扭矩作用下型钢混凝土构件的力学性能试验研究

2021-07-02杭子彦邵永健施怀博

苏州科技大学学报(工程技术版) 2021年2期

杭子彦，邵永健，施怀博

（1.苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011；2.徐州工程学院土木工程学院，江苏徐州221009）

随着建筑高度和跨度的不断增加，以及造型各异的不规则建筑的增多，结构性能优异的型钢混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）结构得到了广泛应用[1]。结构构件往往处于复杂受力状态，例如不规则建筑框架结构的角柱处于压弯剪扭共同作用的复杂受力状态，其承载力低于压弯剪共同作用柱的承载力。而目前我国两部相关规范《钢骨混凝土结构设计规程》和《组合结构设计规范》[1-2]均未给出扭矩作用下SRC构件的设计计算方法。国外主要有以下三种计算方法：一是欧美以钢结构设计计算理论为基础，再结合试验结果加以修正[3]；二是前苏联以钢筋混凝土设计计算理论为基础，再考虑钢筋混凝土和型钢共同工作[4]；三是日本采用基于叠加法的计算理论[5]。国内雷强利用ANSYS对受扭构件建立有限元模型进行非线性分析，并结合试验提出了型钢混凝土纯扭作用下的承载力计算模型[6]。谭晓演利用ANSYS对8根H型型钢混凝土和含矩形钢管中空型钢混凝土纯扭构件进行模拟，并与已有试验进行对比分析，得出含矩形钢管中空型钢混凝土构件的抗扭性能最好[7]。梁书亭等通过5根工字型SRC梁的复合受扭试验研究表明，适当的弯矩有助于提高其抗扭强度[8]。邵永健等进行了23根不同配钢形式的SRC梁受扭试验研究表明，增加配钢率能有效提高构件的延性和承载力[9-10]。翁晓红等对复合受扭型钢混凝土柱抗震性能的试验研究表明，SRC受扭试件相比钢筋混凝土受扭试件具有更好的延性[11]。而目前国内综合不同配钢形式SRC柱的受力性能研究较少，因此本文综合三种不同配钢形式，对扭矩作用下SRC柱的受力性能进行研究，获取试件的破坏形态、裂缝发展规律、扭矩-扭率曲线、延性等。

1 试验概况

1.1 试件设计

试件按照1∶2缩尺设计，底端固定，顶端自由。共设计10个试件，其中3个为十字型型钢混凝土试件，3个为H型型钢混凝土试件，3个为角钢桁架混凝土试件，1个为钢筋混凝土对比试件。试件尺寸规格：柱身截面为300 mm×300 mm，柱高为900 mm，底部固定端为460 mm×500 mm×1 200 mm，加载点至基础顶面距离—————————为H0=820 mm，剪跨比λ=H0／h=2.73。为防止加载处混凝土局部受压破坏而在柱顶200 mm高度范围内预埋了一个300 mm×300 mm×10 mm的方钢管。十字型钢由2个规格为HN200 mm×100 mm×5.5 mm×8 mm的H型钢焊接组成；H型钢规格为HW150 mm×150 mm×7 mm×10 mm；角钢规格为L63 mm×8 mm，腹板尺寸为120 mm×25 mm×8 mm。试件截面具体设计参数和尺寸见表1所列及图1所示。

1.2 加载装置与加载制度

试验在苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室进行,加载装置如图2所示，通过一个竖向千斤顶在试件顶部施加竖向荷载，产生轴向压力；通过一个水平伺服作动器对试件施加偏心水平荷载F，在试件中产生弯矩、剪力和扭矩；试件基础由工字钢和地锚螺栓固定，形成固定端。偏心水平荷载F的等效作用如图3所示，A面为剪力相加面；B面为弯曲受压面；C面为剪力相减面；D面为弯曲受拉面。

试验采用位移加载。首先进行预加载，竖向轴力加载至预估值的20%，水平位移加载2 mm。然后正式加载，竖向轴压力一次性加载到预估值，并维持恒定。水平推力采用位移分级加载，在试件未开裂时每级加载2 mm，开裂后每级加载4 mm，达到最大荷载后每级加载8 mm，当荷载下降至最大荷载的85%时终止加载。每级持载5 min，采集数据并记录裂缝发展等试验现象。

1.3 测点布置

主要测试内容为：混凝土、钢筋、型钢的应变，以及每级位移下试件的扭转变形与裂缝。裂缝用黑色油性笔画出发展走向，试验数据由系统自动采集。

应变片布置在距基础顶面100 mm、300 mm两个截面上，每个截面布置8片，混凝土与型钢应变片布置如图4所示。位移计布置如图5所示。

试件在荷载作用下扭转变形通过扭率（单位扭转角）来反映，扭转角通过试件位移计来测量，根据图5位移计1和位移计2测得的变形δA、δB，可得到试件扭转角φ和扭率θ计算公式，分别为式（1）和式（2）。

式中，δA、δB分别为位移计1和位移计2的实测值，mm；lAB=400 mm，是位移计1和位移计2之间的水平距离。

图4 应变片布置

图5 位移计布置

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及破坏形态

图6为试件破坏的最终形态。9个型钢混凝土试件中，扭弯比1∶1的6个试件初始裂缝出现在A面（剪力相加面）中部靠下位置，扭弯比1∶2的3个试件初始裂缝出现在D面（弯曲受拉面）中部靠下位置。随着扭矩增加，裂缝逐渐沿斜向上、下方向延伸，宽度增加，4个面的裂缝逐渐贯通，并呈螺旋状，每1面都有1～2条主裂缝贯通全截面。在荷载下降段，随着位移增加，试件表面混凝土起皮、脱落，并伴有噼啪响声，保护层混凝土相继退出工作，主要由核心混凝土和型钢共同承受外荷载。由于试件角部约束作用小，混凝土与型钢间产生粘结滑移，4个面的右下角形成三角体翘起。其后可听到混凝土内部爆裂声音，柱表面混凝土被拉断错位，当荷载下降至最大荷载的85%时停止加载。钢筋混凝土对比试件一开裂很快就屈服，裂缝疏而宽，破坏时的扭转变形相对较小。

图6 试件破坏的最终形态

2.2 结果分析

试验实测结果见表2所列。

表2 型钢混凝土试件复合受扭实测结果

2.2.1 扭矩T与扭率θ曲线分析

图7为10个试件受力过程的T-θ曲线，可分为3个阶段：开裂前的线弹性阶段，这一阶段T-θ曲线斜率大，即试件的初始刚度大；弹塑性阶段：随着裂缝出现，裂缝截面混凝土逐渐退出工作，T-θ曲线斜率逐渐减小，试件刚度降低，至极限扭矩；破坏阶段：超过极限扭矩后，T-θ曲线开始下降，保护层混凝土开始起皮甚至脱落。

（1）轴压比对受扭性能的影响。分析图6和图7中的轴压比对比试件（1号试件和2号试件）可知，轴压比大的试件，曲线初始段稍高出轴压比小的试件，轴压比的提高，有助于提高试件的初始刚度、开裂扭矩和极限扭矩。分析表2中，3种配钢形式SRC试件中的1号和2号试件的极限扭矩可知，轴压比从0.1增长到0.2，极限扭矩平均增长11.9%。这是由于轴压力产生的压应力约束混凝土，同时可减小因扭转产生的拉应力，延缓裂缝的发展。

图7 试件T-θ曲线

（2）扭弯比对受扭性能的影响。分析图6和图7中的扭弯比对比试件（2号试件和3号试件）可知，扭弯比小，则试件所受弯矩和剪力相对较大，弯矩和剪力对试件的影响加大，导致箍筋对试件的横向变形约束削弱。由于空腹式的角钢和缀板形成了类似于箍筋的二次约束，所以扭弯比大小对于角钢桁架混凝土前期受力影响不明显。而对于实腹式的十字型钢和H型钢试件，扭弯比大试件的前期受力性能明显有所改善。分析表2中，3种配钢形式SRC试件中的2号和3号试件的极限扭矩可知，扭弯比从1∶1减小到1∶2，极限扭矩平均减小2.3%。这是由于扭弯比减小，即弯矩影响增大，且试件均为对称配钢（筋），弯矩与扭矩引起的拉应力叠加，从而导致受扭承载力降低，但降低幅度小。

（3）配钢形式对受扭性能的影响。分析图7（d）可知，受扭初期4个试件的T-θ曲线大致相似，反映出不同配钢形式对试件初期的受力性能影响较小。混凝土开裂后，RCZ试件的受力性能明显比配型钢试件的差，尤其是承载力与极限变形明显低于SRC试件。3种SRC试件中，配角钢桁架试件的表现最为优越，由于加载后期外部钢筋笼破坏后，空腹式的角钢桁架可以形成一个钢骨笼对核心混凝土进行二次约束，随着混凝土变形加大，不断地向外膨胀，产生对角钢桁架的挤压力，同时角钢桁架的反作用力对混凝土提供约束作用，使混凝土得到很好约束，提高了试件整体的受扭性能；型钢翼缘沿截面对称分布的配十字型钢试件的受力性能排第二，配H型钢试件的受力性能紧随其后。整体而言，配有型钢可以大大提高承载力，T-θ曲线下降段平缓即延性好。

2.2.2 延性分析

延性是表示结构构件变形能力的一个重要参数[12]，即在结构破坏前，截面能承受多大的后期变形能力。本文采用能量等效法确定屈服点，取最大荷载的85%为名义极限荷载，对应的扭率为θu，由此计算延性系数μ=θu／θy。各参数对μ的影响如图8所示。分析图8（a）和表2可知，在其他条件相同的情况下，随着轴压比从0.1增长到0.2，延性系数平均降低10.6%。分析图8（b）和表2可知，随着扭弯比从1∶2增加到1∶1，延性系数平均提高22.4%；由于扭弯比的减小，意味着试件所受的弯矩和剪力增大，从而削弱了箍筋抵抗剪应力的能力，使得其对混凝土横向约束降低，同时弯矩的增加使受压区混凝土过早地达到极限应变而降低整体延性。

延性系数平均值：SSRCZ试件为6.99，HSRCZ试件为3.69，ASRCZ试件为5.04。可见，配十字型钢试件的延性系数最大，其次是配角钢桁架试件，而配H型钢试件的最小。型钢混凝土试件中影响其延性的主要因素有钢筋的塑性变形能力、混凝土的韧性，以及型钢与混凝土的粘结性能。对比三种不同的配钢形式，在其他条件均相同的情况下，唯有不同型钢的粘结性能影响最为重要。极限粘结强度按（3）式计算[13]，即

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

各计算参数见表3。经计算得在轴压比、扭弯比参数都相同的条件下十字型型钢粘结性能最好，其次是角钢桁架，最后是H型钢。这也就说明了粘结性能好的型钢试件其后期承受的变形能力强，表明延性好。