中空箱型型钢混凝土梁的抗扭性能研究

吴见丰，郝娟（江苏省建筑设计研究院有限公司,南京 210019）

中空箱型型钢混凝土梁的抗扭性能研究

吴见丰，郝娟
（江苏省建筑设计研究院有限公司,南京 210019）

型钢混凝土已成为土木工程领域最有发展前途的结构之一，但对型钢混凝土的抗扭性能分析却很少。论文对中空箱型型钢混凝土梁的抗扭性能进行了研究。通过2根中空箱型型钢混凝土梁在纯扭状态下的受力实验，分析了中空箱型型钢混凝土梁的破坏特征，推导了中空箱型型钢混凝土梁的极限扭矩及开裂扭矩公式。结果表明，公式计算结果能较好地与实验数据相吻合。

中空箱型型钢混凝土；极限扭矩；开裂扭矩；破坏特征

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.005

中空箱型型钢混凝土梁（hollow box steel reinforced concretebeams，以下简称HBSRCB梁）是在混凝土梁中配置箱型型钢,并配置一定的纵向受力钢筋及箍筋的结构构件。

目前，对型钢混凝土梁的受弯承载力研究较多，但对型钢混凝土梁的受扭性能分析研究却不多见。我国颁布的《钢骨混凝土结构技术规程》[1]和《型钢混凝土组合结构技术规程》[2]均未给出型钢混凝土梁的受扭承载力计算公式。本文对HBSRCB梁的纯扭受力性能进行了试验研究，并提出了HBSRCB梁在纯扭状态下的极限扭矩和开裂扭矩计算公式。计算公式可为型钢构件的弯、剪、扭复合受力作用计算提供参考依据。

1　　实验概况

1.1试件设计与制作

本试验共计完成了2根钢箱内置无混凝土的HBSRCB梁。L1内置箱型钢截面为60mm×120mm×4mm，L2内置箱型钢截面为80m×160m×4m，型钢采用Q235钢材。试件外形尺寸均为0.2m×0.3m×2.6m,试件中部1.44m范围为仪器量测区段。为防止加载时端部应力集中引起破坏，对两加载端进行了箍筋加密和增大截面，试件的型钢配置跟钢筋配置见图1。

图1　钢筋配置与截面

表1　钢材及钢筋性能指标

1.2实验结果及分析

1.2.1破坏过程及其形态

通过试验现象可以看出,HBSRCB梁的纯扭受力破坏过程与普通混凝土构件基本相似：在加载初期HBSRCB梁基本处于弹性阶段，扭率较小。构件首条斜裂缝在试件一侧面(受拉面)中部产生。随着荷载的不断加大，斜裂缝逐渐沿与试件纵轴约成45°的方向向两边延伸,同时，裂缝数量和宽度也不断增加，直到两短边出现裂缝，最后，在构件四面形成螺旋状裂缝，直至破坏。

在混凝土开裂后，HBSRCB梁的扭率增长明显加快，并伴随着抗扭刚度的较大下降。当荷载接近极限荷载时，沿梁全长形成分布均匀的斜裂缝(见图2)。此时，裂缝数量不再增加，而裂缝宽度则不断增大。达到极限荷载后，HBSRCB梁上出现几条宽度较大的主斜裂缝，且裂缝宽度快速增大，主裂缝间混凝土压碎，HBSRCB梁达到受扭破坏状态，此时，承载力与极限承载力相比没有明显下降。

图2　HBSRCB梁受扭出现均匀的斜裂缝图

1.2.2T-θ'的特征关系曲线

HBSRCB梁的T-θ'的特征关系曲线（见图3）可以分为三个阶段。第一阶段(O-A)为弹性阶段，扭矩从0至开裂扭矩Tcr，T-θ'曲线大致表现为线弹性关系。由于配置了箱型型钢，HBSRCB梁的开裂扭矩比正常混凝土梁的开裂扭矩要大。在(O-A)后半段，即接近Tcr时，T-θ'曲线表现出了一定的非线性，说明部分混凝土已经具有了一定的塑性变形。在这一阶段，HBSRCB梁通过外圈钢筋混凝土跟内置箱型型钢各自产生的剪力流来抵抗扭矩作用。

图3　HBSRCB梁的T-θ'曲线

第二阶段(A-B)为弹塑性阶段，随着斜裂缝的持续开展，HBSRCB梁的T-θ'曲线更加表现出了明显非线性，即扭率发展速率加快，而扭矩增长减缓。此时由钢筋骨架跟混凝土斜压杆形成的桁架体系和内置箱型型钢共同抵抗扭矩。B点为HBSRCB梁的极限扭矩点，此时，型钢的应变已经较大，而钢筋也开始进入塑性状态。

第三阶段(B-C)：破坏下降阶段，从极限扭矩点B开始，HBSRCB梁进入破坏阶段。外圈钢筋混凝土的螺旋状裂缝进人不稳定开展状态，并伴随有局部表面混凝土压坏脱落，钢筋大部分也都进入塑性状态，而箱型型钢基本处于弹性阶段。由曲线可知，在B-C段，曲线下降缓慢，并且承载力下降比值不大，说明HBSRCB梁的抗扭延性比普通混凝土梁增大很多。

由此可知，内置箱型型钢的抗扭刚度以及外圈钢筋混凝土梁的配筋和混凝土强度是决定HBSRCB梁极限扭矩跟开裂扭矩的主要影响因素。在计算开裂扭矩及极限扭矩时，可简化为外圈钢筋混凝土梁与内置箱型型钢两者承载力之和。

2　HBSRCB梁开裂扭矩计算

HBSRCB梁的开裂扭矩可表示为：

式中，T1c为开裂时外圈钢筋混凝土所承受的扭矩；T2s为混凝土开裂时箱型型钢所承受的扭矩。

2.1T1c的计算

钢筋混凝土梁受扭时，在扭矩达到开裂扭矩前，梁的应变很小，钢筋的应变也很小，其对开裂扭矩基本无影响，可以忽略钢筋骨架影响。由文献[5]可得T1c的计算公式为：

式中，各参数含义详见文献[5]。

2.2T2s的计算

对于HBSRCB梁来说，当混凝土开裂时，构件内置的箱型型钢还处于弹性阶段，应变和应力成线性关系。因此，箱型型钢的抗扭扭矩T2s可表示为：

式中，Js[6]代表箱型型钢的极惯性矩。

由前述实验现象可知，开裂时内置型钢跟外圈钢筋混凝土的扭率大致相同，和文献[7]的结果一致。所以，在HBSRCB梁开裂时，外圈钢筋混凝土的扭率θc等于内置箱型型钢的扭率θs。参考文献[8][9]，通过推导，可得纯扭作用下HBSRCB梁的开裂扭矩如下式：

式中，Itc为混凝土截面抗扭弹性惯性矩，Ec为混凝土的弹模；ν为泊松比；ψ1为构件开裂纯扭刚度降低系数值，可取为0.65[9]。

HBSRCB梁在纯扭下的开裂扭矩计算值与实测值比较见表2，表中实测值比计算值偏大，但误差都在可接受范围。

表2　HBSRCB梁开裂扭矩、极限扭矩计算与试验结果对比

3　HBSRCB梁极限扭矩计算

本实验根据文献[2]的要求布置了剪力件，并且通过试验观测，可知在弹性阶段和塑性阶段两者基本没有发生错动。故为简化计算，可忽略两者间黏结滑移的影响，将其视为1个协同工作的整体。

HBSRCB梁的极限扭矩可表示为：

式中，Tu为HBSRCB梁的极限扭矩；Tsu为内置箱形型钢的抗扭极限承载力；Trcu表示钢筋混凝土部分的抗扭极限承载力。

3.1Trcu的计算

参照混凝土规范[10]，可得Trcu的计算公式如下：

式中，各参数代表含义详见文献[10]。

3.2Tsu的计算

当HBSRCB梁在受扭时，其极限承载力破坏可分为两种。第一种情况为内置箱型型钢未屈服，第二种情况为内置箱型型钢屈服，此两种情况外圈钢筋混凝土都会达到屈服。因为HBSRCB梁是否破坏主要是由外圈钢筋混凝土在受力后的裂缝及混凝土压碎情况确定。当外圈钢筋混凝土部分与内置的箱型型钢的外周长之比较小，且两者面积之比也较小时，内置箱型型钢才会发生屈服。

3.2.1型钢未屈服时的Tsu计算

此时内置箱型型钢处于线弹性阶段，应力应变为纯线性关系，则其型钢的抗扭极限承载力Tsu可表示为：

由前可知，HBSRCB梁在受扭过程中，混凝土与型钢二者能保持良好的黏结性能，可得2者扭转角相等。通过推导，可得HBSRCB梁的极限扭矩Tu可表示：

式中，K″t10[11]代表外围钢筋混凝土的钢筋屈服时的抗扭刚度。

3.2.2型钢屈服时的Tsu计算

当HBSRCB梁达到极限承载能力时，内置型钢达到屈服，可得：

式中，fyvs为箱型型钢的抗剪屈服强度设计值；ts为型钢壁厚;As为壁厚中心线所围面积。

此时HBSRCB梁的极限扭矩Tu可表示为：

当不能判断在HBSRCB梁达到抗扭极限承载力时内置型钢是否屈服，可分别按式（8）或式（10）进行计算，结果取两式计算的小值。HBSRCB梁的极限扭矩实测值与计算值比较结果见表2。由表2可知，该计算值与实测值具有较高精度。

4　结论

1）本文对2根HBSRCB梁进行了纯扭受力试验性能研究，分析了HBSRCB梁的破坏特征和T-θ'特征关系曲线，结果表明在受扭时内置箱型型钢能与外圈钢筋混凝土共同工作。

2）根据试验现象，提出了HBSRCB梁的开裂扭矩和极限扭矩的计算公式，通过与实测值比较，可知本文提出的理论计算公式计算简便，精度较高。

3）当不能判断HBSRCB梁达到抗扭极限承载力时内置型钢是否屈服，应按型钢屈服与不屈服两个公式分别进行计算，取较小值为HBSRCB梁的抗扭极限承载力值。

4）本文为内置箱型型钢混凝土梁的抗扭承载力理论计算提供了依据，并为型钢混凝土梁的弯剪扭复杂受力性能分析提供参考。

【1】YB 9082—2006钢骨混凝土结构技术规程[S].

【2】JGJ138－2001型钢混凝土组合结构技术规程[S].

【3】张根俞.型钢混凝土梁受扭性能的试验研究与理论分析[D].南京：东南大学土木工程学院,2009.

【4】过镇海.钢筋混凝土原理[M].北京：清华大学出版社,1998.

【5】蓝宗建.混凝土结构设计原理[M].南京：东南大学出版社,2008.

【6】黄剑源.薄壁结构的扭转分析[M].北京：中国铁道出版社,1983.

【7】YANG CHUN,CAIJIANExperimantal study on box shape steel reiforced concrete benam[J].Journalof Southeast University (Englishi Edition),2005,21(4):463-468.

【8】殷芝霖.钢筋混凝土构件的抗扭刚度[J].建筑结构,1981(3):16-24.

【9】王仲秋.矩形截面钢筋混凝土构件的抗扭刚度[J].哈尔滨建筑工程学院学报,1983(3):27-37.

【10】GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].

【11】胡少伟.组合梁抗扭分析与设计[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

吴见丰（1985～），男，福建屏南人，一级注册结构工程师，从事组合结构与减震隔震结构研究。

2016-06-03