扭矩作用下型鋼混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

杭子彥，邵永健，施懷博

（1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011；2.徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 徐州221009）

隨著建筑高度和跨度的不斷增加，以及造型各異的不規(guī)則建筑的增多，結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異的型鋼混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用[1]。結(jié)構(gòu)構(gòu)件往往處于復(fù)雜受力狀態(tài)，例如不規(guī)則建筑框架結(jié)構(gòu)的角柱處于壓彎剪扭共同作用的復(fù)雜受力狀態(tài)，其承載力低于壓彎剪共同作用柱的承載力。而目前我國(guó)兩部相關(guān)規(guī)范《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》和《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1-2]均未給出扭矩作用下SRC構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。國(guó)外主要有以下三種計(jì)算方法：一是歐美以鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論為基礎(chǔ)，再結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果加以修正[3]；二是前蘇聯(lián)以鋼筋混凝土設(shè)計(jì)計(jì)算理論為基礎(chǔ)，再考慮鋼筋混凝土和型鋼共同工作[4]；三是日本采用基于疊加法的計(jì)算理論[5]。國(guó)內(nèi)雷強(qiáng)利用ANSYS對(duì)受扭構(gòu)件建立有限元模型進(jìn)行非線性分析，并結(jié)合試驗(yàn)提出了型鋼混凝土純扭作用下的承載力計(jì)算模型[6]。譚曉演利用ANSYS對(duì)8根H型型鋼混凝土和含矩形鋼管中空型鋼混凝土純扭構(gòu)件進(jìn)行模擬，并與已有試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，得出含矩形鋼管中空型鋼混凝土構(gòu)件的抗扭性能最好[7]。梁書(shū)亭等通過(guò)5根工字型SRC梁的復(fù)合受扭試驗(yàn)研究表明，適當(dāng)?shù)膹澗赜兄谔岣咂淇古?qiáng)度[8]。邵永健等進(jìn)行了23根不同配鋼形式的SRC梁受扭試驗(yàn)研究表明，增加配鋼率能有效提高構(gòu)件的延性和承載力[9-10]。翁曉紅等對(duì)復(fù)合受扭型鋼混凝土柱抗震性能的試驗(yàn)研究表明，SRC受扭試件相比鋼筋混凝土受扭試件具有更好的延性[11]。而目前國(guó)內(nèi)綜合不同配鋼形式SRC柱的受力性能研究較少，因此本文綜合三種不同配鋼形式，對(duì)扭矩作用下SRC柱的受力性能進(jìn)行研究，獲取試件的破壞形態(tài)、裂縫發(fā)展規(guī)律、扭矩-扭率曲線、延性等。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件按照1∶2縮尺設(shè)計(jì)，底端固定，頂端自由。共設(shè)計(jì)10個(gè)試件，其中3個(gè)為十字型型鋼混凝土試件，3個(gè)為H型型鋼混凝土試件，3個(gè)為角鋼桁架混凝土試件，1個(gè)為鋼筋混凝土對(duì)比試件。試件尺寸規(guī)格：柱身截面為300 mm×300 mm，柱高為900 mm，底部固定端為460 mm×500 mm×1 200 mm，加載點(diǎn)至基礎(chǔ)頂面距離—————————為H0=820 mm，剪跨比λ=H0／h=2.73。為防止加載處混凝土局部受壓破壞而在柱頂200 mm高度范圍內(nèi)預(yù)埋了一個(gè)300 mm×300 mm×10 mm的方鋼管。十字型鋼由2個(gè)規(guī)格為HN200 mm×100 mm×5.5 mm×8 mm的H型鋼焊接組成；H型鋼規(guī)格為HW150 mm×150 mm×7 mm×10 mm；角鋼規(guī)格為L(zhǎng)63 mm×8 mm，腹板尺寸為120 mm×25 mm×8 mm。試件截面具體設(shè)計(jì)參數(shù)和尺寸見(jiàn)表1所列及圖1所示。

1.2 加載裝置與加載制度

試驗(yàn)在蘇州科技大學(xué)江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,加載裝置如圖2所示，通過(guò)一個(gè)豎向千斤頂在試件頂部施加豎向荷載，產(chǎn)生軸向壓力；通過(guò)一個(gè)水平伺服作動(dòng)器對(duì)試件施加偏心水平荷載F，在試件中產(chǎn)生彎矩、剪力和扭矩；試件基礎(chǔ)由工字鋼和地錨螺栓固定，形成固定端。偏心水平荷載F的等效作用如圖3所示，A面為剪力相加面；B面為彎曲受壓面；C面為剪力相減面；D面為彎曲受拉面。

試驗(yàn)采用位移加載。首先進(jìn)行預(yù)加載，豎向軸力加載至預(yù)估值的20%，水平位移加載2 mm。然后正式加載，豎向軸壓力一次性加載到預(yù)估值，并維持恒定。水平推力采用位移分級(jí)加載，在試件未開(kāi)裂時(shí)每級(jí)加載2 mm，開(kāi)裂后每級(jí)加載4 mm，達(dá)到最大荷載后每級(jí)加載8 mm，當(dāng)荷載下降至最大荷載的85%時(shí)終止加載。每級(jí)持載5 min，采集數(shù)據(jù)并記錄裂縫發(fā)展等試驗(yàn)現(xiàn)象。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

主要測(cè)試內(nèi)容為：混凝土、鋼筋、型鋼的應(yīng)變，以及每級(jí)位移下試件的扭轉(zhuǎn)變形與裂縫。裂縫用黑色油性筆畫(huà)出發(fā)展走向，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動(dòng)采集。

應(yīng)變片布置在距基礎(chǔ)頂面100 mm、300 mm兩個(gè)截面上，每個(gè)截面布置8片，混凝土與型鋼應(yīng)變片布置如圖4所示。位移計(jì)布置如圖5所示。

試件在荷載作用下扭轉(zhuǎn)變形通過(guò)扭率（單位扭轉(zhuǎn)角）來(lái)反映，扭轉(zhuǎn)角通過(guò)試件位移計(jì)來(lái)測(cè)量，根據(jù)圖5位移計(jì)1和位移計(jì)2測(cè)得的變形δA、δB，可得到試件扭轉(zhuǎn)角φ和扭率θ計(jì)算公式，分別為式（1）和式（2）。

式中，δA、δB分別為位移計(jì)1和位移計(jì)2的實(shí)測(cè)值，mm；lAB=400 mm，是位移計(jì)1和位移計(jì)2之間的水平距離。

圖4 應(yīng)變片布置

圖5 位移計(jì)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

圖6為試件破壞的最終形態(tài)。9個(gè)型鋼混凝土試件中，扭彎比1∶1的6個(gè)試件初始裂縫出現(xiàn)在A面（剪力相加面）中部靠下位置，扭彎比1∶2的3個(gè)試件初始裂縫出現(xiàn)在D面（彎曲受拉面）中部靠下位置。隨著扭矩增加，裂縫逐漸沿斜向上、下方向延伸，寬度增加，4個(gè)面的裂縫逐漸貫通，并呈螺旋狀，每1面都有1～2條主裂縫貫通全截面。在荷載下降段，隨著位移增加，試件表面混凝土起皮、脫落，并伴有噼啪響聲，保護(hù)層混凝土相繼退出工作，主要由核心混凝土和型鋼共同承受外荷載。由于試件角部約束作用小，混凝土與型鋼間產(chǎn)生粘結(jié)滑移，4個(gè)面的右下角形成三角體翹起。其后可聽(tīng)到混凝土內(nèi)部爆裂聲音，柱表面混凝土被拉斷錯(cuò)位，當(dāng)荷載下降至最大荷載的85%時(shí)停止加載。鋼筋混凝土對(duì)比試件一開(kāi)裂很快就屈服，裂縫疏而寬，破壞時(shí)的扭轉(zhuǎn)變形相對(duì)較小。

圖6 試件破壞的最終形態(tài)

2.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 型鋼混凝土試件復(fù)合受扭實(shí)測(cè)結(jié)果

2.2.1 扭矩T與扭率θ曲線分析

圖7為10個(gè)試件受力過(guò)程的T-θ曲線，可分為3個(gè)階段：開(kāi)裂前的線彈性階段，這一階段T-θ曲線斜率大，即試件的初始剛度大；彈塑性階段：隨著裂縫出現(xiàn)，裂縫截面混凝土逐漸退出工作，T-θ曲線斜率逐漸減小，試件剛度降低，至極限扭矩；破壞階段：超過(guò)極限扭矩后，T-θ曲線開(kāi)始下降，保護(hù)層混凝土開(kāi)始起皮甚至脫落。

（1）軸壓比對(duì)受扭性能的影響。分析圖6和圖7中的軸壓比對(duì)比試件（1號(hào)試件和2號(hào)試件）可知，軸壓比大的試件， 曲線初始段稍高出軸壓比小的試件，軸壓比的提高，有助于提高試件的初始剛度、開(kāi)裂扭矩和極限扭矩。分析表2中，3種配鋼形式SRC試件中的1號(hào)和2號(hào)試件的極限扭矩可知，軸壓比從0.1增長(zhǎng)到0.2，極限扭矩平均增長(zhǎng)11.9%。這是由于軸壓力產(chǎn)生的壓應(yīng)力約束混凝土，同時(shí)可減小因扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，延緩裂縫的發(fā)展。

圖7 試件T-θ曲線

（2）扭彎比對(duì)受扭性能的影響。分析圖6和圖7中的扭彎比對(duì)比試件（2號(hào)試件和3號(hào)試件）可知，扭彎比小，則試件所受彎矩和剪力相對(duì)較大，彎矩和剪力對(duì)試件的影響加大，導(dǎo)致箍筋對(duì)試件的橫向變形約束削弱。由于空腹式的角鋼和綴板形成了類(lèi)似于箍筋的二次約束，所以扭彎比大小對(duì)于角鋼桁架混凝土前期受力影響不明顯。而對(duì)于實(shí)腹式的十字型鋼和H型鋼試件，扭彎比大試件的前期受力性能明顯有所改善。分析表2中，3種配鋼形式SRC試件中的2號(hào)和3號(hào)試件的極限扭矩可知，扭彎比從1∶1減小到1∶2，極限扭矩平均減小2.3%。這是由于扭彎比減小，即彎矩影響增大，且試件均為對(duì)稱(chēng)配鋼（筋），彎矩與扭矩引起的拉應(yīng)力疊加，從而導(dǎo)致受扭承載力降低，但降低幅度小。

（3）配鋼形式對(duì)受扭性能的影響。分析圖7（d）可知，受扭初期4個(gè)試件的T-θ曲線大致相似，反映出不同配鋼形式對(duì)試件初期的受力性能影響較小。混凝土開(kāi)裂后，RCZ試件的受力性能明顯比配型鋼試件的差，尤其是承載力與極限變形明顯低于SRC試件。3種SRC試件中，配角鋼桁架試件的表現(xiàn)最為優(yōu)越，由于加載后期外部鋼筋籠破壞后，空腹式的角鋼桁架可以形成一個(gè)鋼骨籠對(duì)核心混凝土進(jìn)行二次約束，隨著混凝土變形加大，不斷地向外膨脹，產(chǎn)生對(duì)角鋼桁架的擠壓力，同時(shí)角鋼桁架的反作用力對(duì)混凝土提供約束作用，使混凝土得到很好約束，提高了試件整體的受扭性能；型鋼翼緣沿截面對(duì)稱(chēng)分布的配十字型鋼試件的受力性能排第二，配H型鋼試件的受力性能緊隨其后。整體而言，配有型鋼可以大大提高承載力，T-θ曲線下降段平緩即延性好。

2.2.2 延性分析

延性是表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形能力的一個(gè)重要參數(shù)[12]，即在結(jié)構(gòu)破壞前，截面能承受多大的后期變形能力。本文采用能量等效法確定屈服點(diǎn)，取最大荷載的85%為名義極限荷載，對(duì)應(yīng)的扭率為θu，由此計(jì)算延性系數(shù)μ=θu／θy。各參數(shù)對(duì)μ的影響如圖8所示。分析圖8（a）和表2可知，在其他條件相同的情況下，隨著軸壓比從0.1增長(zhǎng)到0.2，延性系數(shù)平均降低10.6%。分析圖8（b）和表2可知，隨著扭彎比從1∶2增加到1∶1，延性系數(shù)平均提高22.4%；由于扭彎比的減小，意味著試件所受的彎矩和剪力增大，從而削弱了箍筋抵抗剪應(yīng)力的能力，使得其對(duì)混凝土橫向約束降低，同時(shí)彎矩的增加使受壓區(qū)混凝土過(guò)早地達(dá)到極限應(yīng)變而降低整體延性。

延性系數(shù)平均值：SSRCZ試件為6.99，HSRCZ試件為3.69，ASRCZ試件為5.04?？梢?jiàn)，配十字型鋼試件的延性系數(shù)最大，其次是配角鋼桁架試件，而配H型鋼試件的最小。型鋼混凝土試件中影響其延性的主要因素有鋼筋的塑性變形能力、混凝土的韌性，以及型鋼與混凝土的粘結(jié)性能。對(duì)比三種不同的配鋼形式，在其他條件均相同的情況下，唯有不同型鋼的粘結(jié)性能影響最為重要。 極限粘結(jié)強(qiáng)度按（3）式計(jì)算[13]，即

τu=（0.2921+0.4593×Css/d-0.00781×Le/d）ft（3）

各計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。經(jīng)計(jì)算得在軸壓比、扭彎比參數(shù)都相同的條件下十字型型鋼粘結(jié)性能最好，其次是角鋼桁架，最后是H型鋼。這也就說(shuō)明了粘結(jié)性能好的型鋼試件其后期承受的變形能力強(qiáng)，表明延性好。

圖8 延性系數(shù)變化規(guī)律

表3 型鋼混凝土試件極限粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

2.2.3剛度分析

抗扭剛度是分析SRC試件受力性能的重要參數(shù)之一，根據(jù)疊加原理，在試件開(kāi)裂前剛度與混凝土強(qiáng)度有關(guān)，即與配鋼類(lèi)型無(wú)關(guān)，因此研究不同配鋼形式的試件剛度應(yīng)從開(kāi)裂之后分析。參考現(xiàn)有型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)相關(guān)扭轉(zhuǎn)剛度理論[14]，試件抗扭剛度按（4）計(jì)算。

圖9 剛度變化規(guī)律

3 結(jié)論

通過(guò)10個(gè)軸壓比在0.1～0.2之間、扭彎比在0.5～1.0之間的復(fù)合受扭試件（其中9個(gè)為型鋼混凝土試件，1個(gè)為鋼筋混凝土對(duì)比試件）的靜力試驗(yàn)研究，可得到以下結(jié)論：

（1）10個(gè)試件最終破壞時(shí)表面均出現(xiàn)螺旋貫通裂縫，4個(gè)面的右下角形成三角體翹起，均為扭型破壞。

（2）10個(gè)試件的扭矩-扭率全過(guò)程曲線均可分為：開(kāi)裂前的線彈性階段、裂縫出現(xiàn)后的彈塑性階段和超過(guò)極限扭矩后的破壞階段。

（3）型鋼混凝土試件的受扭承載力和扭轉(zhuǎn)變形能力顯著優(yōu)于鋼筋混凝土對(duì)比試件。

（4）軸壓比從0.1增加到0.2，試件受扭承載力（極限扭矩）平均增長(zhǎng)11.9%，延性系數(shù)平均降低10.6%?？梢?jiàn)軸壓比對(duì)受扭承載力和延性系數(shù)均有較大影響。

（5）扭彎比從1∶2增加到1∶1，試件受扭承載力（極限扭矩）平均增加2.3%，延性系數(shù)平均提高22.4%?？梢?jiàn)扭彎比對(duì)受扭承載力影響較小，對(duì)延性系數(shù)影響較大。

（6）3種配鋼形式中，雙軸對(duì)稱(chēng)配鋼試件（配十字型鋼試件、配角鋼桁架試件）的受扭承載力和扭轉(zhuǎn)變形能力要優(yōu)于單軸對(duì)稱(chēng)配鋼試件（配H型鋼試件）；型鋼混凝土構(gòu)件的受扭承載力性能與配鋼形式有關(guān)，與含鋼率無(wú)關(guān)。