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钢筋混凝土构件受扭计算模型研究进展-论文网

时间:1970-01-01  作者:余兴国

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。
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。

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