实腹式型钢混凝土梁受扭性能试验研究.pdf
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1、第 43 卷 第 8 期 2013 年 4 月下 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 8 Apr 2013 实腹式型钢混凝土梁受扭性能试验研究 * 邵永健 1, 郁 文 1, 陈宗平2, 余兴国2, 翁晓红1 ( 1 苏州科技学院,苏州 215011;2 广西大学,南宁 530004) 摘要为研究实腹式型钢混凝土梁在扭矩作用下的受力性能, 进行了 6 根不同参数实腹式型钢混凝土梁和 1 根 钢筋混凝土梁的纯扭试验。试验结果表明: 实腹式型钢混凝土受扭构件与钢筋混凝土受扭构件的开裂机会相等, 可以忽略型钢对开裂扭矩的影响; 但型钢对极限扭矩有大幅提高作用, 并有效
2、改善了构件的延性; 减小箍筋间距和 增大配钢率可以提高型钢混凝土构件的受扭承载力。 通过分析提出了型钢混凝土纯扭构件开裂扭矩和极限扭矩的 计算公式, 计算结果与试验结果吻合较好。 关键词型钢混凝土;受扭构件;开裂扭矩;极限扭矩 中图分类号: TU317 + 2文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 08- 0058- 05 Experimental study on torsional behavior of solid web steel reinforced concrete beams Shao Yongjian1,Yu Wen1,Chen Zongping2,
3、Yu Xingguo2,Weng Xiaohong1 ( 1 Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, China;2 Guangxi University, Nanning 530004, China) Abstract: In order to study the torsional behavior of steel reinforced concrete beams,experiments were conducted on six steel reinforced concrete beams with d
4、ifferent parameters and one reinforced concrete beam subjected to pure torsion Test and analysis results show that the cracking torque is almost the same for steel reinforced concrete structures and reinforced concrete structures with torsion The influence of steel on the cracking torque can be negl
5、ected Steel can greatly improve the ultimate torque and the ductility The torsion resistance loading of SRC structures can be increased by decreasing the stirrup spacing or increasing sectional steel area ratioThe formulaes about cracking torque and ultimate torque were presented The predicted resul
6、ts are in good agreement with the measured ones Keywords: steel reinforced concrete;torsion member;cracking torque;ultimate torque * 国家自然科学基金项目( 51078249) 。 作者简介: 邵永健, 教授, Email: syjsz 163 com。 0引言 随着社会经济的发展, 高层、 大跨度结构的应用 日益广泛, 型钢混凝土结构的优越性也逐渐被人们 认识, 特别是其在复杂结构与大跨度结构中表现出 来的优点更是显著。型钢混凝土结构结合了钢结构 和钢筋混凝土结
7、构的优点, 既可增大结构的刚度和 强度, 提高结构局部和整体稳定性, 又具有良好的变 形能力和抗震性能 1,2。然而目前国内外对型钢混 凝土构件的研究主要是关于型钢混凝土构件在轴 力、 弯矩、 剪力或者它们共同作用下的受力性能、 构 件抗震性能以及节点受力机理和构造的研究 3- 7, 对其受扭性能的研究却几乎是空白。因此, 对型钢 混凝土梁在纯扭下的受扭性能进行试验研究和理论 分析, 一方面可完善型钢混凝土梁的分析理论, 另一 方面也是工程应用的实际需求, 无疑具有理论与实 践的双重意义。 本文进行了 6 根实腹式型钢混凝土梁和 1 根钢 筋混凝土梁在纯扭作用下的受力性能试验。通过试 验揭示实
8、腹式型钢混凝土梁在纯扭作用下的破坏形 态和工作机理, 分析影响实腹式型钢混凝土梁受扭 性能的因素, 提出实腹式型钢混凝土梁在纯扭作用 下的强度计算公式。 1试验研究 共进行了 6 根编号为 SSRCB- 1 SSRCB- 6 的型 钢混凝土梁的受扭性能试验, 此外为了研究工字钢 对构件受扭的贡献, 同时进行了 1 根钢筋混凝土对 比梁( 编号 RCB- 1) 试验。试件截面形式如图 1 所 示, 各试件的纵向钢筋均为 412, 主要设计参数 见表 1, 材料的性能指标见表 2, 3。 试件主要设计参数表 1 试件 编号 型钢 型号 截面尺寸 /mm 箍筋 /mm ss /% s /% sv /
9、% SSRCB- 1I14250 4008 2002. 150. 4520. 2011. 555 SSRCB- 2I20a250 4008 2003. 560. 4520. 2011. 555 SSRCB- 3I14250 3408 2002. 530. 5320. 2011. 762 SSRCB- 4I10250 3008 2001. 910. 6030. 2011. 934 SSRCB- 5I20a250 4008 1003. 560. 4520. 4020. 778 SSRCB- 6I10250 3006 2001. 910. 6030. 1132. 990 RCB- 1250 4008
10、 20000. 4520. 2011. 555 注: ss为纵向型钢配钢率; s为纵筋配筋率; sv为配箍率; 为受 扭纵筋与箍筋的配筋强度比。 第 43 卷 第 8 期邵永健, 等 实腹式型钢混凝土梁受扭性能试验研究 图 1试件截面形式 钢筋和型钢的主要性能指标表 2 钢材 类型 屈服强度 fy /MPa 极限强度 fu /MPa 弹性模量 Es /( 105MPa) I10 腹板382. 61 452. 171. 937 I10 翼缘355. 85 428. 471. 906 I14 腹板383. 13 477. 942. 016 I14 翼缘369. 05 449. 401. 945 I
11、20a 腹板351. 56 465. 632. 045 I20a 翼缘312. 52 398. 101. 982 6 391. 96542. 722. 475 8 340. 91482. 952. 454 12 300. 62433. 242. 357 混凝土的主要性能指标表 3 性能指标 fc/MPafcu/MPaft/MPafv/MPaEc/MPa 混凝土22. 9630. 202. 522. 712. 99 104 注: fc为轴心抗压强度; fcu为立方体抗压强度; f t为抗拉强度; fv 为抗剪强度; Ec为弹性模量。 型钢混凝土梁的受扭试验主要难点在于试验装 置, 因为没有现成的
12、试验装置, 因此进行型钢混凝土 梁试验的首要任务是设计出满足纯扭试验要求的加 载装置。参考钢筋混凝土构件受扭装置, 经过分析 和比较并且考虑试验室条件, 设计出试验用的加载 装置如图 2 所示。 试验时, 将试件用两个满足刚度要求的钢梁夹 紧, 再将加载端支承在辊轴支座上, 用以抵消加载的 竖向力, 达到只有扭矩的作用。为了得到下降曲线, 在加载端, 用伺服式作动器的位移控制方式进行加 载( 位移可以转换为相对扭转角) 。正式试验前, 先 进行预加载, 预加载扭矩约为开裂扭矩的 30% ; 试 验加载按位移控制方式进行,5mm 为一个等级, 分 级加载。每加载一个等级, 停留 2 3min,
13、采集数 据, 观察现象, 再进行下一级加载, 直到扭矩下降到 极限扭矩的 85% 以下, 停止加载。试验取跨中 1m 范围为测试段, 主要量测内容包括: 扭矩、 相对扭转 角、 梁截面扭转变形、 型钢、 钢筋和混凝土的应变值、 裂缝宽度。 2主要试验结果及分析 2. 1 主要试验现象与结果 ( 1) RC 梁: 在加载初期, 试件处于弹性阶段。 图 2纯扭试验加载装置图 当荷载达到开裂扭矩时, 第 1 条斜裂缝出现在试件 长边表面靠近固定端处, 随后裂缝开展迅速。最后 破坏时, 除下表面有两条主裂缝外, 其他各面都只有 1 条主裂缝, 主裂缝与试件水平轴约成 45角, 且 4 个面的裂缝基本上
14、相连成为螺旋状: 由距梁固定端 截面约 20mm 的下表面与左表面交接处开始, 旋转 一圈后, 在距梁的加载端截面约 250mm 的下表面和 右表面交接处结束。试件达到极限扭矩后, 持续时 间较短, 属于脆性破坏。试件最终破坏形态如图 3 ( a) 所示。 ( 2) SSRC 梁: 混凝土开裂前, 试件处于弹性阶 段。裂缝首先出现在试件下表面和右表面, 并迅速 贯通整个面。随后受扭承载力增长速度有所下降。 接近极限扭矩时, 试件全长形成均匀分布的受拉破 坏斜裂缝, 裂缝的数量不再增加而宽度急剧增大。 加载到极限扭矩时, 试件进入破坏阶段, 受压区混凝 土被压碎, 随后扭矩开始缓慢下降。最后破坏
15、时, 除 95 建筑结构2013 年 下表面有 4 条主裂缝外, 其他各面都有 3 条主裂缝, 主裂缝与试件水平轴约成 45角, 且 4 个面的裂缝 基本上相连成为螺旋状。试件破坏时有相当大的扭 转角和裂缝, 能持续相当长的一段时间, 属于延性破 坏。试件最终破坏形态如图 3( b) 所示。 图 3试件破坏形态 各试件开裂扭矩、 极限扭矩、 极限相对扭转角和 最大裂缝宽度的试验结果如表 4 所示。 型钢混凝土梁的试验结果表 4 试件 编号 开裂扭矩 Ttcr/( kNm) 极限扭矩 TSSRC/( kNm) 极限相对扭 转角 /( rad/m) 最大裂缝 宽度 /mm SSRCB- 121.
16、59024. 4800. 051 4885. 4 SSRCB- 221. 67230. 3580. 097 0366. 5 SSRCB- 317. 59521. 3350. 080 5794. 8 SSRCB- 414. 79016. 8300. 040 52811. 0 SSRCB- 521. 67535. 0200. 102 7053. 9 SSRCB- 616. 57517. 5950. 040 52820. 5 注: 对比梁 RCB- 1 的开裂扭矩为 21. 675 kNm, 开裂后裂缝发展 迅速, 承载力随之下降。 2. 2 型钢混凝土梁受扭影响因素分析 2. 2. 1 截面尺寸的
17、影响 试件 SSRCB- 1 和 SSRCB- 3 的主要差别是梁截 面高度不同。 由表 4 可知, SSRCB- 1 与 SSRCB- 3 相 比, 开 裂 扭 矩 提 高 了 22. 71% , 极 限 扭 矩 提 高 了 14. 74% , 极限扭矩提高的幅度相比开裂扭矩反而有 所降低。这是因为试件开裂前的扭矩主要由混凝土 承担, 而混凝土开裂后扭矩主要由型钢承担, 且此时 试件混凝土本身已经产生较大的裂缝, 中部棱边处 混凝土也开始出现局部压碎, 从而导致极限扭矩的 提高幅度相比开裂扭矩有所降低。通过两试件承载 力的对比可以看出, 增加截面高度可提高型钢混凝 土构件的开裂扭矩和极限扭矩
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