钢筋混凝土受扭构件简介

钢筋混凝土受扭构件简介
5.1受力特点与配筋构造
5.1.1受扭构件受力特点
凡是在构件截面中有扭矩作用的构件，都称为受扭构件。

扭转是构件受力的基本形式之一，也钢筋混凝土结构中常见的构件形式，例如钢筋混凝土雨篷、平面曲梁或折梁、现浇框架边梁、吊车梁、螺旋楼梯等结构构件都是受扭构件（图5.1.1）。

受扭构件根据截面上存在的内力情况可分为纯扭、剪扭、弯扭、弯剪扭等多种受力情况。

在实际工程中，纯扭、剪扭、弯扭的受力情况较少，弯剪扭的受力情况则较普遍。

钢筋混凝土结构中的受扭构件大都是矩形截面。

图 5.1.1常见受扭构件示例
（a）雨篷梁；（b）平面折梁；（c）框架边梁；（d）吊车梁
1.素混凝土纯扭构件
构件在扭矩作用下主要产生剪应力。

匀质弹性材料矩形截面在扭矩的作用下（图5.4），截面中各点都将产生剪应力τ（图5. 1.2a）。

剪应力分布规律如图5.5a 所示，最大剪应力发生在截面长边中点，与该点剪应力作用相对应的主拉应力σtp 和主压应力分别与构件轴线成45°角，其大小为==τmax。

当主拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土将首先在截面长边中点处，垂直于主拉应力方向开裂。

所以，在纯扭构件中，构件裂缝与轴线成45°角。

图 5.1.2纯扭构件的弹性应力分布
对于理想弹塑性材料而言，截面上某点的应力达到强度极限时并不立即破坏，该点能保持极限应力不变而继续变形，整个截面仍能继续承受荷载，直到截面上各点的应力达到τmax= f t时，构件才达到极限抗扭能力。

素混凝土既非完全弹性，又非理想塑性，是介于两者之间的弹塑性材料，因而受扭时的极限应力分布将介于上述两种情况之间。

为计算方便起见，取素混凝土构件的受扭承载力即开裂扭矩为
T cr=0.7f t W t（ 5.1.1）
式中f t―混凝土抗拉强度设计值；
W t―受扭构件的截面抗扭塑性抵抗矩。

对矩形截面W t=b2(3h - b) / 6。

2.钢筋混凝土纯扭构件
试验表明，配置受扭钢筋对提高受扭构件抗裂性能
的作用不大，当混凝土开裂后，可由钢筋继续承担
拉力，因而能使构件的受扭承载力大大提高。

如前
所述，扭矩在匀质弹性材料构件中引起的主拉应力
方向与构件轴线成45°。

因此，最合理的配筋方式
是在构件靠近表面处设置呈45°走向的螺旋形钢
筋。

但这种配筋方式不便于施工，且当扭矩改变方
向后则将完全失去效用。

在实际工程中，一般是采
用由靠近构件表面设置的横向箍筋和沿构件周边均
匀对称布置的纵向钢筋共同组成的抗扭钢筋骨架(图 5.1.3)。

它恰好与构件中受弯钢筋和受剪钢筋的配置方向相协调。

图 5.1.3 受扭构件的受力性能
(a)抗扭钢筋骨架；(b)受扭构件的裂缝；(c)受扭构件的空间桁架模型
配置了适量受扭钢筋的构件，在裂缝出现以后不会立即破坏。

随着外扭矩的不断增大，在构件表面逐渐形成多条大致沿45°方向呈螺旋形发展的裂缝(图 5.1.3 b)。

在裂缝处，原来由混凝土承担的主拉应力主要改由与裂缝相交的钢筋来承担。

多条螺旋形裂缝形成后的钢筋混凝土构件可以看成图5. 1.3c所示的空间桁架，其中纵向钢筋相当于受拉弦杆，箍筋相当于受拉竖向腹杆，而裂缝之间接近构件表面一定厚度的混凝土则形成承担斜向压力的斜腹杆。

随着其中一条裂缝所穿越的纵筋和箍筋达到屈服时，该裂缝不断加宽，直到最后形成三面开裂一边受压的空间扭曲破坏面，进而受压边混凝土被压碎，构件破坏（图5.1.4）。

整个破坏过程具有一定延性和较明显的预兆，类似受弯构件适筋破坏。

当受扭箍筋和纵筋配置过少时，构件的受扭承载力与素混凝土没有实质差别，破坏过程迅速而突然，类似于受弯构件的少筋破坏，称为少筋受扭构件。

如果箍筋和纵筋配置过多，钢筋未达到屈服强度，构件即由于斜裂缝间混凝土被压碎而破坏，这种破坏与受弯构件的超筋梁类似，称为超筋受扭构件。

少筋受扭构件和超筋受扭构件均属脆性破坏，设计中应予避免。

需要注意的是，由于受扭钢筋是由纵筋和箍筋两部分组成，两种配筋的比例对破坏强度也有影响。

当其中某一种钢筋配置过多时，会使这种钢筋在构件破坏时不能达到屈服强度，这种构件称为部分超筋构件。

部分超筋构件的延性比适筋构件差，且不经济。

3.钢筋混凝土弯、剪、扭构件
当构件处于弯、剪、扭共同作用的复合应力状态时，其受力情况比较复杂。

试验表明，扭矩与弯矩或剪力同时作用于构件时，一种承载力会因另一种内力的存在而降低，例如受弯承载力会因扭矩的存在而降低，受剪承载力也会因扭矩的存在而降低，反之亦然，这种现象称为承载力之间的相关性。

弯扭相关性，是因为扭矩的作用使纵筋产生拉应力，加重了受弯构件纵向受拉钢筋的负担，使其应力提前达到屈服，因而降低了受弯承载能力。

剪扭相关性，则是因为两者的剪应力在构件一个侧面上是叠加的。

图 5.1.5、图5.1.6分别为弯
扭和剪扭承载力相关曲线。

图中表示弯矩为零时纯扭构件的受扭承载力，
表示扭矩为零时构件的受弯承载力，表示剪力为零时构件混凝土的受扭承载
力，表示扭矩为零时构件混凝土的受剪承载力。

图 5.1.5弯扭承载力相关曲线图5.1.6有腹筋构件剪扭承载力相关曲
线
弯剪扭复合受扭构件由于其三种内力的比值及配筋情况的不同影响，有三种典型的破坏形态。

（1）弯型破坏。

当剪力很小、弯
矩和扭矩的比值较大，底部钢筋多
于顶部钢筋时，构件破坏开始于底
面及两侧的混凝土开裂，底部钢筋
屈服，然后顶部混凝土压碎。

这类
破坏主要因弯矩引起，所以称弯型
破坏（图 5. 1.7a）。

（2）扭型破坏。

当剪力很小，弯
矩和扭矩的比值较大，且上部钢筋
较少时，构件破坏开始于构件顶面
及两侧面的混凝土开裂，顶部钢筋
因受扭而先屈服，最后底部混凝土
压碎。

此类破坏主要因扭矩引起，
所以称为扭型破坏（图 5.1.7b）。

（3）剪扭破坏。

当弯矩很小，剪
力和扭矩较大时，构件破坏开始于截面长边的一侧开裂和该侧的受扭纵筋和受扭、受剪箍筋屈服，最后另一长边压区混凝土压碎。

此类主要因剪力和扭矩引起的破坏称为剪扭破坏（图 5.1.7c）。

此外，若扭矩很小，而弯矩和剪力作用明显时，构件可能发生类是于剪压型的破坏。

5.1.2受扭构件的配筋构造要求
1.受扭纵筋
受扭纵筋应沿构件截面周边均匀对称布置。

矩形截面的四角以及T形和Ι形截面各分块矩形的四角，均必须设置受扭纵筋。

受扭纵筋的间距不应大于 200mm，也不应大于梁截面短边长度（图 5.1.8）。

受扭纵向钢筋的接头和锚固要求均应按受拉钢筋
的相应要求考虑。

架立筋和梁侧构造纵筋也可利
用作为受扭纵筋。

2.受扭箍筋
在受扭构件中，箍筋在整个周长上均承受力。

因
此，受扭箍筋必须做成封闭式，且应沿截面周边
布置，这样可保持构件受力后，箍筋不至于被拉开，可以很好地约束纵向钢筋。

为了能将箍筋的端部锚固在截面的核心部份，当钢筋骨架采用绑扎骨架时，应将箍筋末端弯折135°，弯钩端头平直段长度不应小于10d（d为箍筋直径）。

受扭箍筋的间距s及直径d 均应满足第3章中受弯构件的最大箍筋间距s max及最小箍筋直径的要求。