國際化課程《混凝土結構設計原理》教學內容與能力考核探討：受扭構件扭曲截面承載力

岳健廣 方華

摘要：國際化課程建設是實現我國工程教育國際化的重要環節，應根據全球經濟發展與國際人才市場的需求，合理確定課程教學內容與能力考核點。由于我國“一帶一路”倡議急需培養大量熟悉國際規則、具有國際視野的土木工程專業人才，作為專業主干課的《混凝土結構設計原理》應體現出不同國家或地區設計規范在應用時的區別，并將“具有一定的國際視野、能夠在跨文化背景下進行溝通和交流”作為能力考核點。文章以“受扭構件扭曲截面承載力”內容為例，分析比較了中國、歐洲、美國設計規范的異同，提出了相應的教學內容和能力考核點。

關鍵詞：國際化課程建設;土木工程;能力考核點;受扭構件;截面承載力

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）42-0199-03

一、教學內容與能力考核點

以“受扭構件扭曲截面承載力”為例，其教學內容包括非預應力混凝土純扭構件的開裂扭矩、純扭構件的扭曲截面承載力、構造要求。表1列出了具體的教學內容、對應學時及能力考核點，相比國內課程，建議此部分國際化課程的總學時不增加;教學內容上減少“I和T形截面受扭構件”的內容，增加中、歐、美規范關于扭曲截面承載力計算方面的對比。由此，通過教學使學生達到“具備一定的國際視野、能夠在跨文化背景下進行溝通和交流”（WA10項）的要求。

二、純扭構件開裂扭矩

混凝土構件開裂扭矩可近似按塑性開裂扭矩fW計算，同時混凝土抗拉強度要適當降低。我國規范GB50010-2002[1]給出的混凝土構件開裂扭矩T計算公式為

T=0.7fW （1）

式中，f為混凝土抗拉強度設計值;系數0.7是混凝土強度的折減系數;W為構件扭轉塑性抵抗矩。

混凝土開裂前，歐洲規范EN1992-1-1：2004[2]的扭轉計算是以變角空間桁架模型中的閉合薄壁截面模型為基礎的，平衡時形成閉合剪力流。將實心截面等效為薄壁截面。

純扭作用下截面壁內的剪應力按下式計算

τt= （2）

式中，T為截面上扭矩;A為壁中心連線包圍的面積;τ為第i個壁的扭轉剪力;t為有效壁厚，可取為;A為外周邊所包圍截面的總面積;u為橫截面的周長。當τ=f時，構件將發生扭轉開裂，故開裂扭矩為

T=2Aft （3）

美國ACI318M-05[3]規范中純扭的開裂扭矩T也是通過用閉合薄壁截面代替真實截面所導出，壁厚t在開裂前取0.75A/u，而由壁中線圍成的面積A則等于2A/3。假定開裂發生的主拉應力達到0.33時，在只受扭矩作用的構件中，主拉應力等于扭轉剪應力τ=T/2At。于是，根據開裂發生在τ=0.33時，就可以給出構件的開裂扭矩為：

T=0.33

（4）

式中，f′為混凝土圓柱體抗壓強度平均值;A為橫截面面積。

三、純扭構件的扭曲截面承載力

我國混凝土結構設計規范GB50010-2002[1]以試驗結果為基礎，并考慮抗扭鋼筋的作用，給出下面的受扭承載力計算公式：

T=αfW+αf （5）

ξ= （6）

式中，α與α分別取0.35、1.2，α與α由試驗實測數據測得;ξ為受扭縱向鋼筋與箍筋的配筋強度比值，對于鋼筋混凝土純扭構件，其值應符合0.6≤ξ≤1.7的要求，當時ξ<0.6，取ξ=0.6;當ξ>時，取ξ=

1.7;u為截面核心部分的周長，u=2（b+h）;A為縱向普通鋼筋截面面積;A為箍筋單肢截面面積;f為受扭箍筋的抗拉強度設計值;f為受扭縱筋的抗拉強度設計值;A為截面核心部分的面積，A=bh，此處，b，h分別為箍筋內表面范圍內截面核心部分的短邊、長邊尺寸;s為受扭箍筋間距。

歐洲規范EN1992-1-1：2004[2]中受扭構件承載力的計算是以閉合薄壁截面空間桁架模型為基礎的，構件所需的縱向鋼筋截面面積∑A按下式計算：

=cotθ （7）

式中，T為設計扭矩;A為管壁中心連線包圍的面積，包括內部空心區;u為面積A的周長;θ為壓桿相對于縱筋的傾斜角，見圖1，22.5°≤θ≤45°;A為第i個薄壁中縱筋的面積。

需要的受扭箍筋按下列計算：

=.tanθ （8）

對于形狀復雜的截面，如I形、T形截面，歐洲規范的計算與我國規范計算相同。

美國ACI318M-05[3]規范計算鋼筋混凝土構件抗扭承載力時，也采用角變空間桁架模型，其承載力計算式如下：

T=cotθ （9）

式中，A為剪應力包圍的毛面積，可取A=0.85A;A為受扭箍筋所包圍區域的面積;f為封閉受扭箍筋的屈服強度;s為平行于縱筋方向的抗剪或抗扭鋼筋的間距;θ為桁架模型中壓桿的角度，30°≤θ≤60°。

變角空間桁架中當縱向鋼筋和箍筋都屈服時有：

cotθ= ? （10）

式中，p為最外層封閉受扭鋼筋中心線的周長。

由式（9）求得A后，代入式（10）得到抗扭所需的縱筋面積為：

A=pcotθ ? （11）

四、構造要求

按構造配筋的條件。我國規范GB50010-2002[1]規定，梁內受扭縱向鋼筋的配筋率應符合下面規定：

ρ=≥0.6· ? （12）

式中，當>2時，取=2;ρ受扭縱向鋼筋的配筋率;A為沿截面周邊布置的受扭縱向鋼筋的總截面面積;T為扭矩的設計值;V為剪力的設計值。

梁內受扭箍筋配筋率應符合下面的規定：

ρ=≥0.28 ? （13）

歐洲規范EN1992-1-1：2004[2]規定，梁內受扭箍筋配筋率應符合下面的規定：

ρ=≥ ? （14）

式中，f為箍筋屈服強度標準值，f為混凝土軸心抗壓強度的標準值。

美國規范ACI318-05[3]規定，梁內受扭縱向鋼筋的最小總面積A的公式：

A=-（）p（） ? （15）

梁內受扭箍筋配筋率應符合下面的規定：

ρ=≥0.75 ? （16）

且不小于。

參考文獻：

[1]GB 50010-2002.混凝土結構設計規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[2]EN1992-1-1：2004.Eurocode 2：Design of concrete structures Part 1-1：General rules and rules for buildings，London，British Standards Institution，2004.

[3]ACI 318M-05.Building Code Requirement for Structural Concrete.American Concrete Institute，P.O.Box 9094，Farmington Hills，MI 48333-9094，2011.