重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074
摘要：使物体发生转动的一种特殊的力矩称为扭矩。在实际情况中，构件受纯扭作用是不常见的，但是在探讨弯扭或者弯剪扭等复杂受力情况时，仍然要提前研究一下钢筋混凝土构件在受到纯扭矩作用时的力学性能。因此本文概述了钢筋混凝土构件在纯扭作用下的受力特性及其破坏形态，基于此对受到纯扭矩的构件进行更加深层的研究后，才可以对受力更加复杂的构件进行深层次的研究。
关键词：扭矩；钢筋混凝土；受力特性
一、前言
钢筋混凝土构件能够承受的基本受力状态是弯曲、剪切、扭转、拉伸、压缩，其中扭矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩。钢筋混凝土构件的使用非常广泛，但是其中受到纯扭矩作用的构件是很少。在实际工况中，钢筋混凝土构件受力具有复合性，比如说剪力、弯矩和扭矩的组合，或者是弯矩、剪力、压力和扭矩的组合。在日常工况中的钢筋混凝土构件也有许多复合受力状态的，比如说特别常见的曲形的桥梁、框架边梁、螺旋状的楼梯或者是框架结构中的角柱、R形截面的梁等等。
扭矩可以根据扭矩的原因分为两类：第一个是平衡扭力，第二个是协调扭力。当钢筋混凝土构件中的扭矩有荷载引起，则可以根据平衡条件求解该扭矩，这与钢筋混凝土构件的扭转刚度无关，因此将生成的扭矩称为平衡扭矩；然而对于超静定的受扭构件，作用在构件上的扭矩除了静力平衡条件以外，还必须由相邻构件的变形协调条件才能确定的，称为协调扭转，也可称作附加扭矩。
二、纯扭矩作用下钢筋混凝土构件的受力状态
对于无筋混凝土构件来说，在纯扭矩作用下，构件开裂前与均质弹性材料类似，构件长边中点剪应力最大，且在构件四角点处剪应力为零。随着扭矩增加，裂缝与构件向相邻两个面延伸，其中裂缝与构件纵轴线成45°角，最后构件三面开裂，一面受压，形成空间扭曲斜裂面而破坏。无筋混凝土构件破坏过程短暂，承载力较低，属于脆性破坏。
然而对于钢筋混凝土构件，混凝土未开裂时扭矩很小，钢筋拉应力也很低，构件受力性能与无筋混凝土截面类似。此时扭矩一扭转角曲线为直线，扭转刚度与按弹性理论的计算值十分接近，纵筋和箍筋的力都很小；随着扭矩的增大，且稍大于开裂扭矩，斜裂缝首先出现在长边的中点处。斜裂缝出现后，混凝土卸载，裂缝处的主拉应力主要由钢筋承担，因而钢筋应力突然增大。当构件配筋适中时，荷载可继续增加，随之在构件表面形成连续或不连续的与纵轴线成约35°~55°的螺旋形裂缝；扭矩达到一定值时，某一条螺旋形裂缝形成主裂缝，与之相交的纵筋和箍筋达到屈服强度，截面三边受拉，一边受压，最后混凝土被压碎而破坏，可以用变角度空间桁架模型来进行受力。
为了能够充分发挥钢筋的作用效率和得到较好的受力情况，可以在纯扭矩作用下的钢筋混凝土构件中沿着上面提到的35°~55°的角进行螺旋箍筋的布置，并且需要确保我们所布置的箍筋的方向与主拉应力的方向是保持一样的。但是，在现实的工况中，钢筋混凝土构件在活荷载作用下产生的扭矩不会是单一的方向，往往是双向的，但是螺旋箍筋不能适应两个方向的扭矩，它只可以适应某一个单一的方向。因此，可以将纵筋和螺旋箍筋进行一定的组合，形成一定的空间骨架，来承受钢筋混凝土构件中的扭矩。所布置的箍筋在抗扭钢筋的骨架中的作用就是可以直接去抵抗内部所产生的主拉应力，从而就可以限制钢筋混凝土构件的裂缝的进一步的发展；纵向钢筋在钢筋骨架中的作用就是去平衡混凝土构件中的纵向分力，而且还能够在斜裂缝产生的地方可以做到销栓的作用，从而能够抵抗构件内的部分扭矩，还能够抑制住斜裂缝的开展，因此，纵筋和箍筋的共同作用是极好的。
三、纯扭矩作用下钢筋混凝土构件破坏形态
根据布置箍筋和纵向钢筋的不同用量，钢筋混凝土矩形扭转构件的破坏形式可分为以下四种：
（1）钢筋过少造成的损坏：钢筋混凝土构件中的纵筋或者箍筋数量太少时，钢筋混凝土构件因扭矩而产生斜裂缝，纵筋或者箍筋就没有足够的能力承受钢筋混凝土的裂缝。混凝土在那部分扭矩传递给钢筋混凝土之后，钢筋混凝土构件将立即受到损坏，并且损坏的性质与普通混凝土构件类似，因此防治少筋破坏的方式为规定抗扭钢筋的最小配筋率。
（2）适量钢筋发生的破坏：当钢筋混凝土构件在正常的配筋情况下，但是当外扭矩的不断增加后，抵抗扭矩的箍筋和纵筋会最先达到屈服强度，随后就会有主裂缝迅速的开展。这样，受到压力的混凝土将会被最先压碎，最终导致整个构件破坏。不过，此类损坏的发生是连续且可预测的，属于延性破坏，类似于适筋梁的弯曲构件，这样的破坏是理想的状态。
（3）钢筋过多发生的破坏：当钢筋混凝土构件中配置了过多的抵抗扭矩的钢筋时，又或者是选用的混凝土的强度相比较而言过低时。那么，在外扭矩逐渐增加的情况下，构件混凝土构件的混凝土就会被先压碎，那么继而就将会引起我们的钢筋混凝土构件的的破坏。尽管此时的钢筋混凝土构件已经达到了一定程度的损坏，但扭转箍筋和扭转纵筋尚未达到屈服状态。这种损坏情况与弯曲构件中的超强梁非常相似。这两种情况都属于脆性类别。在现实中不可能发生这种完全的超强破坏，因为这样的破坏是不可以提前预见的，因此在设计时要完全避免。
（4）部分过多钢筋损坏：钢筋混凝土构件中的配置的一种扭转箍筋或纵向钢筋的数量过多，当压缩面上的混凝土受力时，只有一小部分扭转钢筋箍或扭转箍筋被损坏销被破坏肋骨将达到屈服状态，但是扭杆的另外一部分（箍筋或纵筋）是尚未达到材料的屈服强度的。这种钢筋混凝土构件被破坏时就会具有一定的脆性破坏特性。
从以上可以得出，纵筋和箍筋共同作用组成了抗扭钢筋，但是抗扭钢筋的强度受到许多因素的影响，例如，纵向钢筋的数量和强度等级，或箍筋的数量和强度等级，以及纵向钢筋和箍筋的比例都能够影响整个钢筋混土构件的抗扭强度。如果说钢筋混凝土构件中没有配置足够的箍筋的时候，那么构件的抗扭强度仍然由箍筋决定，即使再配置更多的纵向钢筋也没有实际性的作用，反之，如果说纵向钢筋配置过少，即使配置更多的箍筋也不会提高整个钢筋混凝土构件的抗扭刚度。
四、结语
对于钢筋混凝土构件，如果仅仅考虑恒荷载的作用，忽略活荷载对于构件的作用，那么构件的截面内部不仅仅产生弯矩和剪力，还会有扭矩的作用。扭矩会使得物体发生一定的转动，在钢筋混凝土构件中，如果荷载和支座反力没有在同一个平面内，或者说是对称的平面里，那么截面上也会产生一定的弯矩，并且钢筋混凝土构件内部还会形成三维应力状态。在过去的设计当中，众多设计师对于扭矩的重视程度没有达到一定的标准，并且在进行配筋计算的时候使用的计算公式也不够完备，但在进行结构设计时，设计师们也会不自觉的考虑到大扭矩对于构件的作用，也会主动去避免出现过大的扭矩。且受弯和受剪的计算还不算完备，因此认为抵抗剪力和弯矩所配置的纵筋和箍筋有多余的能力来抵抗扭矩。在实际的受扭破坏中也被误以为是收件破坏，因此在今后的计算中，需要考虑到扭矩对于钢筋混凝土构件的作用。
参考文献
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[4]周志祥，高等钢筋混凝土结构[M]，人民交通出版社.
作者简介
黄玉琼（1996-），女，汉族，湖北宜昌人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：结构工程。