鋼筋混凝土構件受扭計算模型研究進展[論文]

　　論文摘要：本文就鋼筋混凝土構件復合受扭的國內外相關研究概況作了一定的匯總，主要介紹了鋼筋混凝土受扭構件的計算模型。

　　論文關鍵詞：鋼筋混凝土,計算模型,受扭

　　自上世紀初，國外對鋼筋砼構件的受扭性能的進行了大量的研究，尤其是六七十年代，受力情況從簡單到復雜分別進行了探索，對鋼筋混凝土構件在純扭、彎扭、壓扭、彎剪扭作用下的破壞形態、受力機理、剛度、抗扭強度以及相關方程、延性等性能進行了深入的探討，并取得了相當的研究成果。現將各種計算理論和計算公式簡要歸納如下。

　　1.Rausch空間析架計算模型

　　用桁架比擬鋼筋混凝土構件開裂后的工作機理，最早是由Ritter和Morsch提出，應用于受剪切的鋼筋混凝土梁。1929年E.Rausch以Bach和Graf的試驗為基礎，將45斜桿的桁架模型推廣應用于已開裂的受扭構件。他將配有縱筋和箍筋的混凝土受扭構件設想為一個中空的管形構件。構件開裂后，管壁混凝土沿45裂縫傾角形成一個螺旋形構件，與縱筋、箍筋組成一個空間桁架，通過管壁是的環向剪力流抵抗外扭矩。

　　Rausch提出的空間桁架計算模型，將Bredt的薄壁管理論與平面桁架模型巧妙結合，對鋼筋混凝土構件抗扭機理，賦予比較清晰的解釋，概念清楚，公式簡單。這種計算方法，在低配筋時由于忽略混凝土抗扭作用，偏于保守;而在高配筋時，由于過高估計鋼筋抗扭能力，偏于不安全。

　　2.變角空間析架模型

　　Lampert和Thurlimann于1968年提出變角空間析架模型，并指出混凝土壓桿傾角θ可以通過給定的縱筋屈服力和箍筋屈服力的相對大小確定，在設計中通過選用最經濟的縱筋箍筋配筋量的體積比來確定。1973年Thurlimann對變角空間桁架作了進一步闡述，并將抗剪、抗扭機理分析統一到一個計算模型上。

　　試驗表明實心矩形截面構件臨近破壞時，與同樣外廓尺寸、同樣材料和同樣配筋的空心截面構件的抗扭性能是等效的。因此，變角空間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殼混凝土及其鋼筋骨架承擔。取不同的隔離體，利用平衡條件，即可求得極限扭矩。

　　3.JIeccnr斜彎破壞模型

　　前蘇聯H.H.Aeccnr基于受扭試驗于1959年提出構件斜彎破壞模型。構件在扭矩作用下沿著形成螺旋裂縫的空間截面發生破壞，這種裂縫由與構件縱軸成一定角度的受壓區閉合，構成一個空間的拗曲的破壞面。破壞面的受壓區視彎扭比、截面形狀和配筋方法的不同，可位于構件的側面、頂面和底面。該計算模型對破壞面中和軸(受壓區分界線)取內外力矩平衡進行計算，推導極限抗扭強度計算公式時，考慮的內力有與空間截面受拉區相交的縱筋和箍筋的內力和受壓區混凝土壓力，并假定混凝土壓應力達到極限抗壓強度，鋼筋拉應力達到屈服強度。1962年，H將破壞面理想化為由三個45斜邊所圍成的破壞面。

　　4.Hsu斜彎破壞模型

　　Hsu于1968年提出一個新的計算模型。將破壞面理想化，假定它與梁的寬面垂直，并與梁縱軸成45傾斜，破壞面不與箍筋短肢相交，將短肢承擔的抗扭強度予以忽略，以適應所觀察到的箍筋短肢應力較小這一現象。此外，還考慮了混凝土受壓區的抗剪強度和縱筋的銷栓作用。取位于截面中間高度平行于縱軸的一個軸為扭轉軸，可由自由體平衡條件，利用內外扭拒的平衡和y軸方向力的平衡，即可推出極限扭矩。本計算模型考慮了剪壓區混凝土抗剪強度所提供的抗扭強度T,Hsu通過試驗給出了T值和鋼筋的銷栓力V，V。

　　5.Collins斜壓力場計算模型

　　1973年加拿大D.Mitchell和M.P.Collins進一步發展了空間析架計算理論，還將其應用到預應力混凝土結構中。他們基于薄壁箱形空間析架計算模型，不僅考慮靜力平衡條件，而且注意到幾何變形諧調關系。將1929年Wagner研究金屬梁壓屈后的剪力計算的斜拉力場理論運用到鋼筋混凝土構件受扭計算，給出確定壓力場角度的諧調方程，并假定構件受扭開裂后，混凝土不再承受拉力，扭轉由一個斜壓力場承擔。因此，Collins稱其計算方法為斜壓力場理論。Collins首次提出來受扭鋼筋混凝土構件的協調條件，其推導的協調條件可以用來確定混凝土斜桿的傾角，平均應變條件滿足莫爾協調條件，應用莫爾圓的兒何條件，可以建立三個協調方程，其模型又稱為“莫爾協調析架模型”。

　　Collins試圖從混凝土保護層剝落不起作用的假定出發，調整剪力流路線位置，減小混凝土核心面積，以改進古典空間桁架理論過高估計抗扭強度的缺陷。

　　6.Hsu考慮混凝土軟化的斜壓力場計算模型

　　自從1972年Robinson-Demorieux和1981年Vecchio-Collins研究了受剪作用開裂后的混凝土應力應變關系后，混凝土的軟化性質引起了工程界極大興趣和重視。對剪切和扭轉問題的認識有了一個根本性的突破。Hsu認為如果考慮到混凝土的軟化效應，就能夠較準確的估算抗扭強度和整個加荷過程中的變形，為此他將混凝土軟化的特性引入到斜壓力場計算模式中，并給出防止超筋、少筋和混凝土保護層剝落的`一系列規定，從而形成一種新的計算模式。又稱“軟化析架模型”。美國ACI318-95規范和加拿大CSAA23.3-94規范中對抗扭構件計算的有關規定均是建立在薄壁管理論和空間析架理論的基礎上。

　　研究結果表明，在構件開裂以前，斜彎理論能夠較好的估計構件的抗扭性能，而在構件開裂以后，變角空間析架理論能夠為鋼筋混凝土構件的抗剪及抗扭計算提供清晰的概念，并且變角空間析架理論用于計算扭矩影響較大、含鋼量較多的構件較為穩妥;而斜彎破壞計算模型用于扭矩影響較小的構件較為合適。由于對混凝土軟化的深入研究，目前對混凝土抗扭機理的分析有統一采用變角空間桁架理論的趨勢。

　　7.薄膜元析架模型

　　以上三種衍架模型(平衡桁架模型、莫爾協調析架模型和軟化精架模型)都涉及到開裂角的基本假定，它不是由試驗精確確定的。這些理論假定薄膜元中裂縫的方向與開裂后混凝土主應力或主應變的方向相重合。實際上，第一條裂縫的方向由開裂前主應力的方向確定。一般說來，這兩個方向是不同的。隨著荷載的增加，裂縫沿越來越發散的方向逐漸開展，而這一系列裂縫的方向，可以看作是“旋轉”的。因此，這三種桁架模型被歸類為轉角理論。考慮了轉角的軟化衍架模型則被稱為“轉角軟化衍架模型”。

　　轉角理論的三種模型有一個共同的弱點，即它們不能描述所謂“混凝土的貢獻”。試驗己表明，薄膜元的抗剪強度由兩部分組成：屬于鋼筋的主要部分和屬于混凝土的次要部分。由于剪應力中屬于混凝土的貢獻是顯然的。于是，為了考慮“混凝土的貢獻”，Pang和Hsu在1996建立了一種“定角軟化桁架模型”，這一桁架模型對于轉角33范圍之內和超出的受扭破壞也是適用的。這種模型滿足二維應力平衡條件、莫爾應變協調條件和混凝土的雙軸軟化本構關系。它不僅能預估薄膜元的強度，而且能表達荷載一變形關系的全過程。

　　8.小結

　　本文對國內外有關混凝土構件復合受扭模型的研究概況作了一定的了解，扭轉效應是引起建筑物地震破壞的重要因素之一，因而扭轉問題一直是結構抗震領域研究的重要課題。由于結構地震反應的平一扭藕聯振動是三維空間動力反應問題，結構試驗研究受到試驗規模和數量的限制，因而主要是依靠結構動力分析手段對其進行計算機模擬分析研究。對于不規則結構，我國目前事實上只能做到一階段設計，我國現行規范中有關抗扭設計的方法在設防地震和罕遇地震作用下的效果到底如何，有待通過三維非線性地震反應模擬給出一些定量的分析，可見存在較大的研究空間。

　　參考文獻

　　1 黃明,陳穎輝.復合受力狀態下混凝土構件的破壞[J].工業建筑.2006,36(增刊):212-234.

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