鋼筋混凝土構(gòu)件受扭計算模型研究進(jìn)展[論文]
論文摘要：本文就鋼筋混凝土構(gòu)件復(fù)合受扭的國內(nèi)外相關(guān)研究概況作了一定的匯總，主要介紹了鋼筋混凝土受扭構(gòu)件的計算模型。
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論文關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土,計算模型,受扭
自上世紀(jì)初，國外對鋼筋砼構(gòu)件的受扭性能的進(jìn)行了大量的研究，尤其是六七十年代，受力情況從簡單到復(fù)雜分別進(jìn)行了探索，對鋼筋混凝土構(gòu)件在純扭、彎扭、壓扭、彎剪扭作用下的破壞形態(tài)、受力機理、剛度、抗扭強度以及相關(guān)方程、延性等性能進(jìn)行了深入的探討，并取得了相當(dāng)?shù)难芯砍晒，F(xiàn)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(gòu)件開裂后的工作機理，最早是由Ritter和Morsch提出，應(yīng)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(chǔ)，將45斜桿的桁架模型推廣應(yīng)用于已開裂的受扭構(gòu)件。他將配有縱筋和箍筋的混凝土受扭構(gòu)件設(shè)想為一個中空的管形構(gòu)件。構(gòu)件開裂后，管壁混凝土沿45裂縫傾角形成一個螺旋形構(gòu)件，與縱筋、箍筋組成一個空間桁架，通過管壁是的環(huán)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(jié)合，對鋼筋混凝土構(gòu)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(shè)計中通過選用最經(jīng)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(jìn)一步闡述，并將抗剪、抗扭機理分析統(tǒng)一到一個計算模型上。
試驗表明實心矩形截面構(gòu)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(gòu)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(dān)。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(lián)H.H.Aeccnr基于受扭試驗于1959年提出構(gòu)件斜彎破壞模型。構(gòu)件在扭矩作用下沿著形成螺旋裂縫的空間截面發(fā)生破壞，這種裂縫由與構(gòu)件縱軸成一定角度的受壓區(qū)閉合，構(gòu)成一個空間的拗曲的破壞面。破壞面的受壓區(qū)視彎扭比、截面形狀和配筋方法的不同，可位于構(gòu)件的側(cè)面、頂面和底面。該計算模型對破壞面中和軸(受壓區(qū)分界線)取內(nèi)外力矩平衡進(jìn)行計算，推導(dǎo)極限抗扭強度計算公式時，考慮的內(nèi)力有與空間截面受拉區(qū)相交的縱筋和箍筋的內(nèi)力和受壓區(qū)混凝土壓力，并假定混凝土壓應(yīng)力達(dá)到極限抗壓強度，鋼筋拉應(yīng)力達(dá)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(dān)的抗扭強度予以忽略，以適應(yīng)所觀察到的箍筋短肢應(yīng)力較小這一現(xiàn)象。此外，還考慮了混凝土受壓區(qū)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(zhuǎn)軸，可由自由體平衡條件，利用內(nèi)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(qū)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(jìn)一步發(fā)展了空間析架計算理論，還將其應(yīng)用到預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)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(diào)關(guān)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(gòu)件受扭計算，給出確定壓力場角度的諧調(diào)方程，并假定構(gòu)件受扭開裂后，混凝土不再承受拉力，扭轉(zhuǎn)由一個斜壓力場承擔(dān)。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(gòu)件的協(xié)調(diào)條件，其推導(dǎo)的協(xié)調(diào)條件可以用來確定混凝土斜桿的傾角，平均應(yīng)變條件滿足莫爾協(xié)調(diào)條件，應(yīng)用莫爾圓的兒何條件，可以建立三個協(xié)調(diào)方程，其模型又稱為“莫爾協(xié)調(diào)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(fā)，調(diào)整剪力流路線位置，減小混凝土核心面積，以改進(jìn)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系后，混凝土的軟化性質(zhì)引起了工程界極大興趣和重視。對剪切和扭轉(zhuǎn)問題的認(rèn)識有了一個根本性的突破。Hsu認(rèn)為如果考慮到混凝土的軟化效應(yīng)，就能夠較準(zhǔn)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(guī)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(guī)范和加拿大CSAA23.3-94規(guī)范中對抗扭構(gòu)件計算的有關(guān)規(guī)定均是建立在薄壁管理論和空間析架理論的基礎(chǔ)上。
研究結(jié)果表明，在構(gòu)件開裂以前，斜彎理論能夠較好的估計構(gòu)件的抗扭性能，而在構(gòu)件開裂以后，變角空間析架理論能夠為鋼筋混凝土構(gòu)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(gòu)件較為穩(wěn)妥;而斜彎破壞計算模型用于扭矩影響較小的構(gòu)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(tǒng)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(xié)調(diào)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(yīng)力或主應(yīng)變的方向相重合。實際上，第一條裂縫的方向由開裂前主應(yīng)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(fā)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(zhuǎn)”的。因此，這三種桁架模型被歸類為轉(zhuǎn)角理論�？紤]了轉(zhuǎn)角的軟化衍架模型則被稱為“轉(zhuǎn)角軟化衍架模型”。
轉(zhuǎn)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(xiàn)”。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(yīng)力中屬于混凝土的貢獻(xiàn)是顯然的。于是，為了考慮“混凝土的貢獻(xiàn)”，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(zhuǎn)角33范圍之內(nèi)和超出的受扭破壞也是適用的。這種模型滿足二維應(yīng)力平衡條件、莫爾應(yīng)變協(xié)調(diào)條件和混凝土的雙軸軟化本構(gòu)關(guān)系。它不僅能預(yù)估薄膜元的強度，而且能表達(dá)荷載一變形關(guān)系的全過程。
8.小結(jié)
本文對國內(nèi)外有關(guān)混凝土構(gòu)件復(fù)合受扭模型的研究概況作了一定的了解，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是引起建筑物地震破壞的重要因素之一，因而扭轉(zhuǎn)問題一直是結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域研究的重要課題。由于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的平一扭藕聯(lián)振動是三維空間動力反應(yīng)問題，結(jié)構(gòu)試驗研究受到試驗規(guī)模和數(shù)量的限制，因而主要是依靠結(jié)構(gòu)動力分析手段對其進(jìn)行計算機模擬分析研究。對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，我國目前事實上只能做到一階段設(shè)計，我國現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)抗扭設(shè)計的方法在設(shè)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(yīng)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(xiàn)
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