钢筋混凝土构件受扭承载力对比分析.pdf
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1、第 2 7卷 第 4 期 2 0 1 0年 1 2月 建 筑科 学与 J o u r n a 1 0 f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo 1 27 NO 4 De c 2 0 1 0 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 5 7 1 2 钢筋混凝土构件 受扭承载 力对 比分析 田 磊 , 贡 金 鑫 , 魏 巍 巍 ( 1 大连理工大学 建设工 程学部 , 辽 宁 大连 1 1 6 0 2 4 ; 2 中交水运规划设计 院有限公司 , 北京
2、 1 0 0 0 0 7 ) 摘要 : 对中国、 美国和欧洲规 范中钢 筋混凝土纯扭 构件 的受扭承载力和最小配筋率要 求进行 了对 比, 并基 于各 国钢筋混凝土纯扭构件受扭承载力的试验结果对受扭承栽力进行可靠度分析, 最后对 各 规 范 中弯剪扭共 同作 用 下的钢 筋 混凝 土构件 的 配 筋计 算方 法、 最 小 配 箍 率和 截 面 限制 条 件进 行 了研 究 。结 果表 明 : 对 于纯扭 构件 , 中 国规 范的 受扭 承载 力 由钢 筋和 混 凝 土 受扭 2个 部 分组 成 , 美 国和欧 洲规 范仪 考 虑钢 筋 受扭 ; 对 于纯扭构 件 的最 小配箍 率 , 美 国规
3、 范最 大 , 中 国规 范最 小 , 欧洲规 范居 中; 对于纯扭构件受扭时的可靠指标, 在恒荷载与活荷栽组合情况下, 按 中国规范计算的最大, 欧洲规 范居 中 , 美国规 范最 小 ; 在 恒荷 载与 风荷 载组 合 情 况 下 , 中国、 美 国和 欧 洲规 范较 为接 近 ; 对 于 弯剪扭 共 同作 用 下的钢 筋混 凝 土构件 , 按 美 国和 欧洲 规 范计 算 配 筋要 比 中 国规 范保 守 , 中 国、 美 国和欧洲规 范的剪扭 相 关 曲线均接 近 1 4圆 , 中国和 欧洲规 范 中的剪扭 构件 最 小配箍 率较 为接 近 , 大 于 美 国规 范 。 关键词 : 钢
4、 筋混 凝土 构件 ; 受扭 承载 力 ; 扭 矩 ; 可靠 度分析 中图分 类号 : T U3 7 5 1 文献标 志码 : A Co mp a r a t i v e Ana l y s i s o f To r s i o n a l Ca pa c i t y f o r Re i nf o r c e d Co nc r e t e M e m b e r s TI AN Le i ,GONG J i n x i n ,W EI W e i we i ( 1 F a c u l t y o f I n f r a s t r u c t u r e En g i n e e r i
5、n g ,Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ,Da l i a n 1 1 6 0 2 4,L i a o n i n g ,Ch i n a ; 2 C h i n a Co mmu n i c a t i o n s Wa t e r Tr a n s p o r t a t i o n Pl a n n i n g a n d De s i g n I n s t i t u t e Co Lt d,B e ij i n g 1 0 0 0 0 7,Ch i n a ) Abs t r a c t : For r e
6、 i nf o r c e d c o nc r e t e pur e t o r s i on me m b e r , t o r s i on a l c a pa c i t y a nd mi ni mum r e i nf o r c e me n t r a t i o b a s e d o n GB 5 0 01 O 一 2 O 0 2,ACI 31 8 0 8 a nd EN 1 9 9 2 1 1: 2 0 04 we r e c o mpa r e d a nd a na l y z e d,t he n r e l i a b i l i t y a n a l y
7、s i s wa s pe r f o r m e d b as e d on a l ot o f e x pe r i m e nt a l d a t a a b ou t t o r s i on a 1 c a p a c i t y o f r e i n f o r c e d c o nc r e t e m e m b e r s f r o m d i f f e r e n t s o ur c e s Fi n a l l y,t he c a l c u l a t i o n me t h od s of r e i n f or c e m e nt , mi n
8、i m u m r e i nf or c e me nt r a t i o a n d s e c t i o n r e s t r a i nt c o nd i t i o n o f r e i n f o r c e d c o nc r e t e me mbe r s u nd e r t he c o m b i ne d a c t i o n o f b e nd i n g m o me nt , s h e a r f o r c e a nd t o r qu e we r e c o mpa r e d a nd a na l y z e d Re s ul t
9、 s s ho w t h a t f or p ur e t or s i on me m b e r , t o r s i ona l c a p a c i t y i n GB 5 0 01 O一 2 O0 2 i s c o mpo s e d of t o r q ue s c a r r i e d b y r e i n f o r c e me nt s a nd C On c r e t e s ,bUt o n l y t o r q u e c a r r i e d b y r e i n f o r c e me n t s i s c o n s i d e r
10、 e d b y ACI 3 1 8 0 8 a n d EN 1 9 9 2 1 1 : 2 0 0 4 Fo r m i n i mum s t i r r up r a t i o o f pur e t o r s i o n me mbe r,ACI 3 1 8 0 8 i s l a r g e r t h an EN 1 99 2 1 1: 2 0 0 4,a n d GB 5 0 01 O 2 ) ( 2 i s t he s ma l l e s t For r e l i a b i l i t y i nd e xe s o f pur e t or s i o n m
11、e m b e r i n t o r s i o nund e r c o mbi ne d d e a d l o a d a nd l i v e l oa d, GB 5 0 01 0 - 2 0 0 2 i s l a r g e r t ha n EN 1 9 9 2 1 1: 2 00 4, a nd ACI 3 1 8 08 i s t he s ma l l e s t ,whe r e a s t he t hr e e c o de s a r e a l mos t t h e s a m e und e r c o m b i ne d de a d l o a d
12、a nd wi n d l o a d Fo r t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e me mb e r s u b j e c t e d t o c o mb i n e d a c t i o n o f b e n d i n g mo me n t , 收 稿 日期 : 2 0 1 0 0 8 0 6 基金项 目: “ 十一五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 0 6 B AJ 0 1 B 0 6 0 6 ) 作者简介 : 田磊( 1 9 8 3) , 男 , 河南新蔡人 , 工学硕士 , E ma i l : t i a n l e
13、 i wwwg ma i l c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 建 筑科 学与 工程 学报 2 0 1 0血 s he a r f o r c e a nd t o r qu e,ACI 3 1 8 - 0 8 a nd EN 1 9 9 2 1 1: 2 0 04 a r e r e l a t i v e l y c o n s e r v a t i v e c ompa r e d wi t h GB 5 0 01 0 - 2 0 0 2 f o r t o r s i o n de s i gn me t h od The s h
14、a p e o f i nt e r a c t i on c ur v e un de r s he a r a n d t o r s i on f o r t h r e e c o de s a r e a l 1 c l o s e t o qu a d r a nt o f a c i r c l e Und e r c o m b i ne d a c t i o n o f s he a r f o r c e a n d t o r qu e,mi ni mum s t i r r u p r a t i o s o f GB 5 0 01 0 - 2 0 0 2 a n d
15、 EN 1 9 9 2 1 1: 2 0 0 4 a r e a p pr ox i ma t e , a nd g r e a t e r t h a n ACI 31 8 08 Ke y wo r d s:r e i nf o r c e d c o n c r e t e m e m b e r ;t or s i on a l c a p a c i t y;t o r q ue;r e l i a b i l i t y a na l y s i s I J 引 胃 在荷载作用下 , 钢筋混凝土构件除承受弯矩和 剪力作用外, 很多情况下 还承受扭矩作用 , 如 吊车 梁、 雨棚梁 、
16、 现浇框架 的边梁及螺旋形楼梯板 等 1 。 早在 1 9 2 9年, R a u s c h就 以空 间桁架模型首先提 出 了钢筋混凝土构件极限扭矩 的计算理论, 从 2 O世纪 6 0年代 开始 , 国际上 很 多 学 者 进行 了深 入 的研 究 2 _ 3 , 特别是美 国学者 Hu s的工作 , 成为美 国混凝 土规 范 AC I 3 1 8中抗 扭 设计 的基 础 。1 9 7 1年 美 国 混凝 土 协会 AC I 规 范 提 出 了钢 筋 混凝 土 构 件 抗 扭 的设计 方法 , 后来 被欧洲模 式规 范 4 和加拿 大规 范 5 采用 。2 O世纪 8 O年代 , 中国对钢
17、筋混凝土结 构的扭转问题进行深入的研究 , 在此基础上 , 借鉴 国 外规 范 的方 法 提 出 中 国混 凝 土 结 构 抗 扭 设 计 的方 法 6 , 混凝土结构设计规范 ( GB 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ) l_ 7 中做了进一步的完善和补充。到 目前为止 , 钢筋混 凝土纯扭构件受扭承载力的计算主要有变角桁架模 型、 软化桁架模型和斜弯理论 , 这些理论促进 了钢筋 混凝土结构抗扭设计方法的发展 。软化桁架模型考 虑 了混 凝 土斜压 杆 的弯 曲现象 , 通过 变形协 调 、 混 凝 土本构关系和平衡方程建立计算公式, 比较合理地 反映了钢筋混凝土构件扭转破坏 的过程
18、 , 但工程应 用 比较 麻烦 , 主 要 用 于 理论 研 究 。为 了解各 国钢 筋 混凝土规范抗扭设计采用的方法 , 本文 中笔者对 中 国规 范 GB 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 、 美 国规 范 AC I 3 1 8 - 0 8 _ 8 和 欧洲规范 E N 1 9 9 2 1 - 1 : 2 0 0 4 _ 9 中的抗扭设 计方法 进行 了对 比分析, 研究结果可为修订 中国混凝 土规 范提供参考。 1 纯扭构件受扭承载力计算 1 1 受扭承 载 力 实际工程 中很少有受纯扭 的钢筋混凝土构件 , 只是 当其他内力( 如剪力) 小到一定程度时, 才按纯 扭构件考虑。另外
19、, 纯扭构件是研究承受弯剪扭复 合构件承载力的基础, 所以, 各 国设计规范都有纯扭 构件 受扭 承 载力计 算方法 的规定 。 对 于 钢筋 混 凝 土纯 扭 构件 的受 扭 承载 力 , 迄今 为止已建立了多种计算理论 , 各 国规范都经历 了多 种 形式 的变 化 , 下 面是各 国现行规 范 的规定 。 ( 1 ) 中国规范 中国 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 ( G B 5 O 0 1 O 一 2 0 0 2 ) 以试验为基础 , 给出了受扭承载力 丁 的计算 公 式 T 一o 3 5 f t W +1 2 -a t s t_ 1 X 一 c o r ( 1 ) r 一 丛 (
20、 2 A 厂y 刚 。 式 中 : -厂 t 为 混凝 土抗 拉 强度 ; W 为构件 扭 转 塑性抵 抗矩, 对矩形截 面, W 一b ( 3 h一6 ) 6 , b为截 面宽 度 , h为截面高度 ; f y 为箍筋屈服强度 ; Am为单肢 封闭箍筋的面积; A 。 为箍筋所 围区域 的面积 ; S为 箍 筋 间距 ; 为 受 扭 构 件 的纵 筋 与 箍 筋 的 配 筋 强度 之 比; f y 为 纵筋 屈服 强 度 ; A 为 受扭 纵 筋 面 积 ; U 。 。 为箍筋 所 围区域 的周长 。 对钢筋混凝土纯扭构件 , 其纵筋与箍筋的配筋 强度之 比 应满足 0 6 4 1 7的要求
21、 , 当 1 7时 , 取 一1 7 。 ( 2 ) 美 国规范 美 国规 范 AC I 3 1 8 0 8中 的受 扭 承 载力 计 算公 式 是根 据桁 架模 型 建 立 的 。在 模 型 中 , 混 凝 土 开 裂 后裂缝间的混凝土为压杆 , 纵 向受拉钢筋 和横 向箍 筋为拉杆 , 形成承载体系 , 如图 1所示 。由此建立的 受扭承载力的计算公式为 T 一 2 Ao A tf y v 0C O t ( 3 ) 一 一 L5 式中: A。 为剪应力流包围的毛面积 , 经分析确定 , 可 取 A。 一0 8 5 A A。 为受扭箍筋所 围区域 的面积, 如图 2 ( a ) ( d )
22、所示 ; A 为单肢封闭箍筋 的面积; 厂 为封闭抗扭钢筋的屈服强度 ; S为平行 于纵筋方 向的抗剪或抗扭钢筋 间距 ; 0为桁架模型 中的压杆 倾 角 , 通 过 计 算 确 定 , 不 应 小 于 3 O 。 , 也 不 应 大 于 6 0 。 ; 为强度折减系数 , 对受扭承载力取 0 7 5 。 抗 扭所 需 的纵筋 面积 Al 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 田 磊 , 等 : 钢 筋混 凝 土构件 受扭 承载 力对 比分析 5 9 ( a ) 隔 离 体1 ( b ) 隔 离体2 ( c ) 力 的平 衡 图 l 钢筋混凝 土构件扭
23、转桁 架模 型 Fi g 1 Tr u s s M o d e l s f o r Re i nf o r c e d Co nc r e t e M e mbe r s i n To r s i o n ( a ) 美 国规范模型1 ( b ) 美国规范模型2 l ( c ) 美 国规 范模 型3 ( d ) 美 国规 范模 型4 有 效截 面 外边 线 ( e ) 欧洲 规 范模 型 图 2 美 国和 欧 洲 规 范 中混 凝 土 面积 的规 定 Fi g 2 De f i n i t i o n o f Co n c r e t e Ar e a i n ACI Co d e a n d
24、 Eur o c o de c o t 式 中 : P 为最外 层 封 闭 受 扭 钢 筋 中心 线 的周 长 ; f y 为纵 向受扭钢 筋 的规定 强度 。 ( 3 ) 欧 洲规 范 欧 洲规 范 E N 1 9 9 2 1 1 : 2 0 0 4的受 扭 承 载 力 计 算 是 以闭合 薄壁截 面 空 问桁 架 模 型 为基 础 的 , 构件 所需的 纵筋截面面积 A 按下式计算 一 ( 5 ) U k 厶 广 1 k 式 中 : T d 为 设 计 扭 矩 ; A 、 k 分 别 为 管壁 中心 连线 包围的面积和周长 图 2 ( e ) ; A。 为第 i 个薄壁纵筋 的面积 ; f
25、 为纵筋 A 的屈服强度设计值 。 所需的受扭箍筋按下式计算 厶 一 n z ( 6 ) S Uk 式 中 : A。 为 受 扭 箍 筋 截 面 面 积 ; f a 为 受 扭 箍 筋 屈 服强 度设 计值 。 将式 ( 6 ) 代 入式 ( 5 ) 可得 到受扭 承 载力 T a 为 TE d 一 2 Ak A wf y w d c ot ( 7 ) ( 4 ) 对 比分 析 由上 面 的公 式 可 以看 出 : 在 中国规 范 中 , 钢筋 混 凝 土构 件 的受扭 承 载力是 以混 凝土 和钢 筋所起 作 用 之和 的形式 体现 的 , 纵 筋 和 箍 筋 采用 变 角 空 间 桁 架
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