薄壁理论分析短肢剪力墙扭转性能的不合理性

宋国用 郭 棣

短肢剪力墙结构体系是近年来出现的新型结构体系，《高层建筑混凝土结构技术规程》［1］规定短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙，墙厚不小于200 mm。国内在短肢剪力墙构件及结构的强度和抗震性能等方面做了大量的研究工作，但是对于短肢剪力墙单个构件抗扭性能的研究及扭矩对整个结构的影响，进行的研究和分析都比较少。近年来，研究扭转问题的主要理论有:变角桁架理论、斜弯破坏理论、谐应力场理论和薄壁理论，由于短肢剪力墙是介于柱与剪力墙之间，既有柱的特性，也有墙的特性，其扭转性能较复杂，上述理论分析的合理性都在研究探讨阶段。本文就以薄壁理论为基础，从尺寸特征、基本假定和翘曲特性三个方面入手，讨论应用薄壁理论分析短肢剪力墙的扭转性能是否合理。

1 尺寸特点

薄壁构件是指截面厚度较小的直杆(见图1)，其长度、截面轮廓尺寸(横截面的最大尺寸，如直径、高、宽等)和板件的厚度三者属于不同量级，即有［2］:

《高层建筑混凝土结构技术规程》［1］规定短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙(见图2)，墙厚不小于200 mm。即有:

可以看出，虽然短肢剪力墙在几何特征上与薄壁构件具有一定的相似性，但是还是有很大的差别。

2 基本假定

开口截面薄壁构件的两个基本假定［2］:1)在小变形条件下，杆件截面外形轮廓线在其平面内保持刚性，即不变形;在出平面方向(杆轴方向)可以翘曲。2)杆件中面上的剪应变为零。即认为相交于某点的母线与外轮廓线变形后仍保持为直角。钢筋混凝土短肢剪力墙在受到约束扭转时，在垂直杆件截面的方向有不同程度的翘曲，杆件截面不再符合平截面假定。短肢剪力墙T，L截面在受扭后，将发生不规则翘曲，其两点投影之间的距离将不再与原来的两点之间的距离相等，即不再是规则的T，L构件，与薄壁构件的不变形假定是不相符的。从以上分析可以得出:两者在基本假定上存在较大的差别，如果应用薄壁理论分析短肢剪力墙的扭转，可能会带来令人不满意的结果。

3 翘曲特性

由于在实际结构中几乎不存在自由扭转，故本文只讨论翘曲约束扭转的特性。翘曲约束扭转是指在变形时翘曲ω受到约束的扭转。当薄壁构件发生翘曲约束扭转时(见图3)，作为横断面力的扭矩Md及翘曲ω都沿z轴方向发生变化。也就是说，在这种情况下，横断面的翘曲ω不再只是依赖于x和y，同时也与z值有关。因此在z轴上将产生应变ε及正应力σz，根据力的平衡，在构件截面上将会产生由正应力产生的二次剪应力。从而在构件的横断面上作用的剪应力有自由扭转所产生的剪应力τ和由σz所引起的二次剪应力τz。那么，当薄壁构件发生翘曲约束扭转时，构件受扭转时的抵抗力矩Md包括由自由扭转所引起的抵抗力矩和二次剪应力τz所引起的抵抗力矩M*d。

短肢剪力墙L，T形构件发生翘曲约束扭转时，纵向也将产生线应变，因此在其横截面上除了有剪应力外还有正应力。但是在单个构件中，短肢剪力墙的截面高厚比较大，故在短肢剪力墙中由正应力σz引起的二次剪应力τz可以忽略。另外文献［3］指出，由于翘曲约束扭转引起的正应力，在一般矩形、T形等构件截面的实体构件中可以忽略不计。即在短肢剪力墙构件受扭时，其抵抗力矩M*仅包括自由扭转所引起的抵抗力矩。

4 结语

从以上三个方面的分析可知，薄壁构件不论是在构件尺寸、基本假定上，还是在翘曲特性方面，都与短肢剪力墙构件存在着较大的差别，所以应用薄壁理论对短肢剪力墙构件进行扭转分析存在着较大的局限性。

［1］ JGJ 3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［2］ 包世华，周 坚.薄壁杆件结构力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，1991.

［3］ 殷芝霖，张 誉，王振东.抗扭［M］.北京:中国铁道部出版社，1990.