混凝土结构设计原理-6.1-2-3纯扭构件课件.ppt

第6章 受扭构件,6.1 概 述,第6章 受扭构件承载力计算 Torsion Members,6.1 概 述,受扭构件也是一种基本构件两类受扭构件：平衡扭转 Equilibrium Torsion协调扭转 Compatibility Torsion,第6章 受扭构件,6.1 概 述,构件中的扭矩可以直接由荷载静力平衡求出 受扭构件必须提供足够的抗扭承载力，否则不能与作用扭矩相平衡而引起破坏。,平衡扭转 Equilibrium Torsion,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，扭矩大小与受扭构件的抗扭刚度有关，称为协调扭转Compatibility Torsion。对于协调扭转，由于受扭构件在受力过程中的非线性性质，扭矩大小与构件受力阶段的刚度比有关，不是定值，需要考虑内力重分布进行扭矩计算。,第6章 受扭构件,6.1 概 述,第6章 受扭构件,6.2 纯扭构件,6.2 开裂扭矩,一、开裂前的应力状态裂缝出现前，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。矩形截面受扭构件在扭矩T作用下截面上的剪应力分布情况，最大剪应力tmax发生在截面长边中点,第6章 受扭构件,6.2 纯扭构件,由材力知，构件侧面的主拉应力tp和主压应力 cp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。,二、矩形截面开裂扭矩,按弹性理论，当主拉应力stp=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。,此时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,第6章 受扭构件,6.2 纯扭构件,混凝土材料既非完全弹性，也不是理想弹塑性，而是介于两者之间的弹塑性材料。达到开裂极限状态时截面的应力分布介于弹性和理想弹塑性之间，因此开裂扭矩也是介于Tcr,e和Tcr,p之间。为简便实用，可按塑性应力分布计算，并引入修正降低系数以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0.870.97之间，规范为偏于安全起见，取 0.7。于是，开裂扭矩的计算公式为,截面受扭塑性抵抗矩,第6章 受扭构件,6.2 开裂扭距,第6章 受扭构件,6.2 开裂扭距,箱形截面,封闭的箱形截面，其抵抗扭矩的作用与同样尺寸的实心截面基本相同。实际工程中，当截面尺寸较大时，往往采用箱形截面，以减轻结构自重，如桥梁中常采用的箱形截面梁。为避免壁厚过薄对受力产生不利影响，规定壁厚twbh/7，且hw/tw6,第6章 受扭构件,6.2 开裂扭距,带翼缘截面,第6章 受扭构件,6.2 开裂扭距,带翼缘截面,有效翼缘宽度应满足bf b+6hf 及bf b+6hf的条件，且hw/b6。,由前述主拉应力方向可见，受扭构件最有效的配筋形式应是沿主拉应力迹线成螺旋形布置。但螺旋形配筋施工复杂，且不能适应变号扭矩的作用。实际受扭构件的配筋是采用箍筋与抗扭纵筋形成的空间配筋方式。,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,6.3 纯扭构件的承载力计算,一、开裂后的受力性能,开裂前，T-关系基本呈直线关系。开裂后，由于部分混凝土退出受拉工作，构件的抗扭刚度明显降低，T-关系曲线上出现一不大的水平段。对配筋适量的构件，开裂后受扭钢筋将承担扭矩产生的拉应力，荷载可以继续增大，T关系沿斜线上升，裂缝不断向构件内部和沿主压应力迹线发展延伸，在构件表面裂缝呈螺旋状。,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,当接近极限扭矩时，在构件长边上有一条裂缝发展成为临界裂缝，并向短边延伸，与这条空间裂缝相交的箍筋和纵筋达到屈服，T-关系曲线趋于水平。最后在另一个长边上的混凝土受压破坏，达到极限扭矩。,二、破坏特征,按照配筋率的不同，受扭构件的破坏形态也可分为适筋破坏、少筋破坏和超筋破坏。对于箍筋和纵筋配置都合适的情况，与临界（斜）裂缝相交的钢筋都能先达到屈服，然后混凝土压坏，与受弯适筋梁的破坏类似，具有一定的延性。破坏时的极限扭矩与配筋量有关。当配筋数量过少时，配筋不足以承担混凝土开裂后释放的拉应力，一旦开裂，将导致扭转角迅速增大，与受弯少筋梁类似，呈受拉脆性破坏特征，受扭承载力取决于混凝土的抗拉强度。当箍筋和纵筋配置都过大时，则会在钢筋屈服前混凝土就压坏，为受压脆性破坏。受扭构件的这种超筋破坏称为完全超筋，受扭承载力取决于混凝土的抗压强度。由于受扭钢筋由箍筋和受扭纵筋两部分钢筋组成，当两者配筋量相差过大时，会出现一个未达到屈服、另一个达到屈服的部分超筋破坏情况。,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,配筋强度比z,由于受扭钢筋由箍筋和受扭纵筋两部分钢筋组成，其受扭性能及其极限承载力不仅与配筋量有关，还与两部分钢筋的配筋强度比z 有关。,试验表明，当0.5z 2.0范围时，受扭破坏时纵筋和箍筋基本上都能达到屈服强度。但由于配筋量的差别，屈服的次序是有先后的。规范建议取0.6z 1.7，设计中通常取z=1.01.2。,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,三、极限扭矩分析变角空间桁架模型,对比试验表明，在其他参数均相同的情况下，钢筋混凝土实心截面与空心截面构件的极限受扭承载力基本相同。,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,开裂后的箱形截面受扭构件，其受力可比拟成空间桁架：纵筋为受拉弦杆，箍筋为受拉腹杆，斜裂缝间的混凝土为斜压腹杆。,设达到极限扭矩时混凝土斜压杆与构件轴线的夹角为f，斜压杆的压应力为sc，则箱形截面长边板壁混凝土斜压杆压应力的合力为，,同样，短边板壁混凝土斜压杆压应力的合力为，,Ch和Cb分别沿板壁方向的分力为，,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,Vh和Vb对构件轴线即截面形心取矩得受扭承载力为，,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,设箍筋和纵筋均达到屈服，由Ch的竖向分力与箍筋受力的平衡得，,考虑到,由Ch的水平分力与纵筋受力平衡的得，,很明显有：,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,有：,将下式,代入上式得,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,考虑到：,则有：,代入Tu式得：,由Ch的竖向分力与箍筋受力的平衡得，并引入,当z=1.0时，斜压杆角度等于45，而随着z 的改变，斜压杆角度也发生变化，故称为变角空间桁架模型。试验表明，斜压杆角度在30 60之间。,此式为受扭承载力的上限,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,如果配筋过多，混凝土压应力sc达到斜压杆抗压强度n fc时，钢筋仍未达到屈服，即产生超筋破坏，此时的极限扭矩将取决于混凝土的抗压强度，即有,由以上推导可见，混凝土斜压杆角度取决于纵筋与箍筋的配筋强度比z。,规范受扭承载力计算公式,为避免配筋过多产生超筋脆性破坏,为防止少筋脆性破坏,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,由空间桁架模型可知，受扭构件的箍筋在整个长度上均受拉力，因此箍筋应做成封闭型，箍筋末端应弯折135，弯折后的直线长度不应小于5倍箍筋直径。箍筋间距应满足受剪最大箍筋间距要求，且不大于截面短边尺寸。受扭纵筋应沿截面周边均匀布置，在截面四角必须布置受扭纵筋，纵筋间距不大于300mm。,第6章 受扭构件,6.3 纯扭构件的承载力,受扭纵筋的搭接和锚固均应按受拉钢筋的构造要求处理。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,6.3 弯剪扭构件的承载力计算,一、破坏形式,扭矩使纵筋产生拉应力，与受弯时钢筋拉应力叠加，使钢筋拉应力增大，从而会使受弯承载力降低。,而扭矩和剪力产生的剪应力总会在构件的一个侧面上叠加，因此承载力总是小于剪力和扭矩单独作用的承载力。,弯剪扭构件的破坏形态与三个外力之间的比例关系和配筋情况有关，主要有三种破坏形式：,弯型破坏：,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,当弯矩较大，扭矩和剪力均较小时，弯矩起主导作用。裂缝首先在弯曲受拉底面出现，然后发展到两个侧面。底部纵筋同时受弯矩和扭矩产生拉应力的叠加，如底部纵筋不是很多时，则破坏始于底部纵筋屈服，承载力受底部纵筋控制。受弯承载力因扭矩的存在而降低。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,扭型破坏：,顶部纵筋拉应力大于底部纵筋，构件破坏是由于顶部纵筋先达到屈服，当扭矩较大,弯矩和剪力较小,且顶部纵筋小于底部纵筋时，这种情况就将会发生。扭矩引起顶部纵筋的拉应力很大，而弯矩引起的压应力很小，所以导致屈服，然后底部混凝土压碎，承载力由顶部纵筋拉应力所控制。由于弯矩对顶部产生压应力，抵消了一部分扭矩产生的拉应力，因此弯矩对受扭承载力有一定的提高。但对于顶部和底部纵筋对称布置情况，总是底部纵筋先达到屈服，将不可能出现扭型破坏。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,剪扭型破坏：,当弯矩较小，对构件的承载力不起控制作用，构件主要在扭矩和剪力共同作用下产生剪扭型或扭剪型的受剪破坏。裂缝从一个长边（剪力方向一致的一侧）中点开始出现，并向顶面和底面延伸，最后在另一侧长边混凝土压碎而达到破坏。如配筋合适，破坏时与斜裂缝相交的纵筋和箍筋达到屈服。当扭矩较大时，以受扭破坏为主；当剪力较大时，以受剪破坏为主。由于扭矩和剪力产生的剪应力总会在构件的一个侧面上叠加，因此承载力总是小于剪力和扭矩单独作用的承载力，其相关作用关系曲线接近1/4圆。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,无腹筋,有腹筋,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,二、规范弯剪扭构件的配筋计算,由于在弯矩、剪力和扭矩的共同作用下，各项承载力是相互关联的，其相互影响十分复杂。为了简化，规范偏于安全地将受弯所需的纵筋与受扭所需纵筋分别计算后进行叠加，而对剪扭作用为避免混凝土部分的抗力被重复利用，考虑了混凝土项的相关作用，箍筋的贡献则采用简单叠加方法。具体方法如下：1、受弯纵筋计算受弯纵筋As和As按弯矩设计值M由正截面受弯承载力计算确定2、剪扭配筋计算 对于剪扭共同作用，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。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,混凝土部分承载力相关关系可近似取1/4圆，,取,并近似取,bt 混凝土受扭承载力降低系数bv 混凝土受剪承载力降低系数,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,也可采用AB、BC、CD三段直线来近似相关关系。AB段，bv=Vc/Vc00.5，剪力的影响很小，取bt=Tc/Tc0=1.0；CD段，bt=Tc/Tc00.5，扭矩影响很小，取bc=Vc/Vc0=1.0；BC段直线为，,注意：此时bt 和bv的范围为0.51.0,近似认为,则,同时有：,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,对于一般剪扭构件,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,对于集中荷载作用下的剪扭构件,注意：此时bt 和bv的范围为0.51.0,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,三、配筋计算的规定及构造要求,b.当满足以下条件时，可不进行受剪扭承载力计算，仅按最小配筋率和构造要求确定配筋。,截面限制条件,a.为避免配筋过多产生超筋破坏，剪扭构件的截面应满足，,承受弯矩、剪力和扭矩共同作用的矩形、T形、工形及箱形截面钢筋混凝土构件,当hw/b或hw/tw4时,当hw/b或hw/tw6时,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,2.当剪力V 0.35ftbh0或V,3.当扭矩T0.175ftWt时，可忽略扭矩的影响，仅按受弯构件的正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力分别进行纵筋和箍筋的计算。,ftbh0时，可忽略剪力的影,响，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；,4.当剪力V 0.35ftbh0或V,ftbh0时，且T0.175ftwt时,其纵筋应按正截面受弯承载力和剪扭构件的受扭承载力进行计算，箍筋应分别按下列剪扭构件的受剪承载力和受扭承载力公式计算：,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,对于一般剪扭构件，,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,对于集中荷载作用下的剪扭构件,注意：此时bt 和bv的范围为0.51.0,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,6.带翼缘截面弯剪扭构件的承载力计算仍按上述规定进行，但在剪扭承载力计算时，应将截面划分成几个矩形来进行分别计算。腹板按剪扭构件计算，计算时应将T及Wt各代换成Tw及Wtw；翼缘按纯扭构件计算，计算时应将T及Wt作相应的代换。,7.弯剪扭构件中纵筋和箍筋的配筋率及构造要求，应符合下列规定：,a.剪扭构件中，箍筋的配筋率sv（sv Asv/bs）不应小于0.28ft/fyv。箍筋的间距应符合斜截面的规定，同时应做成封闭式。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,b.剪扭构件中，纵筋的配筋率不应小于受弯构件纵筋最小配筋率与受扭构件纵筋最小配筋率之和。,其中，T/Vb2.0时，取2.0。对纯扭构件也取T/Vb 2.0,c.受扭纵筋应沿截面周边对称布置，且其间距应不大于200mm和梁的宽度，受扭纵筋应按受拉钢筋锚固长度La锚固在支座内。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,受弯纵筋As和As,抗扭箍筋：,抗扭纵筋：,抗剪箍筋：,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,6.3 弯剪扭构件的承载力计算,一、破坏形式,扭矩使纵筋产生拉应力，与受弯时钢筋拉应力叠加，使钢筋拉应力增大，从而会使受弯承载力降低。,而扭矩和剪力产生的剪应力总会在构件的一个侧面上叠加，因此承载力总是小于剪力和扭矩单独作用的承载力。,弯剪扭构件的破坏形态与三个外力之间的比例关系和配筋情况有关，主要有三种破坏形式：,弯型破坏：,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,当弯矩较大，扭矩和剪力均较小时，弯矩起主导作用。裂缝首先在弯曲受拉底面出现，然后发展到两个侧面。底部纵筋同时受弯矩和扭矩产生拉应力的叠加，如底部纵筋不是很多时，则破坏始于底部纵筋屈服，承载力受底部纵筋控制。受弯承载力因扭矩的存在而降低。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,扭型破坏：,顶部纵筋拉应力大于底部纵筋，构件破坏是由于顶部纵筋先达到屈服，当扭矩较大,弯矩和剪力较小,且顶部纵筋小于底部纵筋时，这种情况就将会发生。扭矩引起顶部纵筋的拉应力很大，而弯矩引起的压应力很小，所以导致屈服，然后底部混凝土压碎，承载力由顶部纵筋拉应力所控制。由于弯矩对顶部产生压应力，抵消了一部分扭矩产生的拉应力，因此弯矩对受扭承载力有一定的提高。但对于顶部和底部纵筋对称布置情况，总是底部纵筋先达到屈服，将不可能出现扭型破坏。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,剪扭型破坏：,当弯矩较小，对构件的承载力不起控制作用，构件主要在扭矩和剪力共同作用下产生剪扭型或扭剪型的受剪破坏。裂缝从一个长边（剪力方向一致的一侧）中点开始出现，并向顶面和底面延伸，最后在另一侧长边混凝土压碎而达到破坏。如配筋合适，破坏时与斜裂缝相交的纵筋和箍筋达到屈服。当扭矩较大时，以受扭破坏为主；当剪力较大时，以受剪破坏为主。由于扭矩和剪力产生的剪应力总会在构件的一个侧面上叠加，因此承载力总是小于剪力和扭矩单独作用的承载力，其相关作用关系曲线接近1/4圆。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,无腹筋,有腹筋,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,二、规范弯剪扭构件的配筋计算,由于在弯矩、剪力和扭矩的共同作用下，各项承载力是相互关联的，其相互影响十分复杂。为了简化，规范偏于安全地将受弯所需的纵筋与受扭所需纵筋分别计算后进行叠加，而对剪扭作用为避免混凝土部分的抗力被重复利用，考虑了混凝土项的相关作用，箍筋的贡献则采用简单叠加方法。具体方法如下：1、受弯纵筋计算受弯纵筋As和As按弯矩设计值M由正截面受弯承载力计算确定2、剪扭配筋计算 对于剪扭共同作用，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。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,混凝土部分承载力相关关系可近似取1/4圆，,取,并近似取,bt 混凝土受扭承载力降低系数bv 混凝土受剪承载力降低系数,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,也可采用AB、BC、CD三段直线来近似相关关系。AB段，bv=Vc/Vc00.5，剪力的影响很小，取bt=Tc/Tc0=1.0；CD段，bt=Tc/Tc00.5，扭矩影响很小，取bc=Vc/Vc0=1.0；BC段直线为，,注意：此时bt 和bv的范围为0.51.0,近似认为,则,同时有：,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,对于一般剪扭构件,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,对于集中荷载作用下的剪扭构件,注意：此时bt 和bv的范围为0.51.0,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,三、配筋计算的规定及构造要求,b.当满足以下条件时，可不进行受剪扭承载力计算，仅按最小配筋率和构造要求确定配筋。,截面限制条件,a.为避免配筋过多产生超筋破坏，剪扭构件的截面应满足，,承受弯矩、剪力和扭矩共同作用的矩形、T形、工形及箱形截面钢筋混凝土构件,当hw/b或hw/tw4时,当hw/b或hw/tw6时,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,2.当剪力V 0.35ftbh0或V,3.当扭矩T0.175ftWt时，可忽略扭矩的影响，仅按受弯构件的正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力分别进行纵筋和箍筋的计算。,ftbh0时，可忽略剪力的影,响，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；,4.当剪力V 0.35ftbh0或V,ftbh0时，且T0.175ftwt时,其纵筋应按正截面受弯承载力和剪扭构件的受扭承载力进行计算，箍筋应分别按下列剪扭构件的受剪承载力和受扭承载力公式计算：,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,对于一般剪扭构件，,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,对于集中荷载作用下的剪扭构件,注意：此时bt 和bv的范围为0.51.0,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,6.带翼缘截面弯剪扭构件的承载力计算仍按上述规定进行，但在剪扭承载力计算时，应将截面划分成几个矩形来进行分别计算。腹板按剪扭构件计算，计算时应将T及Wt各代换成Tw及Wtw；翼缘按纯扭构件计算，计算时应将T及Wt作相应的代换。,7.弯剪扭构件中纵筋和箍筋的配筋率及构造要求，应符合下列规定：,a.剪扭构件中，箍筋的配筋率sv（sv Asv/bs）不应小于0.28ft/fyv。箍筋的间距应符合斜截面的规定，同时应做成封闭式。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,b.剪扭构件中，纵筋的配筋率不应小于受弯构件纵筋最小配筋率与受扭构件纵筋最小配筋率之和。,其中，T/Vb2.0时，取2.0。对纯扭构件也取T/Vb 2.0,c.受扭纵筋应沿截面周边对称布置，且其间距应不大于200mm和梁的宽度，受扭纵筋应按受拉钢筋锚固长度La锚固在支座内。,第6章 受扭构件,6.3 弯剪扭构件,受弯纵筋As和As,抗扭箍筋：,抗扭纵筋：,抗剪箍筋：,本章小结,纯扭构件在建筑工程结构中应用很少，大多数情况的结构都是受弯矩、剪力和扭矩的复合作用。根据结构扭矩内力形成的原因，结构的扭转分为两种类型：平衡扭转和协调扭转。结构在扭转荷载作用下，截面上将产生切应力流，截面扭心处剪应力等于零，截面长边外边缘中点处剪应力最大。截面在剪力作用下将产生等值的主拉、主压应力及最大切应力，混凝土的开裂是其最大拉应力达到抗拉强度引起的。受扭构件按配筋数量可分为适筋、超筋（或部分超筋）及少筋构件。前者为延性破坏，后两者为脆性破坏，在设计中应尽力避免将构件设计成脆性破坏的构件。,本章小结,为了使抗扭纵筋和箍筋的应力在构件受扭破坏时均能达到屈服强度，纵筋和箍筋强度比值应满足条件0.61.7，最佳比为1.2。变角空间桁架模型是钢筋混凝土纯扭构件受力机理的一种科学概括，较好地反映了影响构件受扭承载力的主要因素。弯剪扭复合受力构件的承载力计算是一个非常复杂的问题。规范对纵筋和箍筋采用叠加方法，而对混凝土的抗力采用了剪扭相关性。对T形、工字型截面弯剪扭构件，除按受弯构件正截面计算配筋外，尚应将截面形状分成若干个矩形，截面承受的扭矩按各矩形截面受扭塑性抵抗矩进行分配。,本章小结,对主矩形截面进行受剪、受扭承载力计算；次矩形截面不进行受剪承载力计算，仅按纯扭构件进行受扭计算。T形和工字型截面弯剪扭构件进行承载力计算后，纵筋和箍筋受力钢筋均按其数量和位置进行叠加。钢筋混凝土纯扭、剪扭构件的承载力计算时，还应注意基本公式的适用条件及最小配筋率的要求。,