文理学院混凝土结构设计原理.ppt

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1、,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章 受扭构件的扭曲截面承载力,第 7 章,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,本章重点,了解受扭构件的分类和受扭构件开裂、破坏过程；,掌握受扭构件的设计计算方法；,熟悉钢筋混凝土受扭构件的构造要求。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,7.1.1 土木工程中常见的受扭构件,土木工程受扭构件的特点：一般均为弯、剪、扭构件。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,7.1.2 扭转按扭矩形成原因分类,两类受扭构件：平衡扭转和协

2、调扭转,平衡扭转 扭矩由荷载产生，扭矩可由平衡条件求得，与构件的抗扭刚度无关。,对于平衡扭转，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。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,协调扭转或附加扭转 扭转由变形协调产生，扭矩的大小与构件的刚度有关。如与次梁相连的边框架的主梁扭转。,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。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,7.1.3 抗扭钢筋的形式,抗弯 受拉区纵筋抗剪 箍筋或

3、箍筋+弯筋抗扭 箍筋+沿截面周边 均匀布置的纵筋，箍筋与纵筋的比例 要适当。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,7.1.4 纯扭构件的破坏特征,1.素混凝土纯扭构件,素混凝土纯扭构件,先在某长边中点开裂,形成一螺旋形裂缝，一裂即坏,三边受拉，一边受压,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,2.钢筋混凝土纯扭构件,钢筋混凝土纯扭构件,开裂前钢筋中的应力很小,开裂后不立即破坏，裂缝可以不断增加，随着钢筋用量的不同，有不同的破坏形态,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,2.钢筋混凝土纯扭构件,

4、破坏形态,少筋破坏：裂后钢筋应力激增，构件破坏,适筋破坏：裂后钢筋应力增加，继续开裂，钢筋屈服，混凝土压碎，构件破坏,超筋破坏：裂后钢筋应力增加，继续开裂，混凝土压碎，构件破坏，钢筋未屈服,部分超筋破坏：裂后钢筋应力增加，继续开裂，混凝土压碎，构件破坏，纵筋或箍筋未屈服,设计时应避免出现,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,3钢筋混凝土纯扭构件的破坏特点,(1)少筋破坏产生条件：箍筋和纵筋或者其中之一配置过少。破坏特点：破坏特征与素混凝土构件相近，因而抗扭承载力与素混凝土构件相近，破坏扭矩基本上与开裂扭矩相等。破坏是脆性的，没有任何预兆，在工程中应予以避免。

5、(2)适筋破坏产生条件：构件中的箍筋和纵筋配置适当。破坏特点：破坏前构件上陆续出现多条与杆件轴线呈角度的螺旋裂缝，与其中一条裂缝相交的箍筋和纵筋达到屈服，该条裂缝不断加宽，直到最后形成三面开裂一边受压的空间扭曲破坏面。整个破坏过程具有一定的延性和较明显的预兆。因此，受扭构件尽可能设计成这种具有适筋破坏特征的构件。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,(3)部分超配筋产生条件：构件中配置的箍筋或纵筋的数量过多。破坏特点：构件破坏前，只有数量相对较少的那部分钢筋受拉屈服，而另一部分钢筋直到受压边混凝土被压碎时仍未屈服。由于构件破坏时有部分钢筋屈服，破坏特征并非完

6、全脆性，故可在工程中采用。(4)完全超配筋产生条件：箍筋和纵筋都配置过多。破坏特点：两者都还未能达到屈服前，构件上出现很多间距较密的螺旋形裂缝，构件裂缝间混凝土被局部压碎而导致突然破坏。破坏具有明显的脆性，而且抗扭钢筋未充分利用。工程中应避免。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,7.1.5 受扭构件分类,纯扭剪扭 土木工程中少见 弯扭弯剪扭：土木工程中常见,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,7.2.1 纯扭构件开裂扭矩计算,理想弹塑性材料纯扭构件承载力,弹性材料,理想弹塑性材料,若混凝土为弹性材料时，当最大扭剪应力或最

7、大主拉应力达到混凝土抗拉强度ft时，构件即开裂。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,则其计算公式为：,若混凝土为塑性材料，则按塑性理论，截面上某一点达到极限强度时并不立即破坏，截面上各点的应力均达到混凝土的极限抗拉强度后，截面才会开裂。,则其计算公式为：,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前两个公式计算值之间之间。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,2.素混凝土纯扭构件承载力,按塑性应力分布计算，并引入修

8、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，混凝土结构设计规范为偏于安全起见，取0.7。于是，素混凝土开裂扭矩的计算公式为，,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,7.2.2 按变角度空间桁架模型的扭曲截面受扭承载力计算,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,1.变角空间桁架模型理论的基本假定：,（1）混凝土只承受压力，具有螺旋形裂缝的混凝土外壳组成桁架的斜压杆，其倾角为a；（2）纵筋和箍筋只承受拉力，分别为桁架的弦杆和腹杆；（3）忽略核心混凝土的受扭作用及钢筋的销栓作用。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一

9、章,帮 助,下一章,第 7 章,2.由变角空间桁架模型推导后，得出公式为：,式中：s 箍筋间距;Ast1 抗扭箍筋单肢截面面积;Acor 截面核心部分面积,Acor=bcor hcor;z 抗扭纵筋与抗扭箍筋的配筋强度比值;,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,Acor,bcor、hcor:分别按箍筋内侧计算的截面核心混凝土部分的短边和长边尺寸,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,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。如果一种钢筋过多，另一

10、种钢筋过少，前一种钢筋就可能不屈服，而出现部分超配件的情况。故设计中用受扭纵筋和箍筋的配筋强度比z 来控制，防治出现部分超配筋的情况。,配筋强度比z,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,3.钢筋混凝土纯扭构件承载力计算（规范公式）,（1）、矩形截面 Tu=Tc+Ts,Tc 表示混凝土的抗扭作用，Ts 表示箍筋和纵筋的抗扭作用。,式中：s 箍筋间距;Ast1 抗扭箍筋单肢截面面积;Acor 截面核心部分面积,Acor=bcor hcor;z 抗扭纵筋与抗扭箍筋的配筋强度比值;,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,式中：Ast

11、l 全部抗扭纵筋截面面积;ucor 截面核心部分周长,ucor=2(bcor+hcor)。,为了保证抗扭纵筋和抗扭箍筋都能充分被利用，要求：,设计时，可先按式（6-6）假定一个z值，然后由式（6-4）求Ast1，再由式（6-5）求Astl。,当 1.7 时，取=1.7，常用值的区间为1.01.3,0.6 1.7,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,（2）、箱形截面,箱形截面受扭塑性抵抗扭为：,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,式中：箱形截面壁厚系数，当 1.0 时，取 1.0;tw 箱形截面壁厚,其值不应小于bh/7。b

12、w 箱形截面的宽度,z 值仍按前面公式计算，且应0.6z 1.7符合的要求，当z1.7 时，取z1.7。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,（3）、T形、I形截面,将截面分成几个矩形截面进行配筋计算，划分原则：先满足腹板截面的完整性，在划分受压翼缘和受拉翼缘的面积，如下图示：,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,各矩形截面所承担扭矩设计值的确定：,矩形截面所承担的扭矩，按其受扭抵抗矩与截面总受扭抵抗矩的比值进行分配。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,截面的总受扭塑性抵抗矩为：,T形

13、、I形截面的腹板、受拉、受压部分的矩形截面受扭塑性抵抗矩计算公式为：,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,T形截面或I形截面-配筋构造,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,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。,7.3.1 弯剪扭构件的破坏形态,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,1.矩形截面构件在弯、剪、扭共同作用下的破坏形态与外部荷载条件

14、和构件内在因素有关：A、外部荷载条件：扭弯比和扭剪比B、构件内在因素：截面尺寸、配筋、材料强度,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,2.弯型破坏,V不起控制作用，且T/M较小，配筋适量时,斜裂缝首先在弯曲受拉的底部开裂，再发展,破坏时，底部受拉纵筋已屈服,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,3.扭型破坏,V不起控制作用，T/M较大，且AsAs时,由M引起的As的压力不足以抵消T引起的As中的拉力,由于AsAs，As 先受拉屈服，之后构件破坏,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,4.剪扭型

15、破坏,M不起控制作用,V、T的共同工作使得一侧混凝土剪应力增大，一侧混凝土应力减小,剪应力大的一侧先受拉开裂，最后破坏，T很小时，仅发生剪切破坏,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,5.矩形截面构件在弯剪扭共同作用下的破坏形态：,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,7.3.2 剪扭构件承载力计算,剪扭相关性,只考虑Vc、Tc的相关性，不考虑Vs、Ts的相关性,得出公式后再用试验验证,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章

16、,扭剪构件受扭承载力降低系数,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,扭矩对抗剪承载力无影响,剪力对抗扭承载力无影响,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,2.矩形、T形、I形截面剪扭构件承载力计算公式,规范将其简化为三段折线，简化后的结果为：（1）当Tc/Tco 0.5时，即T 0.175ftWt时，可忽略扭 矩影响，按纯剪构件设计；（2）当Vc/Vco 0.5时，即V 0.35ftbh0时，可忽略剪 力影响，按纯扭构件设计；（3）当T0.175ftWt和V 0.35ftbh0时，要考虑剪扭的相 关性。,考虑剪扭相关性的计算公

17、式（一般矩形、T形、I形构件）,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,式中：t 剪扭构件中混凝土受扭承载力降低系数：,当 t 1.0时，取t1.0。特点：（1）规范变全线段剪扭相关为部分线段相关；（2）承载力降低体现在混凝土的抗剪和抗扭上。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,考虑剪扭相关性的计算公式（集中荷载作用下独立剪扭矩形、T形、I形构件）,式中，,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,3.箱形截面剪扭构件承载力计

18、算公式,（1）受剪承载力,（2）受扭承载力,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,7.3.3 弯扭构件承载力计算,不考虑弯扭相关性，分别按纯弯和纯扭构件计算和配筋，然后将钢筋面积叠加。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,7.3.4 弯剪扭构件承载力计算,弯矩 按纯弯构件计算；剪力 按剪、扭构件计算；扭矩 验算是否要考虑剪、扭相关性。分别计算，然后将钢筋面积叠加。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,T形和I形 截面弯、剪、扭构件,弯矩按纯弯计算；剪力由腹板单独承担；扭矩由腹板和翼缘共同承

19、受。,计算原则,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,扭矩分配：,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,式中，,截面各部分受力：翼缘 纯扭；腹板 剪扭；全截面弯剪扭分别配筋再叠加。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,7.3.5 轴向力弯剪扭构件承载力计算,1.轴向力为压力时,（1）、受剪承载力,（2）、受扭承载力,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,2.轴向力为拉力时,（1）、受剪承载力,（2）、受扭承载力,当 时，可仅按偏心受压构件的正截面和框架柱斜截面承载力分别进行计算。,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,1.为了防止超筋,要求截面尺寸满足,当hw/b4时,当hw/b6时,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,2.为了防止少筋,要求：,受剪及受扭箍筋要满足：,受扭纵筋要满足：,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 7 章,可按构造配置抗扭纵筋和箍筋的条件,纵筋的配筋率应不小于受弯时的最小配筋率和受扭时最小配筋率之和。,受扭箍筋应采用封闭式箍筋，做法见下图。,受扭钢筋应对称设置于截面周边，角点处应有纵筋。,