型钢混凝土梁抗扭性能的研究与展望

王立干

(盐城市爱达建筑工程有限公司，江苏盐城 224053)

0 引言

型钢混凝土(Steel Reinforced Concrete)是指把型钢或焊接型钢置入钢筋混凝土中，使型钢、钢筋和混凝土三种材料形成整体、协同工作以抵抗各种外部作用。它是钢—混凝土组合结构形式之一，根据内置型钢的形式，型钢混凝土梁式构件可以分为实腹式和空腹式两种类型，见图1。近年来随着国家经济和科技实力迅速发展和增强，我国建筑结构中的用钢量也逐渐增加，型钢混凝土结构从原来的局部采用逐步发展到整个结构的采用。

图1 型钢混凝土结构截面类型

在目前的建筑结构中，受扭构件是普遍存在的，如框架边梁、雨棚梁、超高层建筑转换层大梁、体育场和影剧院的眺台梁、承受水平制动作用的吊车梁等。因此结构设计和科研工作中除了考虑轴力、弯矩和剪力对梁的影响外，扭矩也是不容忽视的外力。而且实际工程中很多构件如阳台梁、托梁、风荷载或地震荷载作用下的结构竖向构件、曲线形或螺旋形楼梯梁等，还处于弯矩、剪力和扭矩共同作用下的复合受扭状态。

1 型钢混凝土梁的抗扭性能研究现状

目前对于型钢混凝土构件的受扭研究，国内外尚未对其进行较为系统的研究。随着建筑经济的发展和建筑抗震要求的提高，型钢混凝土构件的受扭性能研究应得到重视。

日本《钢骨钢筋混凝土结构计算标准及解说》［1］中提到了型钢混凝土构件的受扭承载力计算等方面的内容。其将型钢骨架和钢筋混凝土各自受扭承载力叠加得出了型钢混凝土的受扭承载力，但它没有考虑到型钢与混凝土之间的相互影响作用。

中国台湾国立中央大学的H-L．Hsu教授进行了14根型钢混凝土梁式构件、21根空腹式型钢混凝土构件的低周反复荷载作用下的抗扭性能试验研究。得出了斜向钢筋对SSRC梁的极限扭矩具有很大的作用，影响的大小与斜向钢筋的截面积有关;根据简单的叠加原理，还推导得出了型钢混凝土纯扭构件受扭承载力公式和SSRC构件弯扭承载力的相关方程等成果［2］。

东南大学的张根俞对实腹式SRC梁的抗扭性能进行了理论分析及试验研究，进行了2根钢筋混凝土对比梁，6根H形型钢混凝土梁在单调荷载作用下的纯扭受力性能试验研究，揭示了H形型钢混凝土梁在纯扭受力情况下的破坏形态、工作机理及裂缝的发展和分布情况;提出了H形型钢混凝土梁的开裂扭矩计算公式，钢筋和型钢对H形型钢混凝土梁开裂扭矩的提高作用可以忽略不计，按素混凝土构件计算开裂扭矩能达到满意的精度。同时以扭弯比为研究参数，进行了3根H形型钢混凝土梁，3根箱形型钢混凝土梁的复合弯扭受力性能试验研究，得出当扭弯比较大时，扭矩起控制作用，试件将发生扭型破坏，当扭弯比较小时，弯矩起控制作用，试件将发生弯型破坏［3］。

苏州科技学院成健研究了角钢桁架型钢混凝土梁在扭矩作用下的受力性能，进行了6根角钢桁架型钢混凝土梁和1根钢筋混凝土对照梁纯扭试验。通过试验研究，揭示了角钢桁架型钢混凝土梁在纯扭作用下的受力机理与破坏形态，分析了角钢桁架型钢混凝土梁受扭性能的影响因素，得出了角钢桁架型钢混凝土梁相比普通钢筋混凝土梁的受扭性能有很大的提高，基本上随着腹杆体积配钢率的提高而增大，其中增加斜腹杆的试件抗扭性能最好［4］。

西安建筑科技大学的任瑞为了研究槽钢骨架型钢混凝土梁(Channel Steel Reinforced Concrete Beam，简称CSRCB)在扭矩作用下的受力性能，进行了8根配槽钢骨架型钢混凝土梁和1根普通钢筋混凝土对照梁的试验研究。揭示了槽钢骨架型钢混凝土梁在受扭作用下的破坏形态，分析了槽钢骨架和混凝土的共同工作机理，研究了受扭作用下的影响因素。试验得出了槽钢骨架型钢混凝土梁中钢筋和槽钢骨架对提高梁的开裂扭矩不明显，可以按素混凝土构件计算公式乘以槽钢骨架影响系数来计算CSRCB构件的开裂扭矩;槽钢骨架可以较大幅度的提高梁构件的极限扭矩和后期的抗扭刚度，并能显著改善构件的延性;混凝土强度等级的高低对构件的抗扭刚度有较大的影响，基本上成正比例关系;缀条形式对构件的抗扭刚度影响比较小，缀条角度和缀条间距对构件的抗扭刚度有直接的影响，在一定的范围内，缀条间距越大抗扭效果越好［5］。

2 型钢混凝土梁的抗扭性能试验研究

2．1 试件设计

本次试验制作了2根空腹式SRC梁，主要考虑在试件截面尺寸和角钢型号相同的情况下，研究腹杆体积配钢率等变化参数是否对试件受扭性能产生影响。试件体积尺寸统一为230 mm×300 mm×2 200 mm，角钢型号为等边角钢:50 mm×5 mm，腹杆为25 mm×4 mm扁钢;试件截面含钢率约为2．78%(不包括腹杆的面积)，测试区腹杆间距为200 mm和100 mm，非测试区腹杆间距统一为70 mm。试件基本设计参数见表1，试件的截面配钢形式见图2。

表1 试件设计参数列表

图2 试件截面形式

2．2 试验结果分析

两根SRC梁的受扭破坏过程基本相同，在弹性阶段，扭转角相对较小。当达到开裂扭矩时，第一条裂缝一般出现在试件测试区底面左端位置，分级施加扭矩，斜裂缝与SRC梁的水平轴线约呈 45°。

随着荷载的增加，斜裂缝开始延伸，逐渐向两端延伸，旧的斜裂缝也随着扭矩的增大向两端延伸，新的斜裂缝不断向加载端延伸发展，同时，试件的底面、顶面出现的裂缝逐渐与背面、正面的斜裂缝形成环绕整个试件的螺旋形通缝。随着斜裂缝的开展，试件出现了1条～2条贯通的主裂缝，试件的顶、底、正及背四个面也布满了多条斜裂缝，试件被形成一个带裂缝工作的空间桁架结构。

当达到极限荷载时，主裂缝的数目不再增大，但裂缝宽度不断增加，主裂缝之间出现了细小的横向裂缝。破坏时，裂缝沿整个梁身分布，加载端尽管有相当大的扭转角，但试件仍能持续相当长的一段时间且裂缝宽度也相对较小;最终SRC梁由于型钢屈服，试件棱角处混凝土被压碎破坏(见图3)，SRCB-2是由于加载端位移过大而停止加载，所以SRC梁的破坏属于延性破坏。

图3 试件SRCB-1最终破坏形态

3 结论及有待进一步研究的问题

SRC梁的受扭过程可以分为三个阶段:试件开裂前的弹性阶段，开裂后的弹塑性阶段以及达到极限扭矩之后的破坏阶段。试件开裂前的弹性阶段由混凝土承担主要荷载，开裂后的弹塑性阶段由型钢骨架和混凝土共同承担扭矩荷载作用，极限扭矩之后的破坏阶段几乎完全由型钢骨架来承担扭矩荷载作用。型钢混凝土梁作为重要的横向承重构件，已经在工程界得到了广泛的重视和应用，型钢混凝土梁受扭性能的研究越来越重要。本文对型钢混凝土梁的受扭性能作了一些探讨，但由于时间，试验条件的限制，目前，型钢混凝土梁的抗扭性能有待进一步研究的问题有:

1)对复合受扭下实腹式及空腹式SRC梁的受扭性能及型钢骨架和混凝土之间的粘结滑移等有待进一步研究。

2)型钢混凝土梁复合受扭的承载力计算分析和弯剪扭相关曲线的分析。

3)与其他结构形式的空腹式型钢混凝土梁抗扭性能的对比研究。

4)在低周反复荷载作用下型钢混凝土梁的受扭承载力和破坏机理研究。

［1］日本建筑学会．钢骨钢筋混凝土结构计算标准及解说［M］．冯乃谦，叶列平，陈延年，等，译．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］张根俞．型钢混凝土梁受扭性能的试验研究及理论分析［D］．南京:东南大学，2009．

［4］成 健，邵永健，陈宗平，等．角钢桁架型钢混凝土梁纯扭性能试验研究［J］．四川建筑科学研究，2012(4):14-18．

［5］任 瑞．配槽钢骨架的型钢混凝土梁受扭性能试验研究［D］．西安:西安建筑科技大学，2011．