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第7章 钢筋混凝土受扭构件承载力计算（第1页）

　　钢筋混凝土结构构件，除承受弯矩、轴力、剪力外，还可能受到扭矩的作用。如当荷载作用平面偏离构件主轴线使截面产生转角时，构件就受扭［图7-1（a）］。工程中，钢筋混凝土结构构件的扭转可分两类：一类是由荷载直接引起的扭转，其扭矩可利用静力平衡条件求得，与构件的抗扭刚度无关，一般称之为平衡扭转，如图7-1（b）中的吊车梁和图7-1（f）中的阳台梁等即属这类构件；另一类是超静定结构中由于变形的协调使构件产生的扭转，其扭矩需根据静力平衡条件和变形协调条件求得，称为协调扭转或附加扭转。协调扭转与构件所受的扭矩及连接处构件各自的抗扭刚度有关。如图7-1（c）和图7-1（d）中的现浇框架边梁，由于次梁梁端的弯曲转动使得边梁产生扭转，截面产生扭矩。但在边梁受扭开裂后［图7-1（e）］，其抗扭刚度迅速降低，出现内力重分布，从而使所受到的扭矩也随之减小。

　　图7-1受扭构件实例

　　本章介绍的受扭承载力计算公式主要是针对平衡扭转的，至于协调扭转的承载力计算可参见有关规范[1]。

　　实际工程中，受扭构件通常还同时受到弯矩和剪力的作用［图7-1（f）］。因此，受扭构件承载力的计算问题，实质上是一个弯、剪、扭（有时还受压）的复合受力计算问题。为便于分析，本章首先介绍纯受扭构件的承载力计算，然后介绍弯、剪、扭作用下的承载力计算。

　　7。1钢筋混凝土受扭构件的破坏形态及开裂扭矩

　　7。1。1矩形截面纯扭构件的破坏形态

　　由材料力学可知，构件在扭转时截面上将产生剪应力t。由于扭转剪应力t的作用，使其在与构件轴线成45°方向产生主拉应力σtp，根据应力的平衡可知：扭矩在构件中引起的主拉应力其数值与剪应力相等，即σtp=t，而方向相差45°。当主拉应力σtp超过混凝土的轴心抗拉强度ft时，混凝土就会沿垂直主拉应力的方向开裂。构件的裂缝方向总是与构件轴线成45°的角度（图7-2）。

　　图7-2纯扭构件斜裂缝

　　因此，从受力合理的角度来看，抗扭钢筋应采用与构件纵轴成45°角的螺旋箍筋。但这会给施工带来诸多不便，特别当扭矩方向改变时，45°方向布置的螺旋箍筋要相应改变方向。所以，实际工程中一般采用垂直于构件纵轴的抗扭箍筋和沿截面周边布置的抗扭纵向钢筋组成的空间钢筋骨架来承担扭矩。

　　钢筋混凝土构件的受扭破坏形态主要与配筋量的多少有关。

　　1。少筋破坏

　　当抗扭钢筋配置过少或配筋间距过大时，破坏形态如图7-3（a）所示。构件在扭矩作用下，首先在剪应力最大的截面长边中点附近最薄弱处出现一条与构件纵轴成大约45°方向的斜裂缝。构件一旦开裂，裂缝迅速向相邻两侧面呈螺旋形延伸，形成三面开裂、一面受压（压区很小）的空间扭曲裂面而破坏，它的受扭承载力控制于混凝土抗拉强度及截面尺寸，破坏扭矩基本上等于开裂扭矩（图7-4曲线1）。破坏时与斜裂缝相交的钢筋超过屈服点甚至被拉断，构件截面的扭转角较小，破坏过程急速而突然，无任何预兆，属于脆性破坏，在设计中应予避免。规范通过满足受扭钢筋的最小配筋率和构造等要求来防止发生此类少筋破坏。

　　图7-3受扭破坏形态

　　2。适筋破坏

　　当构件的受扭钢筋配置适量时，破坏形态如图7-3（b）所示。在扭矩作用下，出现第一条裂缝后抗扭钢筋就发挥作用，使构件在破坏前形成多条大体平行的螺旋形裂缝。当通过主斜裂缝的抗扭纵筋和抗扭箍筋达到屈服强度后，这条斜裂缝不断开展，并向相邻的两个面延伸，直到最后形成三面开裂一边受压的空间扭曲面。随着第四个面上的受压区混凝土被压碎，构件随之破坏，它的受扭承载力比少筋构件有很大提高（图7-4中曲线2）。整个破坏过程具有一定的延性和明显的预兆，破坏时，扭转角较大。钢筋混凝土受扭构件的承载力计算以该种破坏为依据。

　　图7-4扭矩—扭转角关系曲线

　　1—抗扭钢筋过少；2—抗扭钢筋适量；3—抗扭钢筋过多

　　3。超筋破坏

　　当构件的受扭纵筋和受扭箍筋配置过多时，破坏形态如图7-3（c）所示。在扭矩作用下，构件上出现许多宽度小、间距密的螺旋裂缝，由于受扭钢筋配置过多，在纵筋和箍筋尚未屈服时，某相邻两条螺旋裂缝间的混凝土被压碎而破坏，它的受扭承载力取决于混凝土抗压强度及截面尺寸。破坏时扭转角也较小（图7-4曲线3），属于无预兆的脆性破坏，在设计中也应予以避免。规范通过控制构件截面尺寸不过小和混凝土强度等级不过低，也就是通过限制受扭钢筋的最大配筋率来防止发生超筋破坏。

　　抗扭钢筋是由纵筋和箍筋两部分组成的，若两者用量比例不当，会使混凝土压碎时，箍筋与纵筋两者之一尚不屈服，这种破坏称为部分超筋破坏。抗扭纵筋和抗扭箍筋均未屈服的破坏又称完全超筋破坏。

　　7。1。2矩形截面构件在弯、剪、扭共同作用下的破坏形态

　　钢筋混凝土弯剪扭构件是指同时承受弯矩、剪力和扭矩的构件。试验表明，随着弯矩、剪力、扭矩的比值不同和配筋的不同，其破坏有以下三种典型破坏形态，其破坏面均为螺旋形空间扭曲面，如图7-5所示。

　　图7-5弯剪扭构件的破坏形态及破坏类型

　　（a）弯型破坏；（b）扭型破坏；（c）剪扭型破坏

　　1。弯型破坏

　　当剪力很小、扭矩不大、弯矩相对较大，且配筋量适中时，构件的破坏由弯矩起控制作用，称为弯型破坏。弯矩作用使构件顶部受压，底部受拉，因此，扭转斜裂缝首先在弯曲受拉的底面出现，然后发展到两个侧面，弯曲受压的顶面一般无裂缝。由于底部的裂缝开展较大，当底部钢筋达到屈服强度时，裂缝迅速发展，与螺旋形主裂缝相交的纵筋和箍筋也相继达到屈服，最后顶面混凝土被压碎而破坏，如图7-5（a）所示。

　　当底部钢筋多于顶部钢筋很多或混凝土强度过低时，会发生顶部混凝土先压碎的破坏，这种破坏也称为弯型破坏。

　　2。扭型破坏

　　当剪力较小，弯矩不大，扭矩相对较大时，且顶部钢筋少于底部钢筋时，构件的破坏由扭矩起控制作用，称为扭型破坏。由于弯矩不大，其在构件顶部引起的压应力也较小，使得扭矩产生的顶部拉应力有可能抵消弯矩产生的压应力，使得顶面和两侧面发生扭转裂缝。又由于顶部钢筋少于底部钢筋，使顶部钢筋先达到屈服强度，最后促使底部混凝土被压碎而破坏，如图7-5（b）所示。

　　3。剪扭型破坏

　　当弯矩很小，剪力和扭矩比较大时，构件的破坏由剪力和扭矩起控制作用，称为剪扭型破坏。此时，剪力与扭矩均引起剪应力。这两种剪应力叠加的结果，使得截面一侧的剪应力增大，而另一侧的剪应力减小。裂缝首先在剪应力较大的侧面出现，然后向顶面和底面延伸扩展，而另一侧面则受压。当截面顶部和底部配置的纵筋较多，而箍筋及侧面纵筋配置较少时，该侧面的纵筋（抗扭）和箍筋（抗扭、抗剪）首先屈服，然后另一侧面的受压混凝土被压碎而破坏，如图7-5（c）所示。若截面的高宽比较大，侧面的抗扭纵筋和箍筋数量较少时，即使无剪力作用，破坏也可能由扭矩作用引起一侧面的钢筋先屈服，另一侧面混凝土压碎。