钢筋混凝土构件受扭计算模型研究进展[论文]
论文摘要：本文就钢筋混凝土构件复合受扭的国内外相关研究概况作了一定的汇总，主要介绍了钢筋混凝土受扭构件的计算模型。
![钢筋混凝土构件受扭计算模型研究进展[论文]](https://p.9136.com/1q/l/c2dbcec401.jpg)
论文关键词：钢筋混凝土,计算模型,受扭
自上世纪初，国外对钢筋砼构件的受扭性能的进行了大量的研究，尤其是六七十年代，受力情况从简单到复杂分别进行了探索，对钢筋混凝土构件在纯扭、弯扭、压扭、弯剪扭作用下的破坏形态、受力机理、刚度、抗扭强度以及相关方程、延性等性能进行了深入的探讨，并取得了相当的研究成果。现将各种计算理论和计算公式简要归纳如下。
1.Rausch空间析架计算模型
用桁架比拟钢筋混凝土构件开裂后的工作机理，最早是由Ritter和Morsch提出，应用于受剪切的钢筋混凝土梁。1929年E.Rausch以Bach和Graf的试验为基础，将45斜杆的桁架模型推广应用于已开裂的受扭构件。他将配有纵筋和箍筋的混凝土受扭构件设想为一个中空的管形构件。构件开裂后，管壁混凝土沿45裂缝倾角形成一个螺旋形构件，与纵筋、箍筋组成一个空间桁架，通过管壁是的环向剪力流抵抗外扭矩。
Rausch提出的空间桁架计算模型，将Bredt的薄壁管理论与平面桁架模型巧妙结合，对钢筋混凝土构件抗扭机理，赋予比较清晰的解释，概念清楚，公式简单。这种计算方法，在低配筋时由于忽略混凝土抗扭作用，偏于保守;而在高配筋时，由于过高估计钢筋抗扭能力，偏于不安全。
2.变角空间析架模型
Lampert和Thurlimann于1968年提出变角空间析架模型，并指出混凝土压杆倾角θ可以通过给定的纵筋屈服力和箍筋屈服力的相对大小确定，在设计中通过选用最经济的纵筋箍筋配筋量的体积比来确定。1973年Thurlimann对变角空间桁架作了进一步阐述，并将抗剪、抗扭机理分析统一到一个计算模型上。
试验表明实心矩形截面构件临近破坏时，与同样外廓尺寸、同样材料和同样配筋的空心截面构件的抗扭性能是等效的。因此，变角空间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壳混凝土及其钢筋骨架承担。取不同的隔离体，利用平衡条件，即可求得极限扭矩。
3.JIeccnr斜弯破坏模型
前苏联H.H.Aeccnr基于受扭试验于1959年提出构件斜弯破坏模型。构件在扭矩作用下沿着形成螺旋裂缝的空间截面发生破坏，这种裂缝由与构件纵轴成一定角度的受压区闭合，构成一个空间的拗曲的破坏面。破坏面的受压区视弯扭比、截面形状和配筋方法的不同，可位于构件的侧面、顶面和底面。该计算模型对破坏面中和轴(受压区分界线)取内外力矩平衡进行计算，推导极限抗扭强度计算公式时，考虑的内力有与空间截面受拉区相交的纵筋和箍筋的内力和受压区混凝土压力，并假定混凝土压应力达到极限抗压强度，钢筋拉应力达到屈服强度。1962年，H将破坏面理想化为由三个45斜边所围成的破坏面。
4.Hsu斜弯破坏模型
Hsu于1968年提出一个新的计算模型。将破坏面理想化，假定它与梁的宽面垂直，并与梁纵轴成45倾斜，破坏面不与箍筋短肢相交，将短肢承担的抗扭强度予以忽略，以适应所观察到的箍筋短肢应力较小这一现象。此外，还考虑了混凝土受压区的抗剪强度和纵筋的销栓作用。取位于截面中间高度平行于纵轴的一个轴为扭转轴，可由自由体平衡条件，利用内外扭拒的平衡和y轴方向力的平衡，即可推出极限扭矩。本计算模型考虑了剪压区混凝土抗剪强度所提供的抗扭强度T,Hsu通过试验给出了T值和钢筋的销栓力V，V。
5.Collins斜压力场计算模型
1973年加拿大D.Mitchell和M.P.Collins进一步发展了空间析架计算理论，还将其应用到预应力混凝土结构中。他们基于薄壁箱形空间析架计算模型，不仅考虑静力平衡条件，而且注意到几何变形谐调关系。将1929年Wagner研究金属梁压屈后的剪力计算的斜拉力场理论运用到钢筋混凝土构件受扭计算，给出确定压力场角度的谐调方程，并假定构件受扭开裂后，混凝土不再承受拉力，扭转由一个斜压力场承担。因此，Collins称其计算方法为斜压力场理论。Collins首次提出来受扭钢筋混凝土构件的协调条件，其推导的协调条件可以用来确定混凝土斜杆的倾角，平均应变条件满足莫尔协调条件，应用莫尔圆的儿何条件，可以建立三个协调方程，其模型又称为“莫尔协调析架模型”。
Collins试图从混凝土保护层剥落不起作用的假定出发，调整剪力流路线位置，减小混凝土核心面积，以改进古典空间桁架理论过高估计抗扭强度的缺陷。
6.Hsu考虑混凝土软化的斜压力场计算模型
自从1972年Robinson-Demorieux和1981年Vecchio-Collins研究了受剪作用开裂后的混凝土应力应变关系后，混凝土的软化性质引起了工程界极大兴趣和重视。对剪切和扭转问题的认识有了一个根本性的突破。Hsu认为如果考虑到混凝土的软化效应，就能够较准确的估算抗扭强度和整个加荷过程中的变形，为此他将混凝土软化的特性引入到斜压力场计算模式中，并给出防止超筋、少筋和混凝土保护层剥落的`一系列规定，从而形成一种新的计算模式。又称“软化析架模型”。美国ACI318-95规范和加拿大CSAA23.3-94规范中对抗扭构件计算的有关规定均是建立在薄壁管理论和空间析架理论的基础上。
研究结果表明，在构件开裂以前，斜弯理论能够较好的估计构件的抗扭性能，而在构件开裂以后，变角空间析架理论能够为钢筋混凝土构件的抗剪及抗扭计算提供清晰的概念，并且变角空间析架理论用于计算扭矩影响较大、含钢量较多的构件较为稳妥;而斜弯破坏计算模型用于扭矩影响较小的构件较为合适。由于对混凝土软化的深入研究，目前对混凝土抗扭机理的分析有统一采用变角空间桁架理论的趋势。
7.薄膜元析架模型
以上三种衍架模型(平衡桁架模型、莫尔协调析架模型和软化精架模型)都涉及到开裂角的基本假定，它不是由试验精确确定的。这些理论假定薄膜元中裂缝的方向与开裂后混凝土主应力或主应变的方向相重合。实际上，第一条裂缝的方向由开裂前主应力的方向确定。一般说来，这两个方向是不同的。随着荷载的增加，裂缝沿越来越发散的方向逐渐开展，而这一系列裂缝的方向，可以看作是“旋转”的。因此，这三种桁架模型被归类为转角理论。考虑了转角的软化衍架模型则被称为“转角软化衍架模型”。
转角理论的三种模型有一个共同的弱点，即它们不能描述所谓“混凝土的贡献”。试验己表明，薄膜元的抗剪强度由两部分组成：属于钢筋的主要部分和属于混凝土的次要部分。由于剪应力中属于混凝土的贡献是显然的。于是，为了考虑“混凝土的贡献”，Pang和Hsu在1996建立了一种“定角软化桁架模型”，这一桁架模型对于转角33范围之内和超出的受扭破坏也是适用的。这种模型满足二维应力平衡条件、莫尔应变协调条件和混凝土的双轴软化本构关系。它不仅能预估薄膜元的强度，而且能表达荷载一变形关系的全过程。
8.小结
本文对国内外有关混凝土构件复合受扭模型的研究概况作了一定的了解，扭转效应是引起建筑物地震破坏的重要因素之一，因而扭转问题一直是结构抗震领域研究的重要课题。由于结构地震反应的平一扭藕联振动是三维空间动力反应问题，结构试验研究受到试验规模和数量的限制，因而主要是依靠结构动力分析手段对其进行计算机模拟分析研究。对于不规则结构，我国目前事实上只能做到一阶段设计，我国现行规范中有关抗扭设计的方法在设防地震和罕遇地震作用下的效果到底如何，有待通过三维非线性地震反应模拟给出一些定量的分析，可见存在较大的研究空间。
参考文献
1 黄明,陈颖辉.复合受力状态下混凝土构件的破坏[J].工业建筑.2006,36(增刊):212-234.
2 殷芝霖,张誉,王振东.抗扭[M].北京:中国铁道出版社,1990.
3 刘步章.钢筋混凝土纯扭和剪扭构件全过程分析[D].天津:天津大学硕士论文,1991.
4 刘继明:钢筋混凝土复合受力构件受扭行为和设计方法的研究[D].西安:西安建筑建筑科技大学硕士论文,2004.
【钢筋混凝土构件受扭计算模型研究进展[论文]】相关文章：
1.钢筋混凝土论文
4.关于扭痧的散文