我国混凝土柱结构的抗扭发展现状及展望

摘要

本文对国内外混凝土柱的抗扭研究进行了介绍，对国内钢筋混凝土、钢管约束混凝土的研究现状和问题进行了总结。关键词钢筋混凝土柱；钢管混凝土柱；抗扭承载力随着世界各国对建筑行业发展的不断重视，建筑行业得到了快速的发展。各国在建筑领域取得的重大突破，高层建筑结构在世界得到越来越多的发展空间。拜中心的哈利法塔，有着“沙漠之花”的美誉，是目前世界上第一高楼。这份殊荣，不仅因为它形态优美的建筑外观，更重要的是哈利法塔对超高层结构设计的突破性设计，哈利法塔建筑高度达到828m，其中混凝土结构高度达到601m，哈利法塔从基础底面（-30m）到601m采用钢筋混凝土剪力墙体系，601-828m采用纯钢结构（其中601-760m采用带斜撑的钢框架结构），这种设计充分发挥了钢结构与混凝土结构两种结构的优势，节约了大量的施工成本，而且解决了超高层钢结构侧向位移大的缺点，数据显示美国纽约世贸中心在412m处的钢结构最大侧向位移可以达到1000mm，相对比之下哈利法塔在601m处的混凝土结构最大侧向位移仅为450mm。超高层建筑的产生除了可以带给国家大量的经济效益，更重要的是它代表一个国家建筑、经济、科技等各方面综合实力的最高水平。在超高层建筑当中，边柱不仅是承受竖向的荷载，往往在横向荷载（风荷载、地震荷载）作用下会导致弯剪扭的复合作用，从20世纪50年代以来，越来越多的学者对如何改善柱的抗扭工作性能进研究。本文对混凝土柱抗扭研究的发展现状进行了总结。1、抗扭计算模型研究对普通钢筋混凝土柱的理论研究，世界上各国的学者提出不同的理论来计算受扭承载力，目前对压扭的承载力计算研究主要采用有斜弯理论、变角桁架空间模型、压力场模型三种计算模型。空间桁架模型是国外学者Rausch在45°桁架模型的基础上建立，他认为混凝土压杆，纵筋和箍筋在节点处衔接组成了空桁架结构。他讲Bredt的薄壁管理论好平面桁架模型巧妙的结合起来，对钢筋混凝土构件的抗扭机理做出了比较科学的解释。他为此做出了三个假设：（1）混凝土只承受压力，忽略其抗剪作用；（2）纵筋和箍筋都只承受拉力，其中纵筋为桁架弦杆，箍筋为腹杆；（3）忽略了核心部分混凝土的受扭主要和钢筋的销栓作用[1]。 上述假定忽略了核心区混凝土的受扭作用，这样原本实心的构件可以作为一个箱型截面构件或者是一薄壁管的构件进行分106析，薄壁管理论认为扭转作用下，沿着箱型截面构建的侧壁会产生大小相同的环向剪力流（如图1），剪力流所引起的内力依靠箍筋的拉力承担。这种假设可以简化计算的过程，但需要注意的是当构件配筋较低时，忽略了混凝土的抗扭承载力，其计算结果偏于安全，当配筋率较高时，过高估计钢筋的抗扭承载力，其计算结果也会偏不安全。 图1 空间桁架理论模型可以假想1968年国外学者P.Lampert和B.Thurlimann在Rausch空间桁架模型[2]的基础上提出了变角度空间桁架模型，大量的研究发现表明构件在扭矩作用下，裂缝充分发展而钢筋应力接近屈服强度时，构件截面核心混凝土无法正常工作，空间桁架模型认为混凝土构件在受扭时，有螺旋形裂缝的混凝土外壳，纵筋和箍筋形成了空间结构形成一箱型截面构件。P.Lampert认为在实心截面的钢筋混凝土部分可以假想为一箱型截面，由螺旋形裂缝的混凝土外壳、纵筋和箍筋共同形成了空间桁架（纵筋为受拉弦杆，箍筋为受拉腹杆，斜裂缝间的混凝土为斜压腹杆抵抗扭矩）。苏联学者H.H.JIeccИг于1959年提出构件斜弯破坏计算模型[3]。他根据弯剪扭共同作用下钢筋混凝土受扭承载力进行了试验研究。他认为在扭矩的作用下，构建在形成的螺旋形裂缝的某一最薄弱的空间曲面发生破坏。这种破坏裂缝与构件纵向呈预定角度的受压区破坏闭合区，这些闭合区在螺旋裂缝处形成空间凹曲破坏面（见图2），当破坏面上的弯矩扭矩比、截面形状、和配箍方式的不同，破坏面可能位于截面的不同部位。斜弯破坏计算模型大健康破坏面的中和轴区内外力矩平衡进行计算，假定混凝土压应力达到极限抗压强度，钢筋受拉屈服。最后一种压力场计算模型是加拿大D.Mitchell和M.P.Collins在变角空间桁架模型[4]的基础上提出。他们在薄壁箱型空间桁架计算DOI：10.16116/j.cnki.jskj.2018.05.045图2 斜弯理论计算模型模型，他们注意到由于几何变形的关系，只是考虑静力平衡的条件计算结果会与工程实际不符，所以他们把金属梁压曲以后的剪力计算理论运用到受扭构件当中，得到了压力场角度的变形协调方程，认为构件在产生裂缝以后开裂部位混凝土立即退出工作而不再承担荷载，斜压力由有效的壁厚（图2阴影部分）来承受且为不均匀分布，在壁厚区域上的压应变在构件表面取到最大，延壁厚深度向内不断减小，传统的空间桁架理论回国搞得估计抗扭的强度，不利于工程实际，Collins的压力场理论则很好的改善了这个缺点。这三种模型都忽略了混凝土的受拉承载力和钢筋的销栓作用，都只是认为混凝土只承受压力而钢筋只承受拉力，斜弯理论和压力场没有采用变角度空间桁架模型忽略核心混凝土的假定。但三种计算模型当中所认为带螺旋裂缝的构件在极限状态下的混凝土和钢筋的受力状态是类似的。2、国内抗扭研究现状20世纪60年代以前抗扭的研究并未在国内引起学者专家重视，在1983年压扭试验小组利用82根混凝土方形柱和13根圆柱构件进行试验研究，这是国内最早针对压扭承载力方面的研究，这次研究结果绘制出混凝土柱的压扭破坏拟合曲线方程，为以后的压扭方面的研究奠定了理论基础，也为规范确定压扭承载力的计算公的模型[4]，该模型采用Rausch提出的空间桁架模型，在当时的研究结果，发现在轴压力作用下的混凝土柱构件的抗扭承载力有所提高。1990年同济大学的张誉、金桓康，天津大学的康谷贻、王士琴分别对31根压扭构件进行试验研究工作。同济大学通过控制一定的轴压力与扭矩的比例，按比例逐级同步施加轴压力和扭矩直至破坏。天津大学的试验按固定的轴压比，先加轴压力然后加扭矩，待开裂后采取控制变形施加扭矩至破坏。两组试验都是控制构件的轴压比以及配箍率进行试验研究。研究结果发现当轴压比小于0.65时，开裂扭矩和极限扭矩随着轴压力的增大而提高。试验结果显示当轴压比超过0.65时构件的破坏就由延性破坏变成脆性破坏[5]。现行规范对混凝土在高轴压比下的轴压对柱抗扭承载力研究认为，当轴压比超过0.7，构件的抗扭承载力会出现降低，破Exchange Platforml坏形式主要表现为脆性破坏。2013年清华大学聂建国通过对8组钢管混凝土压扭的试验研究发现，钢管对混凝土的侧向约束下的纯扭和压扭承载力都有所提高，钢管混凝土在纯扭和压扭作用下的滞回曲线饱满，没有出现“聚拢”现象，证明钢管混凝土耗能能力较强，强度和刚度的退化程度理想[6]。研究发现当柱采用钢管混凝土时，钢管约束混凝土的耗能能力较强，强度和刚度的退化都比钢筋混凝土的抗扭承载力更高，研究证明钢管内壁的巨大摩擦阻力以及开裂混凝土延螺旋破坏面延伸被钢管约束，混凝土在约束作用下的承载力都有所提高，且滞回曲线饱满，研究结果显示钢管中的混凝土在钢管壁端头盖板的约束下裂缝的开展得到了有效的延缓。而且在扭矩作用下开裂的混凝土沿螺旋破坏面螺旋上升，但盖板与管壁对混凝土的摩擦力不断增大的约束使得核心混凝土抗扭承载力持续提高。所以使得钢管混凝土的抗扭承载力要大于钢管和混凝土的抗扭承载力之和。3、目前存在的问题目前国内对抗扭的研究主要针对纯扭作用或者是弯剪扭共同作用下的抗扭承载力研究，但在建筑结构当中柱构件在横向荷载作用下不仅承受弯剪扭荷载，最重要的是柱还是承受竖向荷载的构件，在已有的研究当中，可知适当的轴向力可以提高构件的抗扭承载力。都只是存在理论阶段，而且在结构底部的边柱常常出现“短柱”现象，理论上解决断指现象最有效的方法就是减小柱的截面尺寸，但这会导致柱的轴压比和剪跨比的增大，研究发现当轴压比超高过0.9时，在扭矩作用下的柱会发生脆性破坏，如何在避免“短柱”现象的同时还能将柱的破坏形式进行改善，是我国未来对混凝土柱的抗扭研究主要问题。4、展望国内已经对钢管混凝土或者是型钢混凝土做了大量的研究工作，已经证明钢管混凝土和型钢混凝土可以提高构件的抗扭承载，但国内目前尚未针对高轴压比情况下抗扭工作性能的研究。如果可以改善高轴压比下混凝土延性较差的问题，既可以解决钢筋混凝土结构在底部“短柱”的问题，还能利用轴力的作用提高边柱的抗扭承载力。因此，对混凝土柱的研究还需要大量的人力、物力进行研究。C参考文献：[1]Raush E．Des Collins M P and Mitchell D．Shear and torsion design of prestressed and .Noneprestressed concrete beams[J]．Journal of PCI，Sept／Oct，1980．ign of reinforced concrete in torsion[D]．Berlin：Technische Hoshschule．1929．107交流平台Exchange Platforml拉森钢板桩支护深基坑的施工控制□ 浙江一路建设有限公司 刘志山 □ 湖南省第八工程公司 翦英霞

摘要

在软基地区结构物基坑开挖时，特别是位于河流边缘、河流中及建筑物边缘开挖时，由于土体的物理力学性能很差。当开挖深度≥2m时，如采用常规支护或多级放坡开挖，势必造成工期延长，不能止水，施工成本加大且存在严重的安全隐患或者不能达到施工目的。对于浙江沿海高速公路桥梁基础采用拉森桩支护深基坑的施工，并对其支护的施工稳定性进行了分析。关键词拉森钢板；桩支护；深基坑；施工[σ]=140MPa；[τ]=80MPa。0、引言研究在不能使用常规方法开挖的软弱地基开挖（如流塑性亚粘土、海积相淤泥）、砂土类基坑、水中基坑开挖，以及建筑物边缘不良地基等基坑的开挖情况下，采用拉森钢板桩支护深基坑的施工控制。1、工艺原理（1）基本原理利用打入地基中的拉森桩作竖向支撑，H型钢作基坑内四边围檀腰梁、四角斜支撑及钢管作水平内支撑。由拉森桩及土体的内摩擦力、型钢及钢管的水平支撑承受水平荷载；由拉森桩桩体本身的抵抗弯矩承受外部荷载对拉森桩产生的局部弯矩，由基坑的整体稳定性及基底抗隆起决定拉森桩的入土深度，并保证拉森桩的自身稳定，拉森桩的锁口自锁解决基坑的密封性。根据实例情况，对围堰施工过程中的不同工况以及最不利状态下的拉森桩、内支撑进行分析计算，拉森Ⅳ型钢板桩、型钢能满足施工需要。施工示意图见图1、2。 图1 拉森Ⅳ型钢板桩（2）设计原理根据工程地质及水文特点，结合钢板桩的特性、施工方法等方面进行初步估算，选用拉森Ⅳ型，宽400mm，高170mm，厚15.50mm，76.10kg/m，钢板桩材质为Q295bz，截面特性W=2037cm3，允许应力[σ]=295/1.7=175MPa；钢板桩内支撑及系梁底板支撑系统钢结构材质均为Q235B, 允许应力图2 拉森桩基坑支护剖面图DOI：10.16116/j.cnki.jskj.2018.05.046[2]Lampert P and Thurlimann B．Torsionsversuche an stahlbetonbalken．Bericht No.6506-21968-6.[3]Hsu T T C and Mo Y L．Softening of concrete in torsionl members—theory and tests[J]．Journal of ACI，1985，82(3)：290—303．[4]Collins M P and Mitchell D．Shear and torsion design of prestressed and Noneprestressed concrete 108beams[J]．Journal of PCI，Sept／Oct，1980．[5] 钢筋混凝土矩形截面压扭构件的抗扭能力[J]. 张誉,金桓康,康谷贻,王士琴.同济大学学报(自然科学版). 1991(02).[6] 钢管混凝土柱在纯扭和压扭荷载下的抗震性能研究[J]. 聂建国,王宇航,樊健生.土木工程学报. 2014(01).