钢筋混凝土构件复合受扭研究进展.docx
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1、钢筋混凝土构件复合受扭研究进展摘要:本文就钢筋混凝土构件复合受扭的国内外相关研究概况作了一定的汇总,试图对课堂所学知识有一个更深层面的扩充,一方面对锻炼自身检索文献查阅资料的能力,另一方面对使混凝土课程的学习更为多元化。相关背景:在建筑结构中,结构处于受扭的情况是不少的,但是处于扭矩单独作用下的情况则不多,大多都是复合受扭。例如,桥梁、吊车梁、框架边梁、地震作用下的角柱、屋架及托架上弦、托梁、各种环梁、电杆等都是处于弯矩、剪力和扭矩共同作用下的复合受扭。对钢筋硅复合受扭构件的研究受到了更多的重视。 我国目前处于一个地震重现的活跃期,由于经济发展水平的关系,在地震区建设钢筋混凝土结构的房屋还相当
2、普遍,在常用的钢筋混凝土框架结构和框架剪力墙结构中,结构处于受扭的情况是不少的,但是处于扭矩单独作用下的情况则不多,大多都是复合受扭。例如桥梁、吊车梁、框架边梁、筒壳边梁、托梁、各种环梁、支承悬臂板或阳台的梁、螺旋楼梯,槽形堵板、侧转放置的马鞍形壳板、电杆等都是处于弯矩、剪力和扭矩共同作用的复合受扭。对于托架结构,上弦处于轴压力、弯矩和扭矩的共同作用下工作,下弦则处于轴拉力、弯矩和扭矩的共同作用下工作。过去,在结构设计中,由于采用现浇钢筋混凝土结构,或截面尺寸较大的预制构件,相对于弯短、轴向力和剪力而言,扭转属于次要因素,往往可忽略其影响或者采用保守的计算和构造措施来处理。随着高强材料的发展,
3、在各种工程结构中广泛采用钢筋混凝土和预应力混凝土薄壁构件,结构跨度也不断扩大,以及抗震要求的提高,都使扭转的作用突出起来。七十年代以来,我国对钢筋泥凝土和预应力混凝土结构扭转问题给予了明显重视。为了修订我国钢筋混凝土结构设计规范,成立了钢筋混凝土受扭科研专题组,开展了纯扭、压扭、弯扭、弯剪扭以及低周反复荷载下抗扭性能的试验研究,并对纯扭、压扭和剪扭构件进行了全过程分析。有关设计研究院、科研单位以及高等院校等结合工程实践进行了吊车粱、托梁、托架、箱形桥梁、雨蓬梁、曹形墙板、马鞍形壳板、电杆以及拉扭性能的试验研究。上述研究取得的大量科研成果,为修订具有我国自己特色的规范条文以及改进工程设计提供了科
4、学依据。近几年来,国际上对扭转问题的研究,不仅考虑强度问题,而且也注意到变形和刚度的分析,从研究个别的受扭发展到复合受扭以及研究整个结构体系的扭转内力重分布以及周期荷载作用下的受扭性能。一、国外研究状况自本世纪初,国外对钢筋砼构件的受扭性能的进行了大量的研究,尤其是六七十年代,受力情况从简单到复杂分别进行了探索,对钢筋硅构件在纯扭、弯扭、压扭、弯剪扭作用下的破坏形态、受力机理、刚度、抗扭强度以及相关方程、延性等性能进行了深入的探讨,并取得了相当的研究成果。 在受扭构件开裂前,用弹性理论来描述纯扭构件的性能,有薄膜比拟的弹性理论和沙堆比拟的塑性理论用来描述开裂扭矩,在受扭初期,最初考虑的影响因素
5、是扭剪应力的大小和位置,钢筋对开裂前的抗扭性能的影响是很小的。构件开裂,截面的应力分布与弹性理论分析结果比较接近,随着扭矩的增加,截面的应力分布逐渐进入碳塑性阶段。用弹性理论和塑性理论来描述复合受扭构件在开裂之前和开裂初期的受力性能有值得相信的精确程度。E. Rausch, Bach和Graf的古典空间析架理论将配有纵筋和箍筋的硷受扭构件设想成一个中空的管型构件(见课本312页)。构件开裂后,管壁砼沿45度裂缝倾角形成一个螺旋型构件,与纵筋、箍筋组成一个空间析架,通过管壁上的环向剪力流抵抗外扭矩。斜弯破坏理论认为受扭构件三面受拉,一面受压,形成空间弯曲破坏截面,对破坏面中和轴取距,根据平衡条件
6、推导出抗扭强度计算公式。Hsu和Lessig将斜弯理论发展成一个可以信赖的理论基础,它能可靠的描述受纯扭作用的钢筋混凝土梁的强度,在开裂后的性能中,配置的钢筋有了一个明显的影响。首次基于扭转三种破坏形态的抗扭极限强度的理论分析是由Lessig所做,后来被Hsu和Yudin补充,三种基本类型用斜弯机理解释为:顶面受压,侧面受压和底面受压破坏。Thurlimann和Lampert对变角空间杭架理论作了进一步的阐述,并将抗扭、抗剪的机理统一到一个计算模型上来。Collins基于薄壁箱形空间析架计算模型,不仅考虑静力平衡条件,而且注意到几何变形关系,建立斜压场理论。1985年,Hsu连续发表了三篇关于
7、砼“软化”的论文,认为如梁考虑到砼的软化效应,就能够较为准确地估算抗扭强度和整个加荷过程中的变形,为此,他将硷软化的特性引入到斜压场计算模式中。 研究结果表明,在构件开裂以前,斜弯理论能够较好地估计构件的抗扭反应,而在构件开裂以后,变角空间析架理论能够为钢筋硅构件的抗剪及抗扭计算提供清晰的概念,为适应于任何形状的截面,由于对砼“软化”的深入研究,目前对砼抗扭机理的分析有统一采用变角空间析架理论的趋势。现将各种计算理论和计算公式简要归纳如下。(1)Rausch空间析架计算模型 用桁架比拟钢筋混凝土构件开裂后的工作机理,最早是由Ritter和Morsch提出,应用于受剪切的钢筋混凝土梁。1929年
8、E.Rausch以Bach和Graf的试验为基础,将45。斜杆的桁架模型推广应用于已开裂的受扭构件。他将配有纵筋和箍筋的混凝土受扭构件设想为一个中空的管形构件。构件开裂后,管壁混凝土沿45。裂缝倾角形成一个螺旋形构件,与纵筋、箍筋组成一个空间桁架,通过管壁是的环向剪力流抵抗外扭矩。 Rausch建立的空间析架模型有四个假定: 1)空间析架由45。的混凝土斜杆、纵向钢筋和横向箍筋在结点处铰接组成; 2)混凝土斜杆只承受轴向压力,忽略其抗剪作用; 3)纵筋和箍筋只承受轴向压力,忽略其销栓作用; 4)实心截面的核心混凝土对极限抗扭强度不起作用。 剪力流路线取封闭箍筋的中心线计算。利用结点平衡和对整个
9、截面取扭矩,即可求得极限扭矩。 Rausch提出的空间桁架计算模型,将Bredt的薄壁管理论与平面桁架模型巧妙结合,对钢筋混凝土构件抗扭机理,赋予比较清晰的解释,概念清楚,公式简单。这种计算方法,在低配筋时由于忽略混凝土抗扭作用,偏于保守;而在高配筋时,由于过高估计钢筋抗扭能力,偏于不安全。(2)变角空间析架模型 Rausch的空间析架模型假定混凝土斜杆的倾角为45。时,也就是说在纵筋与箍筋为同一材料时,要求纵筋与箍筋的体积配筋率相等。但试验表明,纵筋与箍筋体积配筋比不等于1时,在构件达到极限强度之前,纵筋和箍筋同样可都达到屈服,这个想象Lampert和Thurlimann认为可用混凝土斜杆的
10、倾角是变化的来解释。为此,他们于1968年提出变角空间析架模型,并指出混凝土压杆倾角可以通过给定的纵筋屈服力和箍筋屈服力的相对大小确定,在设计中通过选用最经济的纵筋箍筋配筋量的体积比来确定。1973年Thurlimann对变角空间桁架作了进一步阐述,并将抗剪、抗扭机理分析统一到一个计算模型上。 试验表明实心矩形截面构件临近破坏时,与同样外廓尺寸、同样材料和同样配筋的空心截面构件的抗扭性能是等效的。因此,变角空间析架模型取用矩形箱形截面,忽略核心混凝土作用,即假定扭矩主要由外壳混凝土及其钢筋骨架承担。受纯扭作用的矩形截面构件的变角空间析架模型如图1.1所示。取不同的隔离体,利用平衡条件,即可求得
11、极限扭矩。Rausch的空间析架模型计算公式是变角空间桁架模型中纵筋与箍筋配筋体积相等的特殊情况,压力场的倾角实际上=45。,当纵筋与箍筋配筋体积不相等时,在纵筋或箍筋)屈服后会产生内力重分布,压力场的倾角也会随之改变时,纵筋和箍筋都达到屈服,此时裂缝宽度最小; 角过小,箍筋首先屈服,只有引起裂缝宽度不断增大才能使纵筋也屈服;而角过大,纵筋首先屈服,也只有裂缝宽度不断增大,才能使箍筋也达到屈服。为此,为控制裂缝的开展,并保证两种钢筋都能达到屈服,角仅能限制在一定的范围内。一般角的限制范围:3/55/3。相应的纵筋与箍紧的配筋强度比为0.362.788,()。(3)JIeccnr斜弯破坏模型 前
12、苏联H .H.Aeccnr基于受扭试验于1959年提出构件斜弯破坏模型,如图1.2所示。构件在扭矩作用下沿着形成螺旋裂缝的空间截面发生破坏,这种裂缝由与构件纵轴成一定角度的受压区闭合,构成一个空间的拗曲的破坏面。破坏面的受压区视弯扭比、截面形状和配筋方法的不同,可位于构件的侧面、顶面和底面。 该计算模型对破坏面中和轴(受压区分界线)取内外力矩平衡进行计算,推导极限抗扭强度计算公式时,考虑的内力有与空间截面受拉区相交的纵筋和箍筋的内力和受压区混凝土压力,并假定混凝土压应力达到极限抗压强度,钢筋拉应力达到屈服强度。1962年,H将破坏面理想化为由三个45。斜边所围成的破坏面。(4) Hsu斜弯破坏
13、模型 美国T.T.C.Hsu通过试验,认为JIeccnr理论过高的估计了抗扭强度,而且从试验中观察到一些想象,用JIeccnr理论不能解释,如: 1)低配筋构件的纵筋和箍筋长肢应力到达流限时将引起破坏,按JIeccnr理论此时箍筋短肢也已受拉屈服,但试验表明此时箍筋短肢拉应力很小,甚至有时出现压应力; 2) JI e c c n r假定三面斜拉破坏裂缝与梁纵轴夹角都相同,均为45。,但试验中发现宽边斜裂缝有的在梁边角部转向并垂直于窄边,因此窄边的裂缝倾角常大于450; 3) JI e c c u r理论不考虑纵筋销栓作用,然而试验中发现矩形截面角部两个面上的两边裂缝不在同一平面,说明角部纵筋存
14、在着销栓作用。由测定的角部纵筋径向的弯曲应力也可以证实这一点; 4)在极限扭矩下,角部及窄边的裂缝比宽边中部裂缝要宽,说明自由体的旋转轴不一定是JIeccnr所假定的中和轴。 为此,Hsu于1968年提出一个新的计算模型如图1.3所示。将破坏面理想化,假定它与梁的宽面垂直,并与梁纵轴成45。倾斜,破坏面不与箍筋短肢相交,将短肢承担的抗扭强度予以忽略,以适应所观察到的箍筋短肢应力较小这一现象。此外,还考虑了混凝土受压区的抗剪强度和纵筋的销栓作用。按图1. 3的计算模型,取位于截面中间高度平行于纵轴的一个轴为扭转轴,可由自由体平衡条件,利用内外扭拒的平衡和y轴方向力的平衡,即可推出极限扭矩。本计算
15、模型考虑了剪压区混凝土抗剪强度所提供的抗扭强度Tc, Hsu通过试验给出了Tc值和钢筋的销栓力Vsx, Vsy。(5) Collins斜压力场计算模型 1973年加拿大D.Mitchell和M.P.Collins进一步发展了空间析架计算理论,还将其应用到预应力混凝土结构中。他们基于薄壁箱形空间析架计算模型,不仅考虑静力平衡条件,而且注意到几何变形谐调关系。将1929年Wagner研究金属梁压屈后的剪力计算的斜拉力场理论运用到钢筋混凝土构件受扭计算,给出确定压力场角度的谐调方程,并假定构件受扭开裂后,混凝土不再承受拉力,扭转由一个斜压力场承担。因此,Collins称其计算方法为斜压力场理论。Co
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