中空箱型型鋼混凝土梁的抗扭性能研究

吳見豐，郝娟（江蘇省建筑設計研究院有限公司,南京 210019）

中空箱型型鋼混凝土梁的抗扭性能研究

吳見豐，郝娟
（江蘇省建筑設計研究院有限公司,南京 210019）

型鋼混凝土已成為土木工程領域最有發展前途的結構之一，但對型鋼混凝土的抗扭性能分析卻很少。論文對中空箱型型鋼混凝土梁的抗扭性能進行了研究。通過2根中空箱型型鋼混凝土梁在純扭狀態下的受力實驗，分析了中空箱型型鋼混凝土梁的破壞特征，推導了中空箱型型鋼混凝土梁的極限扭矩及開裂扭矩公式。結果表明，公式計算結果能較好地與實驗數據相吻合。

中空箱型型鋼混凝土；極限扭矩；開裂扭矩；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構構件。

目前，對型鋼混凝土梁的受彎承載力研究較多，但對型鋼混凝土梁的受扭性能分析研究卻不多見。我國頒布的《鋼骨混凝土結構技術規程》[1]和《型鋼混凝土組合結構技術規程》[2]均未給出型鋼混凝土梁的受扭承載力計算公式。本文對HBSRCB梁的純扭受力性能進行了試驗研究，并提出了HBSRCB梁在純扭狀態下的極限扭矩和開裂扭矩計算公式。計算公式可為型鋼構件的彎、剪、扭復合受力作用計算提供參考依據。

1　　實驗概況

1.1試件設計與制作

本試驗共計完成了2根鋼箱內置無混凝土的HBSRCB梁。L1內置箱型鋼截面為60mm×120mm×4mm，L2內置箱型鋼截面為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范圍為儀器量測區段。為防止加載時端部應力集中引起破壞，對兩加載端進行了箍筋加密和增大截面，試件的型鋼配置跟鋼筋配置見圖1。

圖1　鋼筋配置與截面

表1　鋼材及鋼筋性能指標

1.2實驗結果及分析

1.2.1破壞過程及其形態

通過試驗現象可以看出,HBSRCB梁的純扭受力破壞過程與普通混凝土構件基本相似：在加載初期HBSRCB梁基本處于彈性階段，扭率較小。構件首條斜裂縫在試件一側面(受拉面)中部產生。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，裂縫數量和寬度也不斷增加，直到兩短邊出現裂縫，最后，在構件四面形成螺旋狀裂縫，直至破壞。

在混凝土開裂后，HBSRCB梁的扭率增長明顯加快，并伴隨著抗扭剛度的較大下降。當荷載接近極限荷載時，沿梁全長形成分布均勻的斜裂縫(見圖2)。此時，裂縫數量不再增加，而裂縫寬度則不斷增大。達到極限荷載后，HBSRCB梁上出現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梁達到受扭破壞狀態，此時，承載力與極限承載力相比沒有明顯下降。

圖2　HBSRCB梁受扭出現均勻的斜裂縫圖

1.2.2T-θ'的特征關系曲線

HBSRCB梁的T-θ'的特征關系曲線（見圖3）可以分為三個階段。第一階段(O-A)為彈性階段，扭矩從0至開裂扭矩Tcr，T-θ'曲線大致表現為線彈性關系。由于配置了箱型型鋼，HBSRCB梁的開裂扭矩比正常混凝土梁的開裂扭矩要大。在(O-A)后半段，即接近Tcr時，T-θ'曲線表現出了一定的非線性，說明部分混凝土已經具有了一定的塑性變形。在這一階段，HBSRCB梁通過外圈鋼筋混凝土跟內置箱型型鋼各自產生的剪力流來抵抗扭矩作用。

圖3　HBSRCB梁的T-θ'曲線

第二階段(A-B)為彈塑性階段，隨著斜裂縫的持續開展，HBSRCB梁的T-θ'曲線更加表現出了明顯非線性，即扭率發展速率加快，而扭矩增長減緩。此時由鋼筋骨架跟混凝土斜壓桿形成的桁架體系和內置箱型型鋼共同抵抗扭矩。B點為HBSRCB梁的極限扭矩點，此時，型鋼的應變已經較大，而鋼筋也開始進入塑性狀態。

第三階段(B-C)：破壞下降階段，從極限扭矩點B開始，HBSRCB梁進入破壞階段。外圈鋼筋混凝土的螺旋狀裂縫進人不穩定開展狀態，并伴隨有局部表面混凝土壓壞脫落，鋼筋大部分也都進入塑性狀態，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，說明HBSRCB梁的抗扭延性比普通混凝土梁增大很多。

由此可知，內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度是決定HBSRCB梁極限扭矩跟開裂扭矩的主要影響因素。在計算開裂扭矩及極限扭矩時，可簡化為外圈鋼筋混凝土梁與內置箱型型鋼兩者承載力之和。

2　HBSRCB梁開裂扭矩計算

HBSRCB梁的開裂扭矩可表示為：

式中，T1c為開裂時外圈鋼筋混凝土所承受的扭矩；T2s為混凝土開裂時箱型型鋼所承受的扭矩。

2.1T1c的計算

鋼筋混凝土梁受扭時，在扭矩達到開裂扭矩前，梁的應變很小，鋼筋的應變也很小，其對開裂扭矩基本無影響，可以忽略鋼筋骨架影響。由文獻[5]可得T1c的計算公式為：

式中，各參數含義詳見文獻[5]。

2.2T2s的計算

對于HBSRCB梁來說，當混凝土開裂時，構件內置的箱型型鋼還處于彈性階段，應變和應力成線性關系。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。

由前述實驗現象可知，開裂時內置型鋼跟外圈鋼筋混凝土的扭率大致相同，和文獻[7]的結果一致。所以，在HBSRCB梁開裂時，外圈鋼筋混凝土的扭率θc等于內置箱型型鋼的扭率θs。參考文獻[8][9]，通過推導，可得純扭作用下HBSRCB梁的開裂扭矩如下式：

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為構件開裂純扭剛度降低系數值，可取為0.65[9]。

HBSRCB梁在純扭下的開裂扭矩計算值與實測值比較見表2，表中實測值比計算值偏大，但誤差都在可接受范圍。

表2　HBSRCB梁開裂扭矩、極限扭矩計算與試驗結果對比

3　HBSRCB梁極限扭矩計算

本實驗根據文獻[2]的要求布置了剪力件，并且通過試驗觀測，可知在彈性階段和塑性階段兩者基本沒有發生錯動。故為簡化計算，可忽略兩者間黏結滑移的影響，將其視為1個協同工作的整體。

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的計算

參照混凝土規范[10]，可得Trcu的計算公式如下：

式中，各參數代表含義詳見文獻[10]。

3.2Tsu的計算

當HBSRCB梁在受扭時，其極限承載力破壞可分為兩種。第一種情況為內置箱型型鋼未屈服，第二種情況為內置箱型型鋼屈服，此兩種情況外圈鋼筋混凝土都會達到屈服。因為HBSRCB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。當外圈鋼筋混凝土部分與內置的箱型型鋼的外周長之比較小，且兩者面積之比也較小時，內置箱型型鋼才會發生屈服。

3.2.1型鋼未屈服時的Tsu計算

此時內置箱型型鋼處于線彈性階段，應力應變為純線性關系，則其型鋼的抗扭極限承載力Tsu可表示為：

由前可知，HBSRCB梁在受扭過程中，混凝土與型鋼二者能保持良好的黏結性能，可得2者扭轉角相等。通過推導，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的抗扭剛度。

3.2.2型鋼屈服時的Tsu計算

當HBSRCB梁達到極限承載能力時，內置型鋼達到屈服，可得：

式中，fyvs為箱型型鋼的抗剪屈服強度設計值；ts為型鋼壁厚;As為壁厚中心線所圍面積。

此時HBSRCB梁的極限扭矩Tu可表示為：

當不能判斷在HBSRCB梁達到抗扭極限承載力時內置型鋼是否屈服，可分別按式（8）或式（10）進行計算，結果取兩式計算的小值。HBSRCB梁的極限扭矩實測值與計算值比較結果見表2。由表2可知，該計算值與實測值具有較高精度。

4　結論

1）本文對2根HBSRCB梁進行了純扭受力試驗性能研究，分析了HBSRCB梁的破壞特征和T-θ'特征關系曲線，結果表明在受扭時內置箱型型鋼能與外圈鋼筋混凝土共同工作。

2）根據試驗現象，提出了HBSRCB梁的開裂扭矩和極限扭矩的計算公式，通過與實測值比較，可知本文提出的理論計算公式計算簡便，精度較高。

3）當不能判斷HBSRCB梁達到抗扭極限承載力時內置型鋼是否屈服，應按型鋼屈服與不屈服兩個公式分別進行計算，取較小值為HBSRCB梁的抗扭極限承載力值。

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

【1】YB 9082—2006鋼骨混凝土結構技術規程[S].

【2】JGJ138－2001型鋼混凝土組合結構技術規程[S].

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

【4】過鎮海.鋼筋混凝土原理[M].北京：清華大學出版社,1998.

【5】藍宗建.混凝土結構設計原理[M].南京：東南大學出版社,2008.

【6】黃劍源.薄壁結構的扭轉分析[M].北京：中國鐵道出版社,1983.

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

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

【10】GB 50010—2010混凝土結構設計規范[S].

【11】胡少偉.組合梁抗扭分析與設計[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

吳見豐（1985～），男，福建屏南人，一級注冊結構工程師，從事組合結構與減震隔震結構研究。

2016-06-03