角钢桁架型钢混凝土梁纯扭性能试验研究.pdf

1 4 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 第 3 8卷第 4期 2 0 1 2年 8月 角钢桁架型钢混凝土梁纯扭性能试验研究 成 健 ， 邵永健 ， 陈宗平 ， 刘 峰 ( 1 苏州科技学院， 江苏 苏州2 1 5 0 1 1 ； 2 广西大学， 广西 南宁5 3 0 0 0 4) 摘 要： 为了研究角钢桁架型钢混凝土梁在扭矩作用下的受力性能， 进行了6根角钢桁架型钢混凝土梁和 1 根钢 筋混凝土对照梁纯扭试验。通过试验研究， 揭示了角钢桁架型钢混凝土梁在纯扭作用下的受力机理与破坏形态 ， 分析了角钢桁架型钢混凝土梁受扭性能的影响因素。试验结果表明， 角钢桁架型钢混凝土梁比普通钢筋混凝土梁 的抗扭性能有很大的提高， 大体上随着腹杆体积配钢率的提高而增大 ， 其中增加斜腹杆试件的抗扭性能最好。 关键词： 角钢桁架 ； 型钢混凝土( S R C )； 受扭性能 中图分类 号： T U 3 7 5 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 1 4 0 5 Ex p e r i me n t s t ud y o n p ur e t o r s i o n a l b e ha v i o r o f a n g l e s t e e l t r u s s r e i n f o r c e d c o n c r e t e be a m C HE N G J i a n ， S HA O Y o n g j i a n ， C H E N Z h o n g p i n g 2 ， L I U F e n g z ( 1 U n i v e r s i t y o f Sci e n c e a n d T e c h n o l o g y o f S u z h o u ， S u z h o u 2 1 5 0 1 1 ， C h i n a ； 2 G u ang x i U n i v e rs i t y ， N a n n i n g 5 3 0 0 0 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s t u d y t h e c a p a c i t y o f a n g l e s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m ( A S R C B)u n d e r t o r q u e ， 6 a n g l e s t e e l r e i nfo rce d c o n c r e t e be am s a n d 1 r e i n f o r c e d c o n c ret e be am w e re c a r r i ed o u t T h r o u g h t h e e x p e ri me n t r e s e a r c h rev e a l s t h e w o r k i n g me c h a n i s m a n d f a i l u r e mo d e s o f A S RC B u n d e r p u re t o r s i o n ， t h e f a c t o r s o f e ff ec t o n t h e c a p a c i t y w e re a l s o an a l y z e d Ex p e r i me n t res u l t s t h e t o r s i o n p r o p e rti e s o f AS R CB t h an R CB h a s b e e n g r e a tl y i mp r o v e d， a n d as t h e s t e e l r e i n f o r c e me n t r a t i o p e r u n i t v o l u me i n c rea s ed w i t h t h e i n c rea s e ， a mo n g t h e m t h e t o rsi o n p r o p e r t i e s o f me c h a n i s m wit h i n c r e asi n g i n c l i n ed a b d o me n p o l e i s b e s t Ke y w o r d s ： angle s t e e l t r u $ s ； s t e e l r e i nfo r c e d c o n c r e t e ； me c h a n i c al b e h a o r o f t o rs i o n 0 引 言 型钢混凝土结构具有 良好 的受力及抗震性能 ， 被广泛应用于各种工程结构中， 如高层、 大跨结构。 目前对型钢 昆 凝土构件在轴力、 弯矩、 剪力或者二者 共同作用下的受力性能的研究很深人， 但对其受扭 性能 的研究较少 ， 相关规范规程对型钢混凝 土构 件的受扭计算公式也没有规定。因此 ， 对型钢混凝 土梁进行抗扭试验研究和理论分析有着重要的现实 意义和广阔的工程前景。 为了解角钢桁架型钢混凝土梁( A n g le S t e e l R e i n f o r c e d C o n c r e t e B e a m， 简称 A S R C B) 的受扭性 能， 完成 了 6根 A S R C梁和 1根 R C梁在纯扭作用下 的 受扭性能的试验。本文通过试验揭示了角钢桁架型 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 8 - 0 9 作者简介 ： 成健 ( 1 9 8 7一) ， 男 ， 江苏盐城人 ， 硕 士 ， 研 究方 向为混 凝 土结构与组合结构。 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 0 7 8 2 4 9 ) Ema i l ： c j 8 8 5 1 6 2 4 0 1 2 6 c o m 钢混凝土梁在纯扭下的破坏形态和工作机理 ； 分析 了影响 A S R C梁的受扭性能的因素 ； 提 出了纯扭作 用下 A S R C梁的强度计算公式 ， 研究成果可为型钢 混凝土梁受扭的力学性能的进一步研究提供参考 。 1 试件设计与加载装置 1 1 试件设计 本次试验共设计了 6根角钢桁架型钢混凝土梁 和 1 根普通混凝土对照梁。本次试验型钢的配筋采 用角钢代替纵筋， 用短扁钢代替箍筋的设计方法， 角 钢型号为等边角钢 5 0 5 ， 腹杆为2 5 X 4扁钢。试 件尺寸和截面含钢率为定值( 不包括腹杆面积) ， 截 面含钢率约为 2 7 8 ， 试件 尺寸为 2 3 0 m m x 3 0 0 m l T I 2 0 0 0 I n n l 。主要变化参数有截面配钢形式( 增 加的斜腹杆采用前后面、 上下面对称配置) 、 混凝土 保护层厚度、 混凝土强度等级。试件设计参数见表 1 ， 试件截面形式如图 1 所示。混凝土设计强度等级 分别为C 3 0和C 5 0 ， 按 G B T S 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝 土力学性能试验方法标准 测得立方体抗压强度 成健 ， 等： 角钢桁架型钢混凝土梁纯扭性能试验研究 1 5 平均值分别 为 3 O 2 6 MP a和 4 8 9 6 MP a ， 换算得轴 心抗压强度分别为2 3 M P a 和 3 7 2 M P a ， 轴心抗拉 加 强度分别为 2 5 8 MP a和3 3 6 M P a 。型钢采用 Q 2 3 5 钢材， 按 G B T 2 2 8 -2 0 0 2 金属材料室温拉伸试验 方法 进行材性试验 ， 结果见表 2 。 表 1 试件设计参数列表 Ta b l e 1 D g n e d p a r a me t e r s o f s a m p l e s 一一 ( a ) AS RC B 2 ( b ) AS RC B - 3 图 1 试件截面形式 F i g 1 S e c t i o n t y p e s o f s a mp l e s 表 2 型钢的材性试验结果 T a b l e 2 Th e r e s u l t of t h e s t e e l S ma t e r i a l p r o p e r t i e s 1 2 试验加载制度及加载装置 本次试验设计采用 2 5 0 k N伺服作动器按位移 控制单次加载， 每下降5 m m为一级。加载、 调整过 程约为 3 0 S ， 每级的持续时间约为 51 0 mi n 。试验 停机时间设为当荷载下 降为极 限荷 载的 8 5 或承 载力突然出现大幅度下降时停止。每根试件 的加载 时间约为2 h 。加载装置如图2 所示： 试件两端的上 下面层铺设沙垫层后分别用反力架夹紧 ， 试件 的固 定端固定在反力架的中部 ， 加载端固定 于反力架 的 左端 ， 反力架右端上部安装伺服作动器 ， 作动器施加 竖向荷载给反力架， 从而实现试件的纯扭受力。 2试验结果与分析 2 1 试验过程及结果分析 角钢桁架型钢混凝土梁的破坏过程与混凝土梁 基本相 同。刚开始加载时， 型钢混凝土梁处于弹性 ( a ) 试验加载装置正面 固定端 ( b )固定端 ( c ) 加载端 圈2 试验加载装置 Fi g 2 Loa di n g s ys t e m of t e s t 阶段 ， 扭转角相对 较小。当荷载达 到开裂扭矩 时 ， 第一条斜裂缝一般 出现在试件长边表 面靠近固 定端处 ， 斜裂缝 与试件水平轴线约成 4 5 。 。随着扭 矩的增大， A S R C梁的扭转角增大略加快， 抗扭刚度 下降， 旧的斜裂缝逐渐向两端延伸， 新的斜裂缝不断 向加载端发展 ， 同时 ， 试件的短边表面也开始出现斜 裂缝 ， 并逐渐与长边表面的斜裂缝形成环绕整个试 件的螺旋形裂缝 。随着贯通裂缝的增 多， 试件被划 分为一个带斜裂缝工作的空间桁架结构。部分试件 最终破坏形态如图 3所示。 ( a ) R C B最终破坏形态 ( b AS R CB 一 2 最终破坏形态 图 3 部分试件破坏形态 F i g 3 Fa i l u r e mo d e s o f p a r t i a l s a mp l e s 当荷载接近极限扭矩 时， 混凝土表面形成多 条通长的受拉斜裂缝。此时 ， 主裂缝的数 目不再增 l 6 四川建筑科学研究 第 3 8卷 加 ， 但裂缝宽度急剧增加。破坏时 ， R C梁的裂缝主 要分布在靠近加载端 ， 裂缝分布不均匀 ， 且达到极限 扭矩后混凝土迅速压溃脱落 ， 持续时间较短 ， 从形态 上可判别为脆 性破坏 。对于 A S R C梁 ， 裂缝沿整个 梁身分布 ， 出现一条或几条宽度较大的主斜裂缝 ， 且 此时尽管有相当大的扭转角和裂缝宽度 ， 但仍能持 续受力相当长的一段时 间， 最终试件加载端和跨 中 处出现混凝土被压碎而试件破坏 ， 属于延性破坏。 主要试验结果见表 3 。 表3 试件的特征荷载及相应的扭转角实测值 Ta b l e 3 Ty p i c al l o a d i n g t o r q u e s a n d c o r r e s p o n d i n g t o r s i o na l a ng l e o f s ampl e s 试件编号 r r , O ( c。 r ) O ( y 。 ) ： 注 ： 1 ， ， 分别 为试件 的开裂扭矩 、 屈服扭矩和极限扭矩 ， 单位 是 ( k N m)； 2 ， ， 分别为相应 的开裂 扭转角 、 屈服扭 转角和极 限扭转 角 。 由表 3可以看出 ， A S R C梁的开裂扭矩稍大于 R C梁 ， 而极限扭矩 比 R C梁 大很多。对 比 R C B和 A S R C B 一 1 可以看出， 用型钢代替混凝土中的纵筋和 箍筋后， 开裂扭矩和极限扭矩分别提高了2 3 9 和 3 7 4 ， 极限扭转角也提高了一倍多， 说明 A S R C梁 体现出了良好的受力性能和更好的延性。对于A S R C B 一 1 ， 4 ， 两试件配钢形式相同时， 混凝土保护层厚 度增加 ， A S R C B - 4梁的开裂扭矩增加 了 3 7 ， 但极 限扭矩却降低了 1 3 1 ； 开裂前扭矩主要由混凝土 承担 ， 保护层越厚 ， 开裂扭矩越大 ； 但开裂后扭矩 主 要由型钢承担 ， 由于 A S R C B - 4梁腹杆体积配钢率 的 减小， 使得其极限扭矩偏低。从而得出保护层厚度 的增加， 使得型钢完全参与受扭的时间推后， 不能完 全发挥型钢作用的特点， 使得整个试件的延性较差。 由表 2中 A S R C B 一 1 ， 2 ， 3的实测数据可知， 腹杆体 积 配钢率的增加使得试件的开裂扭矩和极限扭矩增 大， 其中由于斜腹杆沿扭转方向布置， 受力性能更加 适合抗扭， 所以增加斜腹杆比增加腹杆对 A S R C梁 的抗扭承载力更有帮助。对于 A S R C B 一 1 ， 5试件 ， 由 于混凝土强度的增大 ， 试件的抗扭承载力得到提高 ， 抗扭 刚度也随之增强。 综上所述 ， 角钢桁架型钢混凝 土梁 的受扭性能 主要跟腹杆体积配钢率 、 保护层厚度和混凝土强度 等级有关 ， 根据极 限扭矩的变化情况可知 ， 影响受扭 性能程度大小的因素依 次为腹 杆体积配钢率、 混凝 土强度等级、 保护层厚度。提高腹杆体积配钢率、 混 凝土强度等级可以提高 A S R C梁的受扭性 能， 但增 加保护层厚度 ， 其极限扭矩降低 ， 相应的扭转刚度也 减小 。 2 2 试件扭矩一 扭转角曲线 纯扭作用下 A S R C梁的扭矩一 扭转角( T一0 ) 的 特征关系曲线如图4 所示， 其受力过程大致可分为 3个阶段。 图 4扭矩一 扭转角 曲线 F i g 4 Re l a t i o n s h i p c x l r v es o f t o r s i o n a n d t o r s i o n a l a n g l e 第一阶段( 弹性阶段) ： 从开始加载至开裂扭矩 ，T一0曲线基本表现为线性关系 ， 扭转角 随扭矩 的增加而线 性增 长， A S R C梁 的扭转变形较 小。这 一 阶段 ， A S R C梁 主要通过截 面上 的混凝土 的剪应 力来平衡扭矩， 同时角钢桁架对混凝土的约束作用 大于钢筋骨架， 使得 A S R C梁比R C梁的抗扭能力 有所提高。 第二阶段( 弹塑性阶段) ： 随着新裂缝的出现和 不断开展 ， 其 T一 0曲线不再保持线性关 系， 混凝土 的抗扭刚度降低 ， 试件主要 由角钢桁架上产 生的环 向剪力流来抵抗扭矩 ， 扭矩增长变慢 ， 而扭转角发展 速率加快。在试件的正面和底面靠近 固定端表面的 斜裂缝向两边延伸， 逐渐形成螺旋形斜裂缝， A S R C 梁在角钢桁架的约束下 ， 形成一个带裂缝工作的空 间桁架结构来抵抗扭矩作用。同时 ， 随着部分混凝 土退出工作， 角钢桁架抵抗外扭矩的作用逐渐增大， 从而在截面上建立起新的平衡关系。随着扭矩 的继 续增大， 型钢开始进入塑性状态， A S R C梁的扭转变 形 已很 明显 。 第三阶段 ( 破坏 阶段 ) ： 当荷 载到达 极 限扭 矩 时 ， A S R C梁进入破坏阶段 ， 其表面基本不 出现新 的 裂缝 ， 形成部分贯通斜裂缝并进入不稳定开展状态 ， 型钢逐渐全部进入塑性， 对混凝土的约束作用降低。 加载端和跨中局部表面混凝土压溃脱落， 主裂缝宽 2 0 1 2 N o 4 成健 ， 等 ： 角钢桁架型钢混凝土梁纯扭性能试验研究 l 7 度迅速增加， 试件最终破坏， 试验结束。 3 角 钢桁 架 型 钢 混 凝 土 梁 开 裂 扭 矩 与极限扭矩计算分析 3 1 开裂扭矩的计算 试验结果表明， 虽然试件开裂前 ， 角钢和腹杆的 应变很小， 但由于角钢桁架自身的抗扭刚度较大， 且 对其混凝土有约束作用， 因此， 角钢桁架在开裂前已 参与受力， 使得 A S R C梁的开裂扭矩有较大的提高。 文献 4 中提出， 钢筋混凝土梁在扭矩作用下， 纵筋和箍筋可以提高混凝土梁的开裂扭矩， 可按 下式计算： = 1+a ( p V + p ) 。 ( 1 ) 式中 系数， 取 =1 0 51 3 1 ， 平均值 为 11 8： p v l抗扭纵筋的体积配筋率 ； p ： 抗扭箍筋的体积配箍率； 相应于素混凝土构件的纯扭开裂扭矩。 根据角钢和腹杆体积配钢率对构件开裂扭矩 的 影响， 提出角钢桁架对试件开裂扭矩的约束系数 ， 故 A S R C梁的开裂扭矩计算公式可根据式 ( 1 ) 改写 为 ： A =l O 0 ： T p c r S R C 11 o ( 2 ) A 一 u u 卜 s 0 ， 式中 3 角钢桁架约束系数； p ： 角钢和腹杆 的总体积配钢率 ； 。 相应 于素混凝 土构件 的纯扭 开裂扭 矩 ， =0 7 f t ， 其 中 为混凝土抗 拉强度标准值， 为梁截面受扭塑性 抵抗矩 。 将实测 开 裂扭 矩 和相 应 的试 验 数 据代 人 式 ( 2 ) ， 可得出试件的角钢桁架约束系数 3 ， 其范围在 0 3 9 0 5 5之间。出于保守考虑，口取0 4 0再代入 式( 2 ) 得 A S R C梁的开裂扭矩计算值， 见表4 。其计 算结果 与试验结果 的平均 比值为 0 8 6 2 ， 变异 系数 为 0 1 5 4， 计算值与实测值吻合较好 。 表 4 A S R C梁开裂扭矩计算值与实测值结果对比 Ta b l e 4 Ac c o u n t c r a c k i n g t o r q u e s mo me n t a n d me a s u r e d c r a c k i n g t o r q u es mo me n t o f AS RCB 3 2 极限扭矩的计算 国内外对钢筋混凝土受扭构件 的大量试验研究 表明 5 】 ： 矩形截面构件在受扭破坏时， 其抗扭性能 与外轮廓尺寸、 材料和配筋相同的空心截面构件是 等效的， 因此， 可将矩形截面等效为箱形薄壁截面进 行计算。对于角钢桁架型钢混凝土受扭构件而言， 其破坏形态与混凝土构件类似。因此， 文中提出将 A S R C梁的角钢和腹杆分别等效为钢筋混凝土梁中 的纵筋和箍筋 ， 参照钢筋混凝土受扭构件， 采用变角 度空间桁架模型理论计算角钢桁架型钢混凝土梁的 极限扭矩。 A S R C梁的极限扭矩计算基本假定如下： 1 ) 混凝土只承受压力 ， 具有螺旋形裂缝 的混凝 土外壳组成桁架的斜压杆； 2 ) 角钢和腹杆只承受拉力， 分别为桁架的弦杆 和腹杆 ； 3 ) 忽略核心混凝土的受扭作用及型钢的销栓 作用。 对于 A S R C B 一 1 ， 3 ， 4， 5构件 ， 为与我 国混凝土 规范 的计算公式形式一致 ， 提 出 A S R C梁 的极限 扭矩计算公式为： ： + ( 3 ) 式中A ， 混凝土受扭作用系数和角钢桁架受 扭作用系数； 腹杆 的屈服强度 ； A 。 单根腹杆 的截面面积； A 截面核心部分 的面积 ； s 腹杆间距； 纵向角钢与腹杆的配钢强度比： ，： ! 厂 b A b 1 u 。 式中 角钢的屈服强度 ； 4 J 全部角钢的截面面积； e or 截面核心部分周长。 对于有斜腹杆的A S R C B - 2 ， 6 构件， 还需考虑斜 腹杆的抗扭作用， 所以式( 3 ) 修正为： ： + B ( 4 ) 式中A 单根斜腹杆的截面面积 ； 1 8 四川建筑科学研究 第 3 8 卷 0 斜腹杆和纵向角钢的夹角 ； 修正为 ， 即 ， A J + 厂 b A 。 b 1 c o s 0 ) s ( 厂 b A b 1+ A 曲 1 s i n 0 ) u c 0 r 由计算基本假定 ， 混凝土受扭作用系数 A取值 与我国混 凝 土规范 的取值 保持 一致 ， 即取 A= 0 3 5 。根据试验相关数据 ， 对角钢桁架受扭作用系 数 进行线性回归得 B= 0 6 。综上所述， 角钢桁架 型钢混凝土梁承载力计算公式为 ： ： 0 3 5f ,w , + 0 6 掣 ( 5 ) 将试验数据代入式( 5 ) 对 A S R C梁的极 限扭矩 进行计算 ， 与试验结果 比较见表 5 。其计算结果与 试验结果 的平均 比值为 0 9 8 7， 变异系数为 0 0 4 4 ， 计算结果与试验实测值吻合较好。 表5 A S R C梁极限扭矩计算值与实测值结果对比 Ta b l e 5 Ac c o u nt u l t i ma t e t o r q u e s m o me n t a n d t h e me a s u r e d ul t i ma t e t o r q u e s mo m e n t o f AS RCB 4 结论 本文通过角钢桁架型钢混凝土梁的受扭试验研 究及理论分析可以得出以下的结论 。 1 ) 纯扭作用下 A S R C梁的受力过程可分为 3 个 阶段 ： 混凝土开裂前的弹性阶段， 开裂后至极限扭矩 的弹塑性阶段 ， 极 限扭矩 以后的破坏阶段。混凝土 开裂前的弹性 阶段主要 由混凝土承担扭矩 ， 开裂后 至极 限扭矩的弹塑性阶段 由部分混凝土和角钢桁架 共同承担扭矩 ， 极限扭矩以后 的破坏阶段主要由角 钢桁架承担扭矩。 2 ) 随着型钢混凝土保护层厚度的增加 ， 试件的 延性与极限承载力降低， 使得 A S R C梁受扭时裂缝 分布相对稀疏 。随着型钢体积配钢率和混凝土强度 的增加 ， A S R C梁 的受扭性能得到提高 ， 使得试件裂 缝分布更加均匀细密。最大裂缝宽度与型钢体积配 钢率和 昆 凝土强度无关 ， 与扭转角有关 。 3 ) A S R C梁受扭过 程中， 由于型钢与混凝土之 间的粘结 ， 使得两者之间存在相互约束作用 ， 这种作 用减轻了混凝土的开裂， 提高了混凝土的抗扭刚度。 同时混凝土也相应阻止了角钢桁架的材料屈服和局 部失稳 ， 提高了角钢桁架的抗扭承载力 ， 所 以在设计 角钢桁架型钢混凝土梁时， 应考虑混凝土与型钢 的 协调工作 。 4 ) 借助我国混凝土规范 中极限扭矩计算公 式 的模式， 通过对试验数据的分析 ， 得到了角钢桁架 型钢混凝土梁极限扭矩计算公式。文中建议公式的 计算结果与试验实测结果吻合较好 。 参 考 文 献： 1 J 1 3 8 -2 001型钢混凝土组合结构技术规程 s 2 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2普通混凝土力学性能试验方法标准 s 3 G B 2 8 -2 002金属材料室温拉伸试验方法 s 4 洪敦枢 在纯扭作用下矩形截面钢筋混凝土试件的实验研究 J 福州大学学报 ， 1 9 8 1 ( 2 ) ： 9 1 5 5 殷芝霖， 张誉， 王振东 抗扭 M 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 0 6 G 001 0 -2 002混凝土结构设计规范 S