实腹式型钢混凝土梁受扭性能试验研究.pdf

第 43 卷 第 8 期 2013 年 4 月下 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 8 Apr 2013 实腹式型钢混凝土梁受扭性能试验研究 * 邵永健 1， 郁 文 1， 陈宗平2， 余兴国2， 翁晓红1 ( 1 苏州科技学院，苏州 215011;2 广西大学，南宁 530004) 摘要为研究实腹式型钢混凝土梁在扭矩作用下的受力性能， 进行了 6 根不同参数实腹式型钢混凝土梁和 1 根 钢筋混凝土梁的纯扭试验。试验结果表明: 实腹式型钢混凝土受扭构件与钢筋混凝土受扭构件的开裂机会相等， 可以忽略型钢对开裂扭矩的影响; 但型钢对极限扭矩有大幅提高作用， 并有效改善了构件的延性; 减小箍筋间距和 增大配钢率可以提高型钢混凝土构件的受扭承载力。 通过分析提出了型钢混凝土纯扭构件开裂扭矩和极限扭矩的 计算公式， 计算结果与试验结果吻合较好。 关键词型钢混凝土;受扭构件;开裂扭矩;极限扭矩 中图分类号: TU317 + 2文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 08- 0058- 05 Experimental study on torsional behavior of solid web steel reinforced concrete beams Shao Yongjian1，Yu Wen1，Chen Zongping2，Yu Xingguo2，Weng Xiaohong1 ( 1 Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215011， China;2 Guangxi University， Nanning 530004， China) Abstract: In order to study the torsional behavior of steel reinforced concrete beams，experiments were conducted on six steel reinforced concrete beams with different parameters and one reinforced concrete beam subjected to pure torsion Test and analysis results show that the cracking torque is almost the same for steel reinforced concrete structures and reinforced concrete structures with torsion The influence of steel on the cracking torque can be neglected Steel can greatly improve the ultimate torque and the ductility The torsion resistance loading of SRC structures can be increased by decreasing the stirrup spacing or increasing sectional steel area ratioThe formulaes about cracking torque and ultimate torque were presented The predicted results are in good agreement with the measured ones Keywords: steel reinforced concrete;torsion member;cracking torque;ultimate torque * 国家自然科学基金项目( 51078249) 。 作者简介: 邵永健， 教授， Email: syjsz 163 com。 0引言 随着社会经济的发展， 高层、 大跨度结构的应用 日益广泛， 型钢混凝土结构的优越性也逐渐被人们 认识， 特别是其在复杂结构与大跨度结构中表现出 来的优点更是显著。型钢混凝土结构结合了钢结构 和钢筋混凝土结构的优点， 既可增大结构的刚度和 强度， 提高结构局部和整体稳定性， 又具有良好的变 形能力和抗震性能 1，2。然而目前国内外对型钢混 凝土构件的研究主要是关于型钢混凝土构件在轴 力、 弯矩、 剪力或者它们共同作用下的受力性能、 构 件抗震性能以及节点受力机理和构造的研究 3- 7， 对其受扭性能的研究却几乎是空白。因此， 对型钢 混凝土梁在纯扭下的受扭性能进行试验研究和理论 分析， 一方面可完善型钢混凝土梁的分析理论， 另一 方面也是工程应用的实际需求， 无疑具有理论与实 践的双重意义。 本文进行了 6 根实腹式型钢混凝土梁和 1 根钢 筋混凝土梁在纯扭作用下的受力性能试验。通过试 验揭示实腹式型钢混凝土梁在纯扭作用下的破坏形 态和工作机理， 分析影响实腹式型钢混凝土梁受扭 性能的因素， 提出实腹式型钢混凝土梁在纯扭作用 下的强度计算公式。 1试验研究 共进行了 6 根编号为 SSRCB- 1 SSRCB- 6 的型 钢混凝土梁的受扭性能试验， 此外为了研究工字钢 对构件受扭的贡献， 同时进行了 1 根钢筋混凝土对 比梁( 编号 RCB- 1) 试验。试件截面形式如图 1 所 示， 各试件的纵向钢筋均为 412， 主要设计参数 见表 1， 材料的性能指标见表 2， 3。 试件主要设计参数表 1 试件 编号 型钢 型号 截面尺寸 /mm 箍筋 /mm ss /% s /% sv /% SSRCB- 1I14250 4008 2002. 150. 4520. 2011. 555 SSRCB- 2I20a250 4008 2003. 560. 4520. 2011. 555 SSRCB- 3I14250 3408 2002. 530. 5320. 2011. 762 SSRCB- 4I10250 3008 2001. 910. 6030. 2011. 934 SSRCB- 5I20a250 4008 1003. 560. 4520. 4020. 778 SSRCB- 6I10250 3006 2001. 910. 6030. 1132. 990 RCB- 1250 4008 20000. 4520. 2011. 555 注: ss为纵向型钢配钢率; s为纵筋配筋率; sv为配箍率; 为受 扭纵筋与箍筋的配筋强度比。 第 43 卷 第 8 期邵永健， 等 实腹式型钢混凝土梁受扭性能试验研究 图 1试件截面形式 钢筋和型钢的主要性能指标表 2 钢材 类型 屈服强度 fy /MPa 极限强度 fu /MPa 弹性模量 Es /( 105MPa) I10 腹板382. 61 452. 171. 937 I10 翼缘355. 85 428. 471. 906 I14 腹板383. 13 477. 942. 016 I14 翼缘369. 05 449. 401. 945 I20a 腹板351. 56 465. 632. 045 I20a 翼缘312. 52 398. 101. 982 6 391. 96542. 722. 475 8 340. 91482. 952. 454 12 300. 62433. 242. 357 混凝土的主要性能指标表 3 性能指标 fc/MPafcu/MPaft/MPafv/MPaEc/MPa 混凝土22. 9630. 202. 522. 712. 99 104 注: fc为轴心抗压强度; fcu为立方体抗压强度; f t为抗拉强度; fv 为抗剪强度; Ec为弹性模量。 型钢混凝土梁的受扭试验主要难点在于试验装 置， 因为没有现成的试验装置， 因此进行型钢混凝土 梁试验的首要任务是设计出满足纯扭试验要求的加 载装置。参考钢筋混凝土构件受扭装置， 经过分析 和比较并且考虑试验室条件， 设计出试验用的加载 装置如图 2 所示。 试验时， 将试件用两个满足刚度要求的钢梁夹 紧， 再将加载端支承在辊轴支座上， 用以抵消加载的 竖向力， 达到只有扭矩的作用。为了得到下降曲线， 在加载端， 用伺服式作动器的位移控制方式进行加 载( 位移可以转换为相对扭转角) 。正式试验前， 先 进行预加载， 预加载扭矩约为开裂扭矩的 30% ; 试 验加载按位移控制方式进行，5mm 为一个等级， 分 级加载。每加载一个等级， 停留 2 3min， 采集数 据， 观察现象， 再进行下一级加载， 直到扭矩下降到 极限扭矩的 85% 以下， 停止加载。试验取跨中 1m 范围为测试段， 主要量测内容包括: 扭矩、 相对扭转 角、 梁截面扭转变形、 型钢、 钢筋和混凝土的应变值、 裂缝宽度。 2主要试验结果及分析 2. 1 主要试验现象与结果 ( 1) RC 梁: 在加载初期， 试件处于弹性阶段。 图 2纯扭试验加载装置图 当荷载达到开裂扭矩时， 第 1 条斜裂缝出现在试件 长边表面靠近固定端处， 随后裂缝开展迅速。最后 破坏时， 除下表面有两条主裂缝外， 其他各面都只有 1 条主裂缝， 主裂缝与试件水平轴约成 45角， 且 4 个面的裂缝基本上相连成为螺旋状: 由距梁固定端 截面约 20mm 的下表面与左表面交接处开始， 旋转 一圈后， 在距梁的加载端截面约 250mm 的下表面和 右表面交接处结束。试件达到极限扭矩后， 持续时 间较短， 属于脆性破坏。试件最终破坏形态如图 3 ( a) 所示。 ( 2) SSRC 梁: 混凝土开裂前， 试件处于弹性阶 段。裂缝首先出现在试件下表面和右表面， 并迅速 贯通整个面。随后受扭承载力增长速度有所下降。 接近极限扭矩时， 试件全长形成均匀分布的受拉破 坏斜裂缝， 裂缝的数量不再增加而宽度急剧增大。 加载到极限扭矩时， 试件进入破坏阶段， 受压区混凝 土被压碎， 随后扭矩开始缓慢下降。最后破坏时， 除 95 建筑结构2013 年 下表面有 4 条主裂缝外， 其他各面都有 3 条主裂缝， 主裂缝与试件水平轴约成 45角， 且 4 个面的裂缝 基本上相连成为螺旋状。试件破坏时有相当大的扭 转角和裂缝， 能持续相当长的一段时间， 属于延性破 坏。试件最终破坏形态如图 3( b) 所示。 图 3试件破坏形态 各试件开裂扭矩、 极限扭矩、 极限相对扭转角和 最大裂缝宽度的试验结果如表 4 所示。 型钢混凝土梁的试验结果表 4 试件 编号 开裂扭矩 Ttcr/( kNm) 极限扭矩 TSSRC/( kNm) 极限相对扭 转角 /( rad/m) 最大裂缝 宽度 /mm SSRCB- 121. 59024. 4800. 051 4885. 4 SSRCB- 221. 67230. 3580. 097 0366. 5 SSRCB- 317. 59521. 3350. 080 5794. 8 SSRCB- 414. 79016. 8300. 040 52811. 0 SSRCB- 521. 67535. 0200. 102 7053. 9 SSRCB- 616. 57517. 5950. 040 52820. 5 注: 对比梁 RCB- 1 的开裂扭矩为 21. 675 kNm， 开裂后裂缝发展 迅速， 承载力随之下降。 2. 2 型钢混凝土梁受扭影响因素分析 2. 2. 1 截面尺寸的影响 试件 SSRCB- 1 和 SSRCB- 3 的主要差别是梁截 面高度不同。 由表 4 可知， SSRCB- 1 与 SSRCB- 3 相 比， 开 裂 扭 矩 提 高 了 22. 71% ， 极 限 扭 矩 提 高 了 14. 74% ， 极限扭矩提高的幅度相比开裂扭矩反而有 所降低。这是因为试件开裂前的扭矩主要由混凝土 承担， 而混凝土开裂后扭矩主要由型钢承担， 且此时 试件混凝土本身已经产生较大的裂缝， 中部棱边处 混凝土也开始出现局部压碎， 从而导致极限扭矩的 提高幅度相比开裂扭矩有所降低。通过两试件承载 力的对比可以看出， 增加截面高度可提高型钢混凝 土构件的开裂扭矩和极限扭矩。 2. 2. 2 截面配钢率的影响 SSRCB- 2 只是在 RCB- 1 的基础上配置了 I20a 的工字钢， 其他设计参数均相同。从图 4( a) 可知， 在达到开裂扭矩之前， 两者扭矩-扭率曲线的走势基 本 相 同。 RCB- 1 的 开 裂 扭 矩 为 21. 675 kN m， SSRCB- 2 的开裂扭矩为 21. 672kN m， 这说明配置实 腹式工字钢对梁的开裂扭矩几乎没有影响。开裂 前， 型钢混凝土梁的承载力主要由混凝土来提供， 从 试验实测到的型钢应变可以证明， 在开裂之前， 型钢 的应变很小; 在开裂后型钢的应变有了明显的变化。 当荷载达到开裂扭矩之后，SSRCB- 2 的承载力继续 上升， 而 RCB- 1 的承载力则开始下降。相比RCB- 1， SSRCB- 2 的极限承载力提高幅度达到了 48. 8% 。 从抗震的角度看， SSRCB- 2 比 RCB- 1 的耗能能力 强， 延性更好， 对抗震有利。 试件 SSRCB- 1 和 SSRCB- 2 均内置型钢， 除型钢 配钢率不同外， 其余参数均相同。图 4( b) 给出了两 者的扭矩-扭率曲线对比， 可见两者的开裂扭矩几乎 相等， 而极限扭矩后者比前者高出了 22. 6% 。可见 型钢的配钢率对受扭承载力具有显著的影响。由于 型钢对受扭承载力的贡献体现在试件开裂后， 此时 混凝土开裂部分退出工作， 扭矩主要由型钢来承担。 因此， 在其他条件相同的情况下， 型钢配钢率越大， 其受扭承载力越大， 抗震性能也越好。 图 4型钢配钢率的影响 2. 2. 3 箍筋间距的影响 对比 SSRCB- 2 与 SSRCB- 5 两试件， 两者的差别 仅是箍筋间距。由图 5 可知， 在达到开裂扭矩前， 试 件 SSRCB- 2 与 SSRCB- 5 的走势基本相同， 而极限扭 06 第 43 卷 第 8 期邵永健， 等 实腹式型钢混凝土梁受扭性能试验研究 矩后者比前者提高 16. 7% 。这是由于 SSRCB- 5 的 箍筋间距仅为 SSRCB- 2 的一半， 这就使得 SSRCB- 5 的箍筋对其内部混凝土的约束比 SSRCB- 2 强。另 外， 由于箍筋对混凝土的约束作用， 一方面延缓了裂 缝的发展， 另一方面使混凝土对型钢的约束作用也 得到加强， 使得型钢的内力分布更趋合理， 增强了型 钢与混凝土之间的相互作用。从抗震的角度看， SSRCB- 5 的耗能能力更强， 更有利于抗震。 从裂缝的开展来看， 虽然 SSRCB- 5 开裂相对较 早， 但是开裂后其发展速度要比 SSRCB- 2 缓慢。达 到极限扭矩时， SSRCB- 2， SSRCB- 5 的裂缝宽度分别 为 2. 5mm 和 2mm; 当为极限扭率时， 两者的裂缝宽 度分别为 6. 5mm 和 3. 9mm， 说明减小箍筋间距对裂 缝开展起到了更好的约束作用， 并且使型钢混凝土 梁的承载力得到了更为合理的分配。 图 5箍筋间距的影响 3承载力计算 3. 1 开裂扭矩计算 试验研究表明， 型钢混凝土受扭构件在受扭初 期， 钢筋、 型钢的应力很小， 特别是型钢应力很小。 说明在开裂之前， 型钢参与受扭作用不明显， 扭矩主 要由混凝土承担， 截面的应力分布近似满足圣维南 弹性理论。因此， 在参照我国混凝土结构设计规 范 ( GB 500102010) 8计算公式的基础上， 并结 合试验数据的分析， 建议型钢混凝土受扭构件的开 裂扭矩按下式进行计算: Tcr= 0. 85ftWt( 1) 式中: Wt为受扭构件的截面受扭塑性抵抗矩， W t = ( b2/6) ( 3h b) ， 其中 b， h 分别为试件的宽度和高 度; ft为混凝土抗拉强度。 计算值和试验值的对比见表 5。计算值与试验 值之比的平均值为 0. 962， 标准差为 0. 042。可见， 除试件 SSRCB- 6 外 ( 其 计 算 值 与 试 验 值 之 比 为 0. 875) ， 其余试件开裂扭矩的计算值与试验值吻合 较好。 试件开裂扭矩计算值与试验值比较表 5 试件编号试验值 Ttcr/( kNm)计算值 Tcr/( kNm)Tcr/Ttcr SSRCB- 121. 59021. 1970. 982 SSRCB- 221. 67221. 1970. 978 SSRCB- 317. 59517. 1810. 976 SSRCB- 414. 79014. 5030. 981 SSRCB- 521. 67521. 1970. 978 SSRCB- 616. 57514. 5030. 875 3. 2 极限扭矩计算 从试验数据分析可知， 型钢混凝土受扭构件在 试件混凝土开裂后， 配置的型钢才开始对受扭起了 作用， 而且随着扭矩的增大， 其作用效果愈加明显。 因此， 用钢筋混凝土极限受扭承载力公式来计算型 钢混凝土的极限受扭承载力显然是不合理的， 但可 以借鉴钢筋混凝土受扭理论来分析型钢混凝土的极 限受扭承载力。首先不考虑型钢混凝土构件中型钢 与钢筋混凝土之间的相互作用， 分别计算各自的受 扭承载力， 然后将两者简单叠加， 作为型钢混凝土构 件的受扭承载力。按简单叠加法得到试件受扭承载 力的计算值以及其与试验值的比较见表 6。 简单叠加法得到试件受扭承载力计算值与试验值 表 6 试件 编号 TJRC /( kNm) TJS /( kNm) TJRC+ TJS /( kNm) TSSRC /( kNm) TSSRC TJRC+ TJS SSRCB- 114. 1733. 58117. 75424. 4801. 379 SSRCB- 214. 1736. 50620. 67930. 3581. 468 SSRCB- 311. 8173. 58115. 39821. 3351. 386 SSRCB- 410. 2042. 72112. 92516. 8301. 302 SSRCB- 516. 4286. 50622. 93435. 0201. 527 SSRCB- 69. 6152. 72112. 33617. 5951. 426 注: TJRC表示钢筋混凝土受扭承载力计算值; TJ S表示型钢受扭承 载力计算值; TSSRC表示型钢混凝土受扭承载力试验值。 由表 6 可知， 试验值均高于钢筋混凝土受扭承 载力与型钢受扭承载力的简单叠加， 约高 40% 。因 此， 不能简单地把钢筋混凝土受扭承载力与型钢受 扭承载力之和作为型钢混凝土构件的受扭承载力。 为此， 本文在分析的基础上， 建议按下式计算型钢混 凝土梁的受扭承载力: Tu = 1ftWt + 1 2槡 f yv( Ast1Acor/s)+ 2ybt2 1 t 3 () b + hwt2 w 2 + t3 w 6 tt2 w ( 2) 16 建筑结构2013 年 式中: 1为混凝土的受扭承载力提高系数; Ast1为沿 截面周边配置的受扭箍筋单肢截面面积; Acor为核芯 截面的面积; 为纵筋与箍筋的配筋强度比， = AstlfyAcor Ast1fyvucor， 其中 fyv为箍筋的屈服强度， Astl为对称布置 的全部受扭的截面面积; s 为箍筋间距; 2为型钢受 扭承载力提高系数; y为型钢的抗拉强度; b 为型钢 翼缘宽度; t 为型钢翼缘厚度; hw为型钢的腹板高度; h 为型钢截面高度; tw为型钢的腹板厚度。提高系数 1 ， 2与型钢的配钢率、 箍筋间距等多种因素有关。 对本次试验结果进行回归分析得出， 1的值为 0. 37， 2的值为 2. 59， 取式( 2) 中的 1 = 0. 37、 2= 2. 59 计算得到试件的受扭承载力以及其与试验值 的比较见表 7。从表 7 可知， 6 个试件受扭承载力计 算值与试验值之比的平均值为 1. 000， 标 准 差为 0. 080， 计算值与试验值吻合较好。可见， 用式( 2) 计算型钢混凝土纯扭梁的受扭承载力是可行的。 试件受扭承载力计算值与试验值的比较表 7 试件编号 TRC /( kNm) TS /( kNm) TRC+ TS /( kNm) TSSRC /( kNm) TRC+ TS TSSRC SSRCB- 114. 6729. 27523. 94724. 4800. 978 SSRCB- 214. 67216. 85031. 52230. 3581. 038 SSRCB- 312. 2219. 27521. 49621. 3351. 008 SSRCB- 410. 5467. 04717. 59316. 8301. 045 SSRCB- 516. 92616. 85133. 77735. 0200. 965 SSRCB- 69. 9577. 04717. 00417. 5950. 966 4结论 ( 1) 型钢混凝土试件的破坏形态与钢筋混凝土 试件的破坏形态基本一致， 都有螺旋形主裂缝。在 接近极限扭矩时， 裂缝间的混凝土被压碎， 随后试件 达到极限承载力， 并且主裂缝都是从固定端截面开 始的。但型钢混凝土试件的裂缝数量多于钢筋混凝 土试件， 本次试验的型钢混凝土试件主裂缝都在 3 条以上， 而钢筋混凝土试件只有 1 条主裂缝， 且型钢 混凝土试件裂缝宽度开展较钢筋混凝土试件缓慢。 ( 2) 影响型钢混凝土试件受力性能的主要因素 有试件截面高度、 型钢配钢率以及箍筋间距。试验 结果表明: 试件截面高度越大、 箍筋间距越小、 型钢 的配钢率越高， 型钢混凝土试件的受扭承载力越高。 ( 3) 由于型钢混凝土试件的开裂扭矩和钢筋混 凝土试件的开裂扭矩基本相同， 因此在计算型钢混 凝土受扭构件的开裂扭矩时， 可以不将型钢列入计 算公式， 而按式( 1) 来计算型钢混凝土构件的开裂 扭矩。 ( 4) 开裂后型钢混凝土构件的受扭承载力建议 由钢筋混凝土抗力项和型钢抗力项组成。基于试验 结果和相关理论， 提出了实腹式型钢混凝土梁的受 扭承载力计算公式( 2) ， 公式物理意义明确， 其计算 值与试验值吻合较好， 可为进一步研究提供依据。 参考文献 1 赵鸿铁 组合结构设计原理M 北京: 高等教育出版 社， 2005 2 范涛 浅述型钢混凝土结构的特点及应用J 四川 建筑科学研究， 2004， 30( 4) : 38- 39 3 聂建国， 唐亮， 魏茂林 钢-混凝土组合梁扭转的组合 作用分析J 工业建筑， 2008， 38( 3) : 1- 4 4 傅传国，李玉莹，孙晓波， 等 预应力及非预应力型钢 混凝土框架受力及抗震性能试验研究J 建筑结构 学报， 2010， 31( 8) : 15- 21 5 张根俞 型钢混凝土梁受扭性能的试验研究及理论分 析D 南京: 东南大学， 2009 6 KANG THK，KIM W，KWAK YK Shear testing of steel fiber-reinforced light weight concrete beams without web reinforcementJACI Structural Journal，2011，108 ( 5) :553- 561 7 GAN DAN， GUOLANHUI， LIUJIEPENG， etal Seismic behavior and moment strength of tubed steel reinforced-concrete ( SRC)beam-columnsJ Journal of Constructional Steel Research，2011，67 ( 10 ) :1516- 1524 8 GB 500102010 混凝土结构设计规范 S 北京: 中 国建筑工业出版社， 2011 ( 上接第 13 页) 件不屈服， 仅耗能连梁少量屈服” 的抗震性能目标; 大震作用下能满足“不严重破坏” 的抗震性能目标， 因此可以期望本工程的结构体系在遭遇地震作用 时， 结构整体能达到性能 C 以上的抗震设防目标。 ( 2) 对于楼板不连续严重的结构平面， 应通过 结构布置的调整， 使有限的楼板连续部分能形成规 则宽度的板块， 以有效地传递楼板剪力。 ( 3) 在考虑连接部位屈服破坏的极限情况下， 要采取适当的加强措施， 保证分开的各独立塔块大 震不倒。 参考文献 1 JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程S 北 京: 中国建筑工业出版社， 2011 2 GB 500112010 建筑抗震设计规范S 北京: 中国建 筑工业出版社， 2010 3 昆明大白庙住宅商业综合体项目商业结构建筑结构 工程超限设计可行性论证报告R 广州: 广州瀚华建 筑设计有限公司， 2012 4 昆明大白庙住宅商业综合体项目商业结构初步设计 说明R 广州: 广州瀚华建筑设计有限公司， 2012 26