型鋼混凝土梁抗扭性能的研究與展望

王立干

(鹽城市愛達(dá)建筑工程有限公司，江蘇鹽城 224053)

0 引言

型鋼混凝土(Steel Reinforced Concrete)是指把型鋼或焊接型鋼置入鋼筋混凝土中，使型鋼、鋼筋和混凝土三種材料形成整體、協(xié)同工作以抵抗各種外部作用。它是鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)形式之一，根據(jù)內(nèi)置型鋼的形式，型鋼混凝土梁式構(gòu)件可以分為實(shí)腹式和空腹式兩種類型，見圖1。近年來(lái)隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力迅速發(fā)展和增強(qiáng)，我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)中的用鋼量也逐漸增加，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)從原來(lái)的局部采用逐步發(fā)展到整個(gè)結(jié)構(gòu)的采用。

圖1 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)截面類型

在目前的建筑結(jié)構(gòu)中，受扭構(gòu)件是普遍存在的，如框架邊梁、雨棚梁、超高層建筑轉(zhuǎn)換層大梁、體育場(chǎng)和影劇院的眺臺(tái)梁、承受水平制動(dòng)作用的吊車梁等。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和科研工作中除了考慮軸力、彎矩和剪力對(duì)梁的影響外，扭矩也是不容忽視的外力。而且實(shí)際工程中很多構(gòu)件如陽(yáng)臺(tái)梁、托梁、風(fēng)荷載或地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件、曲線形或螺旋形樓梯梁等，還處于彎矩、剪力和扭矩共同作用下的復(fù)合受扭狀態(tài)。

1 型鋼混凝土梁的抗扭性能研究現(xiàn)狀

目前對(duì)于型鋼混凝土構(gòu)件的受扭研究，國(guó)內(nèi)外尚未對(duì)其進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究。隨著建筑經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑抗震要求的提高，型鋼混凝土構(gòu)件的受扭性能研究應(yīng)得到重視。

日本《鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及解說(shuō)》［1］中提到了型鋼混凝土構(gòu)件的受扭承載力計(jì)算等方面的內(nèi)容。其將型鋼骨架和鋼筋混凝土各自受扭承載力疊加得出了型鋼混凝土的受扭承載力，但它沒有考慮到型鋼與混凝土之間的相互影響作用。

中國(guó)臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)的H-L．Hsu教授進(jìn)行了14根型鋼混凝土梁式構(gòu)件、21根空腹式型鋼混凝土構(gòu)件的低周反復(fù)荷載作用下的抗扭性能試驗(yàn)研究。得出了斜向鋼筋對(duì)SSRC梁的極限扭矩具有很大的作用，影響的大小與斜向鋼筋的截面積有關(guān);根據(jù)簡(jiǎn)單的疊加原理，還推導(dǎo)得出了型鋼混凝土純扭構(gòu)件受扭承載力公式和SSRC構(gòu)件彎扭承載力的相關(guān)方程等成果［2］。

東南大學(xué)的張根俞對(duì)實(shí)腹式SRC梁的抗扭性能進(jìn)行了理論分析及試驗(yàn)研究，進(jìn)行了2根鋼筋混凝土對(duì)比梁，6根H形型鋼混凝土梁在單調(diào)荷載作用下的純扭受力性能試驗(yàn)研究，揭示了H形型鋼混凝土梁在純扭受力情況下的破壞形態(tài)、工作機(jī)理及裂縫的發(fā)展和分布情況;提出了H形型鋼混凝土梁的開裂扭矩計(jì)算公式，鋼筋和型鋼對(duì)H形型鋼混凝土梁開裂扭矩的提高作用可以忽略不計(jì)，按素混凝土構(gòu)件計(jì)算開裂扭矩能達(dá)到滿意的精度。同時(shí)以扭彎比為研究參數(shù)，進(jìn)行了3根H形型鋼混凝土梁，3根箱形型鋼混凝土梁的復(fù)合彎扭受力性能試驗(yàn)研究，得出當(dāng)扭彎比較大時(shí)，扭矩起控制作用，試件將發(fā)生扭型破壞，當(dāng)扭彎比較小時(shí)，彎矩起控制作用，試件將發(fā)生彎型破壞［3］。

蘇州科技學(xué)院成健研究了角鋼桁架型鋼混凝土梁在扭矩作用下的受力性能，進(jìn)行了6根角鋼桁架型鋼混凝土梁和1根鋼筋混凝土對(duì)照梁純扭試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究，揭示了角鋼桁架型鋼混凝土梁在純扭作用下的受力機(jī)理與破壞形態(tài)，分析了角鋼桁架型鋼混凝土梁受扭性能的影響因素，得出了角鋼桁架型鋼混凝土梁相比普通鋼筋混凝土梁的受扭性能有很大的提高，基本上隨著腹桿體積配鋼率的提高而增大，其中增加斜腹桿的試件抗扭性能最好［4］。

西安建筑科技大學(xué)的任瑞為了研究槽鋼骨架型鋼混凝土梁(Channel Steel Reinforced Concrete Beam，簡(jiǎn)稱CSRCB)在扭矩作用下的受力性能，進(jìn)行了8根配槽鋼骨架型鋼混凝土梁和1根普通鋼筋混凝土對(duì)照梁的試驗(yàn)研究。揭示了槽鋼骨架型鋼混凝土梁在受扭作用下的破壞形態(tài)，分析了槽鋼骨架和混凝土的共同工作機(jī)理，研究了受扭作用下的影響因素。試驗(yàn)得出了槽鋼骨架型鋼混凝土梁中鋼筋和槽鋼骨架對(duì)提高梁的開裂扭矩不明顯，可以按素混凝土構(gòu)件計(jì)算公式乘以槽鋼骨架影響系數(shù)來(lái)計(jì)算CSRCB構(gòu)件的開裂扭矩;槽鋼骨架可以較大幅度的提高梁構(gòu)件的極限扭矩和后期的抗扭剛度，并能顯著改善構(gòu)件的延性;混凝土強(qiáng)度等級(jí)的高低對(duì)構(gòu)件的抗扭剛度有較大的影響，基本上成正比例關(guān)系;綴條形式對(duì)構(gòu)件的抗扭剛度影響比較小，綴條角度和綴條間距對(duì)構(gòu)件的抗扭剛度有直接的影響，在一定的范圍內(nèi)，綴條間距越大抗扭效果越好［5］。

2 型鋼混凝土梁的抗扭性能試驗(yàn)研究

2．1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)制作了2根空腹式SRC梁，主要考慮在試件截面尺寸和角鋼型號(hào)相同的情況下，研究腹桿體積配鋼率等變化參數(shù)是否對(duì)試件受扭性能產(chǎn)生影響。試件體積尺寸統(tǒng)一為230 mm×300 mm×2 200 mm，角鋼型號(hào)為等邊角鋼:50 mm×5 mm，腹桿為25 mm×4 mm扁鋼;試件截面含鋼率約為2．78%(不包括腹桿的面積)，測(cè)試區(qū)腹桿間距為200 mm和100 mm，非測(cè)試區(qū)腹桿間距統(tǒng)一為70 mm。試件基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，試件的截面配鋼形式見圖2。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)列表

圖2 試件截面形式

2．2 試驗(yàn)結(jié)果分析

兩根SRC梁的受扭破壞過(guò)程基本相同，在彈性階段，扭轉(zhuǎn)角相對(duì)較小。當(dāng)達(dá)到開裂扭矩時(shí)，第一條裂縫一般出現(xiàn)在試件測(cè)試區(qū)底面左端位置，分級(jí)施加扭矩，斜裂縫與SRC梁的水平軸線約呈 45°。

隨著荷載的增加，斜裂縫開始延伸，逐漸向兩端延伸，舊的斜裂縫也隨著扭矩的增大向兩端延伸，新的斜裂縫不斷向加載端延伸發(fā)展，同時(shí)，試件的底面、頂面出現(xiàn)的裂縫逐漸與背面、正面的斜裂縫形成環(huán)繞整個(gè)試件的螺旋形通縫。隨著斜裂縫的開展，試件出現(xiàn)了1條～2條貫通的主裂縫，試件的頂、底、正及背四個(gè)面也布滿了多條斜裂縫，試件被形成一個(gè)帶裂縫工作的空間桁架結(jié)構(gòu)。

當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，主裂縫的數(shù)目不再增大，但裂縫寬度不斷增加，主裂縫之間出現(xiàn)了細(xì)小的橫向裂縫。破壞時(shí)，裂縫沿整個(gè)梁身分布，加載端盡管有相當(dāng)大的扭轉(zhuǎn)角，但試件仍能持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間且裂縫寬度也相對(duì)較小;最終SRC梁由于型鋼屈服，試件棱角處混凝土被壓碎破壞(見圖3)，SRCB-2是由于加載端位移過(guò)大而停止加載，所以SRC梁的破壞屬于延性破壞。

圖3 試件SRCB-1最終破壞形態(tài)

3 結(jié)論及有待進(jìn)一步研究的問題

SRC梁的受扭過(guò)程可以分為三個(gè)階段:試件開裂前的彈性階段，開裂后的彈塑性階段以及達(dá)到極限扭矩之后的破壞階段。試件開裂前的彈性階段由混凝土承擔(dān)主要荷載，開裂后的彈塑性階段由型鋼骨架和混凝土共同承擔(dān)扭矩荷載作用，極限扭矩之后的破壞階段幾乎完全由型鋼骨架來(lái)承擔(dān)扭矩荷載作用。型鋼混凝土梁作為重要的橫向承重構(gòu)件，已經(jīng)在工程界得到了廣泛的重視和應(yīng)用，型鋼混凝土梁受扭性能的研究越來(lái)越重要。本文對(duì)型鋼混凝土梁的受扭性能作了一些探討，但由于時(shí)間，試驗(yàn)條件的限制，目前，型鋼混凝土梁的抗扭性能有待進(jìn)一步研究的問題有:

1)對(duì)復(fù)合受扭下實(shí)腹式及空腹式SRC梁的受扭性能及型鋼骨架和混凝土之間的粘結(jié)滑移等有待進(jìn)一步研究。

2)型鋼混凝土梁復(fù)合受扭的承載力計(jì)算分析和彎剪扭相關(guān)曲線的分析。

3)與其他結(jié)構(gòu)形式的空腹式型鋼混凝土梁抗扭性能的對(duì)比研究。

4)在低周反復(fù)荷載作用下型鋼混凝土梁的受扭承載力和破壞機(jī)理研究。

［1］日本建筑學(xué)會(huì)．鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及解說(shuō)［M］．馮乃謙，葉列平，陳延年，等，譯．北京:能源出版社，1998．

［2］H-L．Hsu．Flexural-torsion performance of thin-walled steel hollow box columns subjected to a cyclic eccentric load［J］．Thin-Walled Structures，2007(3):71-73．

［3］張根俞．型鋼混凝土梁受扭性能的試驗(yàn)研究及理論分析［D］．南京:東南大學(xué)，2009．

［4］成 健，邵永健，陳宗平，等．角鋼桁架型鋼混凝土梁純扭性能試驗(yàn)研究［J］．四川建筑科學(xué)研究，2012(4):14-18．

［5］任 瑞．配槽鋼骨架的型鋼混凝土梁受扭性能試驗(yàn)研究［D］．西安:西安建筑科技大學(xué)，2011．