国际化课程《混凝土结构设计原理》教学内容与能力考核探讨：受扭构件扭曲截面承载力

岳健广 方华

摘要：国际化课程建设是实现我国工程教育国际化的重要环节，应根据全球经济发展与国际人才市场的需求，合理确定课程教学内容与能力考核点。由于我国“一带一路”倡议急需培养大量熟悉国际规则、具有国际视野的土木工程专业人才，作为专业主干课的《混凝土结构设计原理》应体现出不同国家或地区设计规范在应用时的区别，并将“具有一定的国际视野、能够在跨文化背景下进行沟通和交流”作为能力考核点。文章以“受扭构件扭曲截面承载力”内容为例，分析比较了中国、欧洲、美国设计规范的异同，提出了相应的教学内容和能力考核点。

关键词：国际化课程建设;土木工程;能力考核点;受扭构件;截面承载力

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）42-0199-03

一、教学内容与能力考核点

以“受扭构件扭曲截面承载力”为例，其教学内容包括非预应力混凝土纯扭构件的开裂扭矩、纯扭构件的扭曲截面承载力、构造要求。表1列出了具体的教学内容、对应学时及能力考核点，相比国内课程，建议此部分国际化课程的总学时不增加;教学内容上减少“I和T形截面受扭构件”的内容，增加中、欧、美规范关于扭曲截面承载力计算方面的对比。由此，通过教学使学生达到“具备一定的国际视野、能够在跨文化背景下进行沟通和交流”（WA10项）的要求。

二、纯扭构件开裂扭矩

混凝土構件开裂扭矩可近似按塑性开裂扭矩fW计算，同时混凝土抗拉强度要适当降低。我国规范GB50010-2002[1]给出的混凝土构件开裂扭矩T计算公式为

T=0.7fW （1）

式中，f为混凝土抗拉强度设计值;系数0.7是混凝土强度的折减系数;W为构件扭转塑性抵抗矩。

混凝土开裂前，欧洲规范EN1992-1-1：2004[2]的扭转计算是以变角空间桁架模型中的闭合薄壁截面模型为基础的，平衡时形成闭合剪力流。将实心截面等效为薄壁截面。

纯扭作用下截面壁内的剪应力按下式计算

τt= （2）

式中，T为截面上扭矩;A为壁中心连线包围的面积;τ为第i个壁的扭转剪力;t为有效壁厚，可取为;A为外周边所包围截面的总面积;u为横截面的周长。当τ=f时，构件将发生扭转开裂，故开裂扭矩为

T=2Aft （3）

美国ACI318M-05[3]规范中纯扭的开裂扭矩T也是通过用闭合薄壁截面代替真实截面所导出，壁厚t在开裂前取0.75A/u，而由壁中线围成的面积A则等于2A/3。假定开裂发生的主拉应力达到0.33时，在只受扭矩作用的构件中，主拉应力等于扭转剪应力τ=T/2At。于是，根据开裂发生在τ=0.33时，就可以给出构件的开裂扭矩为：

T=0.33

（4）

式中，f′为混凝土圆柱体抗压强度平均值;A为横截面面积。

三、纯扭构件的扭曲截面承载力

我国混凝土结构设计规范GB50010-2002[1]以试验结果为基础，并考虑抗扭钢筋的作用，给出下面的受扭承载力计算公式：

T=αfW+αf （5）

ξ= （6）

式中，α与α分别取0.35、1.2，α与α由试验实测数据测得;ξ为受扭纵向钢筋与箍筋的配筋强度比值，对于钢筋混凝土纯扭构件，其值应符合0.6≤ξ≤1.7的要求，当时ξ<0.6，取ξ=0.6;当ξ>时，取ξ=

1.7;u为截面核心部分的周长，u=2（b+h）;A为纵向普通钢筋截面面积;A为箍筋单肢截面面积;f为受扭箍筋的抗拉强度设计值;f为受扭纵筋的抗拉强度设计值;A为截面核心部分的面积，A=bh，此处，b，h分别为箍筋内表面范围内截面核心部分的短边、长边尺寸;s为受扭箍筋间距。

欧洲规范EN1992-1-1：2004[2]中受扭构件承载力的计算是以闭合薄壁截面空间桁架模型为基础的，构件所需的纵向钢筋截面面积∑A按下式计算：

=cotθ （7）

式中，T为设计扭矩;A为管壁中心连线包围的面积，包括内部空心区;u为面积A的周长;θ为压杆相对于纵筋的倾斜角，见图1，22.5°≤θ≤45°;A为第i个薄壁中纵筋的面积。

需要的受扭箍筋按下列计算：

=.tanθ （8）

对于形状复杂的截面，如I形、T形截面，欧洲规范的计算与我国规范计算相同。

美国ACI318M-05[3]规范计算钢筋混凝土构件抗扭承载力时，也采用角变空间桁架模型，其承载力计算式如下：

T=cotθ （9）

式中，A为剪应力包围的毛面积，可取A=0.85A;A为受扭箍筋所包围区域的面积;f为封闭受扭箍筋的屈服强度;s为平行于纵筋方向的抗剪或抗扭钢筋的间距;θ为桁架模型中压杆的角度，30°≤θ≤60°。

变角空间桁架中当纵向钢筋和箍筋都屈服时有：

cotθ=   （10）

式中，p为最外层封闭受扭钢筋中心线的周长。

由式（9）求得A后，代入式（10）得到抗扭所需的纵筋面积为：

A=pcotθ   （11）

四、构造要求

按构造配筋的条件。我国规范GB50010-2002[1]规定，梁内受扭纵向钢筋的配筋率应符合下面规定：

ρ=≥0.6·   （12）

式中，当>2时，取=2;ρ受扭纵向钢筋的配筋率;A为沿截面周边布置的受扭纵向钢筋的总截面面积;T为扭矩的设计值;V为剪力的设计值。

梁内受扭箍筋配筋率应符合下面的规定：

ρ=≥0.28   （13）

欧洲规范EN1992-1-1：2004[2]规定，梁内受扭箍筋配筋率应符合下面的规定：

ρ=≥   （14）

式中，f为箍筋屈服强度标准值，f为混凝土轴心抗压强度的标准值。

美国规范ACI318-05[3]规定，梁内受扭纵向钢筋的最小总面积A的公式：

A=-（）p（）   （15）

梁内受扭箍筋配筋率应符合下面的规定：

ρ=≥0.75   （16）

且不小于。

参考文献：

[1]GB 50010-2002.混凝土结构设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，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.