型钢混凝土构件受扭刚度分析研究.doc

型钢混凝土构件受扭刚度分析研究白果,秦士洪(重庆大学土木工程学院,400045)摘 要:为探索型钢混凝土构件在纯扭矩作用下的扭转刚度,进行了不同配筋率、配箍率、配钢率的四根型钢混凝土构件纯扭试验。通过试验得出了配筋率、配箍率、配钢率对于构件开裂后的扭转刚度是有明显影响的。分析型钢混凝土构件的扭矩-扭转角曲线可知,型钢混凝土构件的纯扭受力过程可以分为构件开裂前、构件屈服前以及构件极限状态时三个阶段,并建立了各个阶段的纯扭刚度计算方法,计算结果与试验结果符合较好,可作为进一步研究参考。关键词:型钢混凝土,纯扭刚度,计算方法一、引言与传统的结构形式一样,型钢混凝土结构也是由最基本的梁、柱、墙、筒体等构件或杆件连接而成,不同之处在于它所用材料不同,是以型钢为钢骨埋入钢筋混凝土中(区别于外包钢和钢骨混凝土结构的型钢外露),使型钢与混凝土,钢筋三种材料协同工作成为一种组合结构来抵抗外部各种作用效应。这种结构体系在日本被称之为铁骨钢筋或者SRC结构(SteelReinforcedConcreteStructure),在英、美等西方国家则被称为混凝土包钢结构(即SteelEncasedConcrete),而在前苏联等国家人们****惯称之为劲性钢筋混凝土结构。回顾以往的的研究我们可以发现,国内外的学者专家通过有限元分析,试验研究以及工程实践等都对型钢混凝土做了大量的研究,并形成了相关的著作和规范条文。但是,已有的研究成果基本上集中于型钢混凝土构件的正截面受弯、斜截面受剪、节点构造设计等等,对型钢混凝土构件的纯扭乃至复合受扭都很少提及,并无相关研究成果。我国已有的两部关于型钢混凝土的规范《钢骨混凝土结构设计规程》和《型钢混凝土组合结构技术规程》中均没有涉及扭转的问题,所以开展型钢混凝土构件受扭的课题研究是很有必要的。本文通过对SRC构件在纯扭状态下的试验,绘制了各试件的扭矩一单位扭转角曲线,依据本次型钢混凝土构件扭转变形实测曲线,建立一套可描述型钢混凝土构件纯扭刚度计算的方法,并与试验结果相对比,探讨此方法的合理性。二、型钢混凝土梁抗扭刚度试验(一)试件设计总共试验了4根试件,,试验区段长均为800mm。普通钢筋采用HPB235和HRB335两种级别,除了SRC3的纵筋采用了HRB335级直径12mm的钢筋外,其他各构件中的纵筋均选用HRB335级直径10mm的钢筋。各构件中的箍筋全部采用的是HPB235级8钢筋。构件中的型钢采用Q235热轧H型钢,不同的是构件SRC1、SRC2和SRC3选用的是H150×75×5×7型钢,而SRC4选用得是H160×88×6×。所有构件的型钢均对称布置,即型钢的型心与截面的型心重合。配制混凝土强度等级时按C40进行配制,构件混凝土保护层厚度均为20mm。具体的截面参数见表1。表1各试件截面参数表试验梁截面尺寸纵筋纵筋率箍筋箍筋率型钢型钢率SRC-1225×%******@%150×75×5×%SRC-2225×%******@%150×75×5×%SRC-3225×%******@%150×75×5×%SRC-4225×%******@%160×88×6×%        (二)试件加载方案本次试验采用一端嵌固、一端自由扭转受力模型;加载严格按照《混凝土结构试验方法标准》。施工时在试件两端分别浇筑固定横梁和加载横梁。构件加载时,在表2混凝土及钢材的材料性能加载横梁两端采用2个同步100kN油压千斤顶反向对称加载,从而形成加载扭矩;为了使构件能够自由转动,特在试件加载横梁下端设置一转动铰支座;把固定端横梁直接放置于刚性台座上并用两个手摇千斤顶对试件预加两个集中力,从而保证试件在扭转过程中固定端始终保持固定,如图1所示。三、试验结果及纯扭刚度理论分析刚度的变化是构件属性的一个重要指标,直接反映其延性和变形能力。文献[1]中定义扭转刚度为在扭矩作用下单位长度上的扭转角。 (1)   式中为构件在扭矩T作用下,单位长度内的扭转角。在型钢混凝土构件扭转试验中,四根型钢混凝土构件的扭转变形曲线如图2所示:从图2可以看出,尽管四根构件的配筋率、配箍率、配钢率不同,但在构件开裂前其扭转刚度基本上是相同的,试件为弹性状态,抗扭刚度为线性变化,试件变形较小,扭转刚度主要取决于构件截面尺寸和混凝土强度等级。构件裂缝出现后,抗扭刚度显著降低,这是因为裂缝出现造成了混凝土的卸荷,钢筋应变随着应力的突然增大而增大,而钢筋的应变又直接反映为裂缝的宽度,从而加大了扭转角。SRC—1配箍率最小,开裂后扭转刚度下降最快,SRC—3和SRC—4由于配筋率和配钢率较大,开