第8章 受扭构件截面承载力计算.ppt
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1、第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院第第8章章 受扭构件的扭曲受扭构件的扭曲截面承载力截面承载力第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院本章重点本章重点了解受扭构件的分类和受扭构件开裂、了解受扭构件的分类和受扭构件开裂、破坏过程破坏过程;掌握受扭构件的设计计算方法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。熟悉钢筋混凝土受扭构件的构造要求。第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南
2、工业大学土木建筑学院8.1 8.1 8.1 8.1 概述概述概述概述土木工程受扭构件的特点:一般均为弯、剪、扭构件土木工程受扭构件的特点:一般均为弯、剪、扭构件。两类受扭构件:两类受扭构件:平衡扭转平衡扭转和和约束扭转约束扭转 构件中的扭矩可以直接由荷载静力平衡求出,与构件刚度构件中的扭矩可以直接由荷载静力平衡求出,与构件刚度无关,如图所示支承悬臂板的梁、偏心荷载作用下的梁(吊无关,如图所示支承悬臂板的梁、偏心荷载作用下的梁(吊车梁),称为车梁),称为平衡扭转平衡扭转。对于平衡扭转,受扭构件必须提供足够的抗扭承载力,否对于平衡扭转,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
3、起破坏则不能与作用扭矩相平衡而引起破坏。第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院 在超静定结构中,由变形在超静定结构中,由变形协调使截面产生的扭转称协调使截面产生的扭转称协调协调扭转扭转(扭矩是由相邻构件的变(扭矩是由相邻构件的变形受到约束而产生的)形受到约束而产生的)。对于约束扭转,由于受扭对于约束扭转,由于受扭构件在受力过程中的非线性性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质,扭矩大小与构件受力阶段的刚度比有关,不是定值,需的刚度比有关,不是定值,需要考虑内力重分布进行扭矩计要考虑内力重分布进行扭矩计算。
4、算。第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院8.8.8.8.2 2 2 2 纯扭构件的试验研究纯扭构件的试验研究纯扭构件的试验研究纯扭构件的试验研究裂缝出现前,钢筋混凝土纯扭构件的受力性能,符合圣维南弹性扭转理论。图8-2所示为理论计算曲线与试验曲线的对比关系。扭矩T(kNm)Tcr扭转角(deg/m)图8-2开裂前性能8.2.18.2.1 裂缝出现前的性能裂缝出现前的性能第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院8.2.2 8.2.2 裂缝出现后的性能
5、裂缝出现后的性能裂缝(矩形截面发矩形截面发生在截面长边中点生在截面长边中点)出现后,构件截面的扭转刚度降低,受扭钢筋用量越少,构件截面的扭转刚度降低越多。图8-5纯扭构件开裂后性能箍筋拉应变扭矩T(kNm)TuTcr第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院 按照配筋率的不同,受扭构件的破坏形态也可分为按照配筋率的不同,受扭构件的破坏形态也可分为适筋破坏适筋破坏、少筋破坏少筋破坏和和超筋破坏超筋破坏。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,
6、然后混凝土压坏,与受弯适筋梁的破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。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,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。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当箍筋和纵筋配置都过大时,则会
7、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,当两者配筋量或强度相差过大时,受扭纵筋两部分钢筋组成,当两者配筋量或强度相差过大时,还会出现一个未达到屈服、另一个达到屈服的还会出现一个未达到屈服、另一个达到屈服的部分超筋破坏部分超筋破坏情情况。这种破坏的延性比完全超筋要大一些,但小于适筋构件。况。这种破坏的延性比完全超筋要大一些,但小于适筋构件。第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承
8、载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院配筋强度比配筋强度比z 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强度比z z 有关。有关。配筋强度比配筋强度比z z 定义为纵筋与箍筋的体积比和强度定义为纵筋与箍筋的体积比和强度比的乘积,即,比的乘积,即,试验表明,当试验表明,当0.5z z 2.0范围范围时,受扭破坏时纵筋和箍筋基时,受扭破坏时纵筋和箍筋基本上都能达到屈服强度。但由本上都
9、能达到屈服强度。但由于配筋量的差别,屈服的次序于配筋量的差别,屈服的次序是有先后的。是有先后的。规范规范建议取建议取0.6z z 1.7,通常设计中取,通常设计中取z z=1.01.3。第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院8.8.8.8.3 3 3 3 纯扭构件的扭曲截面承载力纯扭构件的扭曲截面承载力纯扭构件的扭曲截面承载力纯扭构件的扭曲截面承载力8.3.18.3.1 开裂扭矩的计算开裂扭矩的计算一、开裂前的应力状态一、开裂前的应力状态裂缝出现前,钢筋混凝土纯裂缝出现前,钢筋混凝土纯扭构件的受力与弹性扭转理扭构件的受力
10、与弹性扭转理论基本吻合。由于开裂前受论基本吻合。由于开裂前受扭钢筋的应力很低,分析时扭钢筋的应力很低,分析时可忽略钢筋的影响。矩形截可忽略钢筋的影响。矩形截面受扭构件在扭矩面受扭构件在扭矩T作用下作用下截面上的剪应力分布情况,截面上的剪应力分布情况,最大剪应力最大剪应力t tmax发生在截面发生在截面长边中点长边中点第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院由材料力学知,构件侧面产生主拉应力由材料力学知,构件侧面产生主拉应力s stp和主压应力和主压应力s scp,s stp=s scp=t tmax。主拉应力和主压应力迹线
11、沿构件表面成螺旋型。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的抗拉强度时,在构件中某个薄弱部当主拉应力达到混凝土的抗拉强度时,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,构件,开裂会迅速导致构件破坏,破坏面呈一空间扭曲曲面破坏面呈一空间扭曲曲面。第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院二、开裂扭矩二、开裂扭矩按弹性理论按弹性理论,当主拉,当主拉应力应力s stp=t tmax=ft时时按塑性理论
12、按塑性理论,对理想弹塑性材料,截,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,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。达到极限强度,才达到极限承载力。此时截面上的剪应力分此时截面上的剪应力分布如图所示分为四个区,布如图所示分为四个区,取极限剪应力为取极限剪应力为ft,分别,分别计算各区合力及其对截计算各区合力及其对截面形心的力偶之和,可面形心的力偶之和,可求得求得塑性总极限扭矩为塑性总极限扭矩为,第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承
13、载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院 混凝土材料既非完全弹性,也不是理想弹塑性,而是介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,力分布介于弹性和理想弹塑性之间,因此开裂扭矩也是介因此开裂扭矩也是介于于Tcr,e和和Tcr,p之间之间。为简便实用,可按塑性应力分布计算,。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。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,根据
14、实验结果,规范规范为偏于安全起见,取为偏于安全起见,取0.7。于是,。于是,开裂扭矩的计算公式为,开裂扭矩的计算公式为,截面受扭塑性抵抗矩截面受扭塑性抵抗矩第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院8.3.28.3.2 扭曲截面受扭承载力的计算扭曲截面受扭承载力的计算受扭钢筋的配筋形式最理想的配筋方式是在靠近表面处设置呈45走向的螺旋形钢筋,因此,分解为竖向(箍筋)和水平(纵筋)组成抗扭骨架。抗扭骨架受扭要配抗扭钢筋开裂形成大约45方向的螺旋式裂缝选用变角度空间桁架模型施工不便反向扭矩失效但第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面
15、承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院变角度空间桁架模型第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院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。第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院对比试验表明,在其他参数均相同的情况下,钢筋混凝土实心对比试验表明,
16、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。截面与空心截面构件的极限受扭承载力基本相同。开裂后的箱形截面受扭构件,其受力可开裂后的箱形截面受扭构件,其受力可比拟成空间桁架比拟成空间桁架:纵筋: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。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。第第8 8章章 受扭构件的扭曲截面承载力受扭构件的扭曲截面承载力河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院 设达到极限扭矩时混凝土斜压杆与设达到极限扭矩时混凝土斜压杆与构件轴线的夹角为构件轴线的夹角为f f,斜压杆的压应,斜压杆的压应力为力为s
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