角位 移倍数 2 3 4 扭转角位移倍数 ( a ) 偏心
17、距 0 2时; ( b ) 偏心距 0 3时 ; ( c ) 偏 心距 0 4时 图 2 轴压 比对抗扭 刚度 退化 的影响 F i g 2 I n fl u e n c e o f r a t i o o f a x i a l c o mp r e s s i v e f o r c e t o ax i a l c o mp r e s s i v e u l t i ma t e c a p a c i t y o f s e c t i o n o n t o r s i o n s t i f f ne s s de g r a da t i o n 2 1 轴压比 从图中可 以看
18、 出, 在相同的偏心距下 , 构件 的 抗扭刚度退化随着轴压 比的增大而加剧 ; 当偏心距 增大时 , 轴压比对构件抗扭刚度退化影响变小 。 籁 髅 茜 2 3 4 扭转角位移倍数 2 3 4 扭转角位移倍数 2 3 4 扭转角位移倍数 ( a ) 轴压 比0 2时; ( b ) 轴压比 0 3时 ; ( ( ) 轴压比 0 4时 图 3偏心距对抗扭刚度退化 的影响 Fi g 3 I n f l u e n c e o f e c c e n t r i c i t y o n t o r s i o n s t i f f n es s d e g r a d a t i o n 2 2 偏
19、 心距 从 图中可以看 出, 在小轴压 比( 0 2 ) 情 况 F, 偏心距对构件 的抗扭刚度退化的影 响较小。在大 轴压 比情况下, 随着轴压比的增大, 构件 的抗扭刚 度退化加剧 。 2 3 纵横钢筋配筋强度比 研究表明, 基于空间变角桁架模 型, 利用虚功 原 理 推 导 的压 弯 剪扭 构 件 的抗扭 刚度 计 算 公 式 , 公式大体有 3项 , 一次反映了纵筋 、 箍筋与 混凝土对构件抗扭 刚度的贡献 , 概念清晰, 且与试 第 3期 任文锋 , 等: 钢筋混凝土压弯剪扭构件抗扭刚度探讨 4 5 验结果复合良好 , 但 比较复杂 , 不便于应用。 1 = b oh o i 4 E
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