吳見(jiàn)豐，郝娟（江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,南京 210019）

中空箱型型鋼混凝土梁的抗扭性能研究

吳見(jiàn)豐，郝娟
（江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,南京 210019）

型鋼混凝土已成為土木工程領(lǐng)域最有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)之一，但對(duì)型鋼混凝土的抗扭性能分析卻很少。論文對(duì)中空箱型型鋼混凝土梁的抗扭性能進(jìn)行了研究。通過(guò)2根中空箱型型鋼混凝土梁在純扭狀態(tài)下的受力實(shí)驗(yàn)，分析了中空箱型型鋼混凝土梁的破壞特征，推導(dǎo)了中空箱型型鋼混凝土梁的極限扭矩及開(kāi)裂扭矩公式。結(jié)果表明，公式計(jì)算結(jié)果能較好地與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

中空箱型型鋼混凝土；極限扭矩；開(kāi)裂扭矩；破壞特征

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.005

中空箱型型鋼混凝土梁（hollow box steel reinforced concretebeams，以下簡(jiǎn)稱HBSRCB梁）是在混凝土梁中配置箱型型鋼,并配置一定的縱向受力鋼筋及箍筋的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

目前，對(duì)型鋼混凝土梁的受彎承載力研究較多，但對(duì)型鋼混凝土梁的受扭性能分析研究卻不多見(jiàn)。我國(guó)頒布的《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]和《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]均未給出型鋼混凝土梁的受扭承載力計(jì)算公式。本文對(duì)HBSRCB梁的純扭受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并提出了HBSRCB梁在純扭狀態(tài)下的極限扭矩和開(kāi)裂扭矩計(jì)算公式。計(jì)算公式可為型鋼構(gòu)件的彎、剪、扭復(fù)合受力作用計(jì)算提供參考依據(jù)。

1　　實(shí)驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)與制作

本試驗(yàn)共計(jì)完成了2根鋼箱內(nèi)置無(wú)混凝土的HBSRCB梁。L1內(nèi)置箱型鋼截面為60mm×120mm×4mm，L2內(nèi)置箱型鋼截面為80m×160m×4m，型鋼采用Q235鋼材。試件外形尺寸均為0.2m×0.3m×2.6m,試件中部1.44m范圍為儀器量測(cè)區(qū)段。為防止加載時(shí)端部應(yīng)力集中引起破壞，對(duì)兩加載端進(jìn)行了箍筋加密和增大截面，試件的型鋼配置跟鋼筋配置見(jiàn)圖1。

圖1　鋼筋配置與截面

表1　鋼材及鋼筋性能指標(biāo)

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.2.1破壞過(guò)程及其形態(tài)

通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出,HBSRCB梁的純扭受力破壞過(guò)程與普通混凝土構(gòu)件基本相似：在加載初期HBSRCB梁基本處于彈性階段，扭率較小。構(gòu)件首條斜裂縫在試件一側(cè)面(受拉面)中部產(chǎn)生。隨著荷載的不斷加大，斜裂縫逐漸沿與試件縱軸約成45°的方向向兩邊延伸,同時(shí)，裂縫數(shù)量和寬度也不斷增加，直到兩短邊出現(xiàn)裂縫，最后，在構(gòu)件四面形成螺旋狀裂縫，直至破壞。

在混凝土開(kāi)裂后，HBSRCB梁的扭率增長(zhǎng)明顯加快，并伴隨著抗扭剛度的較大下降。當(dāng)荷載接近極限荷載時(shí)，沿梁全長(zhǎng)形成分布均勻的斜裂縫(見(jiàn)圖2)。此時(shí)，裂縫數(shù)量不再增加，而裂縫寬度則不斷增大。達(dá)到極限荷載后，HBSRCB梁上出現(xiàn)幾條寬度較大的主斜裂縫，且裂縫寬度快速增大，主裂縫間混凝土壓碎，HBSRCB梁達(dá)到受扭破壞狀態(tài)，此時(shí)，承載力與極限承載力相比沒(méi)有明顯下降。

圖2　HBSRCB梁受扭出現(xiàn)均勻的斜裂縫圖

1.2.2T-θ'的特征關(guān)系曲線

HBSRCB梁的T-θ'的特征關(guān)系曲線（見(jiàn)圖3）可以分為三個(gè)階段。第一階段(O-A)為彈性階段，扭矩從0至開(kāi)裂扭矩Tcr，T-θ'曲線大致表現(xiàn)為線彈性關(guān)系。由于配置了箱型型鋼，HBSRCB梁的開(kāi)裂扭矩比正常混凝土梁的開(kāi)裂扭矩要大。在(O-A)后半段，即接近Tcr時(shí)，T-θ'曲線表現(xiàn)出了一定的非線性，說(shuō)明部分混凝土已經(jīng)具有了一定的塑性變形。在這一階段，HBSRCB梁通過(guò)外圈鋼筋混凝土跟內(nèi)置箱型型鋼各自產(chǎn)生的剪力流來(lái)抵抗扭矩作用。

圖3　HBSRCB梁的T-θ'曲線

第二階段(A-B)為彈塑性階段，隨著斜裂縫的持續(xù)開(kāi)展，HBSRCB梁的T-θ'曲線更加表現(xiàn)出了明顯非線性，即扭率發(fā)展速率加快，而扭矩增長(zhǎng)減緩。此時(shí)由鋼筋骨架跟混凝土斜壓桿形成的桁架體系和內(nèi)置箱型型鋼共同抵抗扭矩。B點(diǎn)為HBSRCB梁的極限扭矩點(diǎn)，此時(shí)，型鋼的應(yīng)變已經(jīng)較大，而鋼筋也開(kāi)始進(jìn)入塑性狀態(tài)。

第三階段(B-C)：破壞下降階段，從極限扭矩點(diǎn)B開(kāi)始，HBSRCB梁進(jìn)入破壞階段。外圈鋼筋混凝土的螺旋狀裂縫進(jìn)人不穩(wěn)定開(kāi)展?fàn)顟B(tài)，并伴隨有局部表面混凝土壓壞脫落，鋼筋大部分也都進(jìn)入塑性狀態(tài)，而箱型型鋼基本處于彈性階段。由曲線可知，在B-C段，曲線下降緩慢，并且承載力下降比值不大，說(shuō)明HBSRCB梁的抗扭延性比普通混凝土梁增大很多。

由此可知，內(nèi)置箱型型鋼的抗扭剛度以及外圈鋼筋混凝土梁的配筋和混凝土強(qiáng)度是決定HBSRCB梁極限扭矩跟開(kāi)裂扭矩的主要影響因素。在計(jì)算開(kāi)裂扭矩及極限扭矩時(shí)，可簡(jiǎn)化為外圈鋼筋混凝土梁與內(nèi)置箱型型鋼兩者承載力之和。

2　HBSRCB梁開(kāi)裂扭矩計(jì)算

HBSRCB梁的開(kāi)裂扭矩可表示為：

式中，T1c為開(kāi)裂時(shí)外圈鋼筋混凝土所承受的扭矩；T2s為混凝土開(kāi)裂時(shí)箱型型鋼所承受的扭矩。

2.1T1c的計(jì)算

鋼筋混凝土梁受扭時(shí)，在扭矩達(dá)到開(kāi)裂扭矩前，梁的應(yīng)變很小，鋼筋的應(yīng)變也很小，其對(duì)開(kāi)裂扭矩基本無(wú)影響，可以忽略鋼筋骨架影響。由文獻(xiàn)[5]可得T1c的計(jì)算公式為：

式中，各參數(shù)含義詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

2.2T2s的計(jì)算

對(duì)于HBSRCB梁來(lái)說(shuō)，當(dāng)混凝土開(kāi)裂時(shí)，構(gòu)件內(nèi)置的箱型型鋼還處于彈性階段，應(yīng)變和應(yīng)力成線性關(guān)系。因此，箱型型鋼的抗扭扭矩T2s可表示為：

式中，Js[6]代表箱型型鋼的極慣性矩。

由前述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，開(kāi)裂時(shí)內(nèi)置型鋼跟外圈鋼筋混凝土的扭率大致相同，和文獻(xiàn)[7]的結(jié)果一致。所以，在HBSRCB梁開(kāi)裂時(shí)，外圈鋼筋混凝土的扭率θc等于內(nèi)置箱型型鋼的扭率θs。參考文獻(xiàn)[8][9]，通過(guò)推導(dǎo)，可得純扭作用下HBSRCB梁的開(kāi)裂扭矩如下式：

式中，Itc為混凝土截面抗扭彈性慣性矩，Ec為混凝土的彈模；ν為泊松比；ψ1為構(gòu)件開(kāi)裂純扭剛度降低系數(shù)值，可取為0.65[9]。

HBSRCB梁在純扭下的開(kāi)裂扭矩計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較見(jiàn)表2，表中實(shí)測(cè)值比計(jì)算值偏大，但誤差都在可接受范圍。

表2　HBSRCB梁開(kāi)裂扭矩、極限扭矩計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3　HBSRCB梁極限扭矩計(jì)算

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)文獻(xiàn)[2]的要求布置了剪力件，并且通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)，可知在彈性階段和塑性階段兩者基本沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。故為簡(jiǎn)化計(jì)算，可忽略兩者間黏結(jié)滑移的影響，將其視為1個(gè)協(xié)同工作的整體。

HBSRCB梁的極限扭矩可表示為：

式中，Tu為HBSRCB梁的極限扭矩；Tsu為內(nèi)置箱形型鋼的抗扭極限承載力；Trcu表示鋼筋混凝土部分的抗扭極限承載力。

3.1Trcu的計(jì)算

參照混凝土規(guī)范[10]，可得Trcu的計(jì)算公式如下：

式中，各參數(shù)代表含義詳見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

3.2Tsu的計(jì)算

當(dāng)HBSRCB梁在受扭時(shí)，其極限承載力破壞可分為兩種。第一種情況為內(nèi)置箱型型鋼未屈服，第二種情況為內(nèi)置箱型型鋼屈服，此兩種情況外圈鋼筋混凝土都會(huì)達(dá)到屈服。因?yàn)镠BSRCB梁是否破壞主要是由外圈鋼筋混凝土在受力后的裂縫及混凝土壓碎情況確定。當(dāng)外圈鋼筋混凝土部分與內(nèi)置的箱型型鋼的外周長(zhǎng)之比較小，且兩者面積之比也較小時(shí)，內(nèi)置箱型型鋼才會(huì)發(fā)生屈服。

3.2.1型鋼未屈服時(shí)的Tsu計(jì)算

此時(shí)內(nèi)置箱型型鋼處于線彈性階段，應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榧兙€性關(guān)系，則其型鋼的抗扭極限承載力Tsu可表示為：

由前可知，HBSRCB梁在受扭過(guò)程中，混凝土與型鋼二者能保持良好的黏結(jié)性能，可得2者扭轉(zhuǎn)角相等。通過(guò)推導(dǎo)，可得HBSRCB梁的極限扭矩Tu可表示：

式中，K″t10[11]代表外圍鋼筋混凝土的鋼筋屈服時(shí)的抗扭剛度。

3.2.2型鋼屈服時(shí)的Tsu計(jì)算

當(dāng)HBSRCB梁達(dá)到極限承載能力時(shí)，內(nèi)置型鋼達(dá)到屈服，可得：

式中，fyvs為箱型型鋼的抗剪屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ts為型鋼壁厚;As為壁厚中心線所圍面積。

此時(shí)HBSRCB梁的極限扭矩Tu可表示為：

當(dāng)不能判斷在HBSRCB梁達(dá)到抗扭極限承載力時(shí)內(nèi)置型鋼是否屈服，可分別按式（8）或式（10）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果取兩式計(jì)算的小值。HBSRCB梁的極限扭矩實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，該計(jì)算值與實(shí)測(cè)值具有較高精度。

4　結(jié)論

1）本文對(duì)2根HBSRCB梁進(jìn)行了純扭受力試驗(yàn)性能研究，分析了HBSRCB梁的破壞特征和T-θ'特征關(guān)系曲線，結(jié)果表明在受扭時(shí)內(nèi)置箱型型鋼能與外圈鋼筋混凝土共同工作。

2）根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，提出了HBSRCB梁的開(kāi)裂扭矩和極限扭矩的計(jì)算公式，通過(guò)與實(shí)測(cè)值比較，可知本文提出的理論計(jì)算公式計(jì)算簡(jiǎn)便，精度較高。

3）當(dāng)不能判斷HBSRCB梁達(dá)到抗扭極限承載力時(shí)內(nèi)置型鋼是否屈服，應(yīng)按型鋼屈服與不屈服兩個(gè)公式分別進(jìn)行計(jì)算，取較小值為HBSRCB梁的抗扭極限承載力值。

4）本文為內(nèi)置箱型型鋼混凝土梁的抗扭承載力理論計(jì)算提供了依據(jù)，并為型鋼混凝土梁的彎剪扭復(fù)雜受力性能分析提供參考。

【1】YB 9082—2006鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

【2】JGJ138－2001型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

【3】張根俞.型鋼混凝土梁受扭性能的試驗(yàn)研究與理論分析[D].南京：東南大學(xué)土木工程學(xué)院,2009.

【4】過(guò)鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土原理[M].北京：清華大學(xué)出版社,1998.

【5】藍(lán)宗建.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京：東南大學(xué)出版社,2008.

【6】黃劍源.薄壁結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)分析[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1983.

【7】YANG CHUN,CAIJIANExperimantal study on box shape steel reiforced concrete benam[J].Journalof Southeast University (Englishi Edition),2005,21(4):463-468.

【8】殷芝霖.鋼筋混凝土構(gòu)件的抗扭剛度[J].建筑結(jié)構(gòu),1981(3):16-24.

【9】王仲秋.矩形截面鋼筋混凝土構(gòu)件的抗扭剛度[J].哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1983(3):27-37.

【10】GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【11】胡少偉.組合梁抗扭分析與設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社,2005.

Research on Torsional Behavior of Hollow BoxSteel ReinforcedConcreteBeams

WU Jian-feng，HAO Juan
(JiangsuProvincialArchitecturalDesignandResearch InstituteCo.Ltd.，Nanjing 210019，China)

Steelreinforced concrete(SRC)structuresareused increasinglymore forpracticalengineering,butnotmanyantitw ist performanceanalysisofsteelreinforcedconcrete.so thetorsionalbehaviourofhollow boxsteelreinforced concretebeams(HBSRCB) were studied.Two hollow box steel reinforced concrete beams are tested under pure torion.The failure mode of hollow box steel reinforced concrete beam isdiscussed,and the calculation formula ofultimate torque and cracking torque are proposed.The results show thatthecalculation resultsoftheformulawasingoodagreementw ith theexperimentaldata.

beamw ithencasedsteelbox；ultimatetorque；cracking torque；failuremode

TU375.1

A

1007-9467（2016）11-0031-03

吳見(jiàn)豐（1985～），男，福建屏南人，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，從事組合結(jié)構(gòu)與減震隔震結(jié)構(gòu)研究。

2016-06-03