薄壁理論分析短肢剪力墻扭轉性能的不合理性

宋國用 郭 棣

短肢剪力墻結構體系是近年來出現的新型結構體系，《高層建筑混凝土結構技術規程》［1］規定短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻，墻厚不小于200 mm。國內在短肢剪力墻構件及結構的強度和抗震性能等方面做了大量的研究工作，但是對于短肢剪力墻單個構件抗扭性能的研究及扭矩對整個結構的影響，進行的研究和分析都比較少。近年來，研究扭轉問題的主要理論有:變角桁架理論、斜彎破壞理論、諧應力場理論和薄壁理論，由于短肢剪力墻是介于柱與剪力墻之間，既有柱的特性，也有墻的特性，其扭轉性能較復雜，上述理論分析的合理性都在研究探討階段。本文就以薄壁理論為基礎，從尺寸特征、基本假定和翹曲特性三個方面入手，討論應用薄壁理論分析短肢剪力墻的扭轉性能是否合理。

1 尺寸特點

薄壁構件是指截面厚度較小的直桿(見圖1)，其長度、截面輪廓尺寸(橫截面的最大尺寸，如直徑、高、寬等)和板件的厚度三者屬于不同量級，即有［2］:

《高層建筑混凝土結構技術規程》［1］規定短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻(見圖2)，墻厚不小于200 mm。即有:

可以看出，雖然短肢剪力墻在幾何特征上與薄壁構件具有一定的相似性，但是還是有很大的差別。

2 基本假定

開口截面薄壁構件的兩個基本假定［2］:1)在小變形條件下，桿件截面外形輪廓線在其平面內保持剛性，即不變形;在出平面方向(桿軸方向)可以翹曲。2)桿件中面上的剪應變為零。即認為相交于某點的母線與外輪廓線變形后仍保持為直角。鋼筋混凝土短肢剪力墻在受到約束扭轉時，在垂直桿件截面的方向有不同程度的翹曲，桿件截面不再符合平截面假定。短肢剪力墻T，L截面在受扭后，將發生不規則翹曲，其兩點投影之間的距離將不再與原來的兩點之間的距離相等，即不再是規則的T，L構件，與薄壁構件的不變形假定是不相符的。從以上分析可以得出:兩者在基本假定上存在較大的差別，如果應用薄壁理論分析短肢剪力墻的扭轉，可能會帶來令人不滿意的結果。

3 翹曲特性

由于在實際結構中幾乎不存在自由扭轉，故本文只討論翹曲約束扭轉的特性。翹曲約束扭轉是指在變形時翹曲ω受到約束的扭轉。當薄壁構件發生翹曲約束扭轉時(見圖3)，作為橫斷面力的扭矩Md及翹曲ω都沿z軸方向發生變化。也就是說，在這種情況下，橫斷面的翹曲ω不再只是依賴于x和y，同時也與z值有關。因此在z軸上將產生應變ε及正應力σz，根據力的平衡，在構件截面上將會產生由正應力產生的二次剪應力。從而在構件的橫斷面上作用的剪應力有自由扭轉所產生的剪應力τ和由σz所引起的二次剪應力τz。那么，當薄壁構件發生翹曲約束扭轉時，構件受扭轉時的抵抗力矩Md包括由自由扭轉所引起的抵抗力矩和二次剪應力τz所引起的抵抗力矩M*d。

短肢剪力墻L，T形構件發生翹曲約束扭轉時，縱向也將產生線應變，因此在其橫截面上除了有剪應力外還有正應力。但是在單個構件中，短肢剪力墻的截面高厚比較大，故在短肢剪力墻中由正應力σz引起的二次剪應力τz可以忽略。另外文獻［3］指出，由于翹曲約束扭轉引起的正應力，在一般矩形、T形等構件截面的實體構件中可以忽略不計。即在短肢剪力墻構件受扭時，其抵抗力矩M*僅包括自由扭轉所引起的抵抗力矩。

4 結語

從以上三個方面的分析可知，薄壁構件不論是在構件尺寸、基本假定上，還是在翹曲特性方面，都與短肢剪力墻構件存在著較大的差別，所以應用薄壁理論對短肢剪力墻構件進行扭轉分析存在著較大的局限性。

［1］ JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［2］ 包世華，周 堅.薄壁桿件結構力學［M］.北京:中國建筑工業出版社，1991.

［3］ 殷芝霖，張 譽，王振東.抗扭［M］.北京:中國鐵道部出版社，1990.