建筑结构-第四章　钢筋混凝土受扭构件

第一节受扭构件概述

一、钢筋混凝土受扭构件承受以扭矩为主要作用的构件，称为受扭构件。在实际工程中，单纯受扭构件极少，一般都是在扭矩和剪力（扭剪）或者在弯矩、扭矩和剪力（弯剪扭），甚至是压弯剪扭共同作用下的复合受扭。如雨篷梁、现浇框架结构中与次梁整体连接的边梁都属于弯剪扭复合受扭构件；在地震作用下结构受扭时，框架柱则属于压扭构件（图４．１）。（１）平衡扭转。构件的扭矩是由荷载的直接作用所引起的，其扭矩可由静力平衡条件求得，如雨篷梁、吊车梁等。（２）协调扭转。超静定结构中由于相邻构件的变形引起，其扭矩需利用变形协调条件求得。如与次梁相连的边框架的主梁扭转。下一页返回第一节受扭构件概述二、矩形抗扭钢筋形式矩形截面构件受扭时，主裂缝与纵轴成４５°方向，所以抵抗扭矩最有效的配筋是配置大致与４５°方向交叉的螺旋钢筋，但在实际工程中，扭矩在构件全长方向上常常改变，并且螺旋钢筋施工复杂，所以实际工程结构中一般采用箍筋和沿截面周边均匀布置的纵筋来抵抗扭矩。上一页返回第二节混凝土纯扭构件承载力计算一、钢筋混凝土纯扭构件破坏形态根据受扭钢筋配筋率的不同，钢筋混凝土矩形截面纯扭构件（图４．２）的破坏特征可分为以下四种类型：（１）少筋破坏。当受扭钢筋配置过少时，配筋构件的抗扭承载力与素混凝土构件没有实质性的差别，其破坏扭矩基本上与开裂扭矩相等，构件一开裂便破坏，呈脆性，称为少筋破坏。可以通过控制受扭钢筋的最小配筋率以及箍筋的最大间距来防止此类破坏。（２）适筋破坏。当构件中的受扭钢筋配置适当时，破坏前构件上陆续出现多条与构件轴线大约呈４５°角的螺旋裂缝，随着荷载的增加，与裂缝相交的箍筋与纵筋先后达到屈服，最后混凝土被压碎，此类破坏具有较好的塑性，称为适筋破坏。下一页返回第二节混凝土纯扭构件承载力计算（３）超筋破坏。当受扭箍筋和纵筋都配置得太多时，在两者都未能达到屈服点以前，受压边混凝土被压碎而构件宣告破坏，破坏呈明显的脆性，称为超筋破坏。（４）部分超筋破坏。抗扭钢筋由纵筋和箍筋组成，两种钢筋的比例对结构破坏特征也有影响，当构件中配置的箍筋或纵筋的数量过多时，在破坏时只有数量相对较少的钢筋受拉屈服，而另一部分钢筋则在破坏时达不到屈服点，此类破坏具有一定的塑性，称为部分超筋破坏。在工程中，这种破坏的构件可以采用。上一页下一页返回第二节混凝土纯扭构件承载力计算为了充分发挥纵筋与箍筋的强度，设计中应控制两者的比例，可用抗扭纵筋与抗扭箍筋的配筋强度比来表示。《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０—２０１０）采用纵向钢筋与箍筋的配筋强度比值ζ（０．６≤ζ≤１．７）进行控制。上一页下一页返回第二节混凝土纯扭构件承载力计算二、矩形截面素混凝土纯扭构件承载力计算《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０—２０１０）根据试验结果，素混凝土矩形截面纯扭构件承载力按下式计算：其中矩形截面的受扭塑性抵抗矩：上一页下一页返回第二节混凝土纯扭构件承载力计算三、Ⅰ形和T形截面素混凝土纯扭构件承载力计算当为Ⅰ形、Ｔ形等截面形状时，其截面受扭塑性抵抗矩可按腹板、翼缘的形状分别计算后叠加得到（图４．３）：上一页下一页返回第二节混凝土纯扭构件承载力计算四、矩形截面钢筋混凝土纯扭构件承载力计算矩形截面钢筋混凝土纯扭构件承载力计算公式：上一页下一页返回第二节混凝土纯扭构件承载力计算五、Ⅰ形和T形截面钢筋混凝土纯扭构件承载力计算Ｔ形和Ⅰ形截面的纯扭构件承受扭矩T时，与素混凝土纯扭构件相同，按图４．３可将截面划分为腹板、受压翼缘和受拉翼缘三个矩形块（一般保证腹板的完整性），将总的扭矩T按各矩形块的受扭塑性抵抗矩分配给各矩形块承担，求得各矩形块承受的扭矩后，按式计算，确定各自所需的抗扭纵向钢筋及抗扭箍筋面积，最后统一配筋。计算时取用的翼缘宽度应符合b′ｆ不大于b＋６h′ｆ及bｆ不大于b＋６hｆ的规定。上一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算一、弯剪扭构件承载力计算对于受扭构件，当符合下列要求时，混凝土自身的强度已经满足了承载力要求，可不进行构件剪扭承载力计算，而只需按构造规定配置纵向钢筋和箍筋：下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算为了更准确清晰地理解弯剪扭构件的配筋计算，细分为以下多种简单的情况进行介绍。（１）轴向压力和扭矩共同作用下矩形截面构件承载力计算。当纯扭构件上作用有轴向压力时，轴向压力有助于抑制斜裂缝的发展，提高构件的抗扭能力。其抗扭承载力按下式计算：上一页下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算（２）轴向拉力和扭矩共同作用下矩形截面构件承载力计算。有轴向拉力作用的纯扭构件，其抗扭能力会降低。其抗扭承载力按下式计算：（３）剪力和扭矩共同作用下矩形截面构件承载力计算。实验表明，剪力和扭矩共同作用下的构件，由于剪力的存在，使构件的抗扭承载力将有所降低；同样，由于扭矩的存在，也会引起构件抗剪承载力降低，这便是剪力和扭矩的相关性。为了考虑剪扭相关性，引进剪扭构件混凝土受扭承载力强度降低系数βｔ（０．５≤βｔ≤１）。需要注意的是，βｔ在一般情况和集中荷载作用情况下计算公式不同。上一页下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算１）一般剪扭构件，受剪承载力可按下式计算：

扭承载力可按下式计算：此处需要注意的是，因为受扭和受剪的受力特性不同，抗扭承载力只考虑一个箍筋中的单肢，而抗剪承载力需要考虑一个箍筋中的所有肢数。上一页下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算２）集中荷载作用下的独立混凝土剪扭构件，受剪承载力按下式计算：受扭承载力可按式（４-１３）计算；但此种情况下，式（４-１３）中的系数βｔ应改按式（４-１５）计算。上一页下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算３）按照叠加原则计算剪扭的箍筋用量和纵筋用量。（４）弯扭构件承载力计算。对于弯扭构件承载力计算采用叠加法，分别按纯弯和纯扭构件计算和配筋，然后将所需要的纵向钢筋面积叠加。需要注意的是，抗扭纵筋应沿截面周边均匀布置，而抗弯钢筋应放在受拉一侧底部。（５）矩形截面弯剪扭构件承载力计算。对于弯剪扭构件，其纵筋面积应按受弯构件的正截面受弯承载力和剪扭构件的受扭承载力进行计算叠加，并按相应的位置进行配置；箍筋截面面积则按剪扭构件受剪承载力和受扭承载力进行计算，并按相应的位置进行配置，计算和配置过程中应注意以下两点：上一页下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算１）当扭矩或者剪力较小时，它们对于构件承载力的影响很小，可以忽略剪扭相关性。①当V≤０．３５fｔbh０或者V≤０．８７５fｔbh０／（λ＋１）时，可忽略剪力对构件承载力的影响，仅按弯矩和扭矩共同作用进行配筋。②当T≤０．１７５fｔWｔ时，可忽略扭矩对构件承载力的影响，仅按弯矩和剪力共同作用进行配筋。２）最小配筋率。上一页下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算二、截面尺寸限制条件为了避免截面尺寸太小或者受扭构件配筋过多而发生完全超筋性质的脆性破坏，受扭构件截面尺寸和混凝土强度等级应符合下列要求：当hｗ／b不大于４时，当hｗ／b等于６时，当hｗ／b大于４但小于６时，按线性内插法确定。当不满足上述要求时，应增大截面尺寸或提高混凝土强度等级。上一页下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算三、构造规定为了防止构件中发生“少筋”性质的脆性破坏，在弯剪扭构件中箍筋和纵筋配筋率及构造上的要求应符合下列规定：（１）梁内受扭纵向钢筋的最小配筋率。上一页下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算沿截面周边布置受扭纵向钢筋的间距不应大于２００ｍｍ及梁截面短边长度；除应在梁截面四角设置受扭纵向钢筋外，其余受扭纵向钢筋宜沿截面周边均匀对称布置。受扭纵向钢筋应按受拉钢筋锚固在支座内。在弯剪扭构件中，配置在截面弯曲受拉边的纵向受力钢筋，其截面面积不应小于受弯构件受拉钢筋最小配筋率计算的钢筋截面面积与受扭纵向钢筋配筋率计算并分配到弯曲受拉边的钢筋截面面积之和。上一页下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算（２）箍筋（剪扭箍筋）的最小配箍率：其中受扭所需的箍筋应做成封闭式，且应沿截面周边布置，当采用绑扎骨架时，受扭所需箍筋的末端应做成１３５°的弯钩，弯钩端头平直段长度不应小于１０d（d为箍筋直径）。超静定结构中，考虑协调扭转而配置的箍筋，其间距不宜大于０．７５b，此处b按式（４-１６）和式（４-１７）的规定取用。上一页下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算四、矩形截面弯剪扭构件配筋计算步骤当已知截面内力（M、T、V）与ζ，并初步选定截面尺寸和材料强度等级后，可按以下步骤进行：（１）按式（４-１６）和式（４-１７）的相关规定验算截面尺寸。若截面尺寸不满足时，应增大截面尺寸后再验算。（２）判定构件承载力是否考虑剪力和扭矩的影响。（３）按式（４-７）、式（４-８）判定是否按构造规定配置抗剪、抗扭钢筋。上一页下一页返回第三节矩形截面弯剪扭构件承载力计算（４）若抗剪、抗扭需计算配筋，