型钢混凝土复合受扭构件的抗扭刚度研究
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第2期 刘群文,等:型钢混凝土复合受扭构件的抗扭刚度研究 25
表1试件设计参数
1.2试验材料
试验采用的混凝土有C35、C45两种,试件尺寸为150 mmxl50 mmxl50 mm.按照标准试验方法预留材 性试块,并测得结果如表2所示。 表2混凝土力学性能
试验所采用的钢筋为直径12 mm的HRB400及型钢HN200 mmx1O0 mmx5.5 mmx8 mm,各预留3个材 性试样,按照钢材标准试验方法测得结果如表3所示。 表3钢筋及型钢的力学性能
1.3实验加载方案 设计了如图2所示的加载装置。试验采用了位移控制加载制度,并且试验分两次加载:预加载和正式加
载。预加载按轴压比反算轴力的20%轴向加载,水平荷载按位移加载2 mm,观察各个测点的数据是否合理. 确认无误后开始正式加载。正式加载时按轴压比的反算轴力进行加载,待试验结果稳定后,进行横向加载。
横向加载分三级加载,裂缝出现前按位移为2 mm进行加载,待裂缝出现后.按位移为4 mm进行加载,达到
最大荷载后按位移为8 mm进行加载,当荷载达到最大荷载的85%时开始卸载,直至为零。
轴 力 / /i蜀 加载钢梁 ,
\
固定 /--— /
2实验结果分析 (a)复合受扭示意图 力
图2加载装置图 (b)加载装置
SRCZ试件受扭破坏分为三个阶段:弹性、弹塑性和破坏阶段。构件开裂前即弹性阶段的r-Q曲线是近 似线性变化的,此时抗扭刚度主要与混凝土强度及截面形状有关。当构件进入弹塑性阶段,此时构件开裂, 其抗扭刚度大幅度降低,抗扭刚度主要与钢筋布置和配筋量大小有关。这是因为混凝土开裂后.钢筋应力突
然增加,钢筋的应变量显著增加,
扭转刚度明显降低 。通过对实验数据的整理,总结出三个参数对抗扭刚度 苏州科技学院学报(工程技术版 2O16
的影响规律 2.1轴压比的影响
SRCZ一1与SRCZ一2相比,两者仅轴压比不一样,前者轴压比为0.1,后者为0.2。由两者扭矩扭率对比曲
线图2(a)可知,构件开裂前,SRCZ一2的 p曲线相比SRCZ一1更陡,此时SRCZ一2的初始刚度大于SRCZ一 1的初始刚度,且其抗扭刚度相比提高了大约12.53%。7昆凝土开裂后。前期SRCZ一1相比SRCZ一2应变增长
更快,这是由于轴压力产生的压应力能有效减缓裂缝发展,当到达0.8 后,两曲线几乎重合,此时轴压力对
构件刚度影响很小。所以适当增大构件的轴压比能够有效地提高构件的抗扭刚度。 2.2混凝土强度的影响
SRCZ一1和SRCZ一3相比,两者的混凝土强度分别为C35和C45,其它的参数均相同。由图2(b)可以看 出,试件开裂前,SRCZ一3曲线相比SRCZ一1曲线更陡,其初始抗扭刚度相比SRCZ一1提高了10.13%。试件开
裂后,SRCZ一3的抗扭刚度退化速度更快。这是由于混凝土强度等级越高,其相应的刚度越大,脆性性质也更
加明显。所以提高构件的混凝土强度等级能够有效地提高构件的抗扭刚度。 2.3配箍率的影响
SRCZ一3和SRCZ一4相比,箍筋间距分别为100 mm和75 mm,除了两者的配箍率不同之外,其它的参数
都是一样的。由图2(c)可以看出,混凝土开裂前,两曲线基本重合,即此时抗扭刚度相差不大。混凝土开裂
后,配箍率高的构件抗扭刚度明显更高,受扭承载力也有较大的提高。这是由于箍筋具备很强的抗剪能力.
能限制斜裂缝的开展宽度,增强腹部混凝土骨料咬合力,同时增大纵筋的销栓作用.延缓核心混凝土的应变 发展,那么构件产生同样宽度的裂缝需要施加更大扭矩,即抗扭刚度显著提高。所以适当提高配箍率能够显
著提高构件弹塑性阶段的抗扭刚度。
0加0∞0.弭0∞0.∞n10n12n14n16 Q/rad·m一 (a)SRCZ一1与SRCZ一2 000 0∞004 006 0oe O.1O o.12 o.14 o.16 Q/rad·m‘ (b)SRCZ一1与SRCZ一3 图3试件骨架曲线对比图 表4试件的特征荷载值 0 00 0 0D4 0 06 00日O10 012n14 n16 Q/tad·m一‘ (c)SRCZ一3与SRCZ一4
3抗扭刚度的计算
抗扭刚度是衡量构件力学性能的一个非常重要的参数。钢筋混凝土的抗扭刚度K=dT/dQ,即曲线各点的 斜率,不过这样计算很难得到理想的结果,所以进行钢筋混凝土抗扭刚度计算时,把 Q曲线简化为两条直
线表达,如图4所示。直线OA代表开裂前阶段,AD代表构件开裂到钢筋屈服阶
段,其中A点表示混凝土开裂的临界点.D点表示钢筋已达到屈服,文中所要研
究的是正常使用阶段的抗扭刚度。即对应图中的OA和AC段,使用扭矩 时的
抗扭刚度即割线OB的斜率 。
3.1 开裂前的抗扭刚度计算 混凝土开裂前,由于构件所受扭矩较小,钢筋和型钢的应变很小,型钢混凝
土构件的抗扭刚度主要与混凝土强度有关,其扭矩一扭率曲线接近为直线,扭转 罔4简化
Q关系曲线 第2期 刘群文,等:型钢混凝土复合受扭构件的抗扭刚度研究 27
刚度与按弹性理论的计算值十分接近。由试验结果可知,轴力产生的压应力能很好地控制裂缝的开展,提高
构件的抗扭刚度。因混凝土为非理想弹塑性材料,故初始刚度折减为弹性抗扭刚度的O.44倍I5J,复合扭转的
刚度由式(1)计算。
K=O.44(1+r4 ̄)GI (1) 式中,G为剪切模量同,G=Ed[2(I+A)];,c为轴压比; 为轴压比影响系数, 取0.5; 为截面的极惯性矩,,=
h3,fl由混凝土截面长边h和短边b的比值 /6确定, 取O.141;A为混凝土的泊松比,h=1/6。所得试件开裂
前的抗扭刚度实测值与计算值结果见表5。由表5可知,计算值与实测值吻合良好。 表5计算结果与实测结果对比表
3.2开裂后的抗扭刚度计算
型钢混凝土柱是由钢筋混凝土和型钢组合而成的。为了确定开裂后的刚度,作出如下假设l 7l:型钢混凝
土构件开裂前后总保持为平截面:钢筋混凝土部分的平均扭率和型钢部分的平均扭率跟整个构件的扭率相
同,使钢筋混凝土和型钢共同变形。所以计算正常使用阶段的抗扭刚度可通过钢筋混凝土构件的抗扭刚度 和十字型钢的抗扭刚度叠加计算。另外,为了简化计算,钢材采用理想弹塑性模型进行计算。
3.2.1 钢筋混凝土构件的抗扭刚度 由实验可知[81,在弹塑性阶段,钢筋混凝土构件的抗扭刚度受轴压力的
影响较大。因为轴压力所产生的压应力能够抵消部分扭矩所产生拉应力,从而限制混凝土裂缝的发展。殷芝
霖 提出,钢筋混凝土纯扭构件开裂后到钢筋屈服前,在扭矩 作用时的抗扭刚度 可按(2)式计算。
= 【 7l+ (T- )] (2)
式中,K =o.65GI;/3=[1.06( +Pn)一0.361%;Tcr ̄0.7f,Wr; F了1 hib ;Pk和Pn分别为纵筋百分率和箍筋百分 J 率。所要研究的是钢筋混凝土构件复合受力时的抗扭刚度,引入钢筋混凝土刚度影响因子a(a与轴压比有
关),因此复合受扭时钢筋混凝土受扭构件的抗扭刚度 可按下式(3)计算。
Kr=czK, (3) 其中, 在『1.8,2.3】取值。
3.2.2十字型钢的抗扭刚度 在正常使用阶段,型钢混凝土构件都是带裂缝工作,试验研究的重点就是正常
使用阶段型钢混凝土的抗扭刚度。为了保证结构的安全性,一般认为正常使用阶段型钢混凝土构件内的型 钢未达到屈服,为了简化计算,认为此时型钢是处于弹性状态。文中试件是上端自由,下端固定,薄壁构件型
钢属于约束扭转,从而会形成翘曲剪力流。为了简化计算,引入刚度降低影响因子 来考虑由此而引起的变 化。综上所述,型钢的抗扭刚度可由式(4)计算。
K,s=q ̄GI, (4) 式中,G= /[2(I+A)],Es =2.1xl0”,A=0.3;文中 取0.75。由此可知,型钢混凝土构件的抗扭刚度可由式(5)
计算
K =czK,BT/[flT+K, ( ,)]+ G, (5) 由表6对比可以看出,提出的抗扭刚度公式误差控制在10%t ̄内,计算数据与实验数据吻合良好。
表6
计算结果与实验结果相对比 28 苏州科技学院学报(工程技术版 2O16
4结论
(1)型钢混凝土构件复合受扭时,适当地增大轴压比、配箍率及混凝土强度能显著提高型钢混凝土构件 的抗扭强度。 (2)型钢混凝土复合受扭时,混凝土开裂前抗扭刚度建议采用公式:K=0.44(1+ )G,。
(3)型钢混凝土复合受扭时,混凝土开裂后的抗扭刚度计算公式建议取用公式: =嘁p K ( ,)】
+ G,。
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Research on torsional stiffness of SRC members subj ected to combined torsion
LIU Qunwen,SHAO Yongjian (School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 2 1 50 1 1,China)
Abstract:In order to study the torsional stiffness of the steel reinforced concrete subjected to the combined
force,four specimens were designed by taking axial compression ratio,concrete strength and stirrup rate as the
study parameters.Based on the experiment,the whole process of r-Q curve,cracking torque and limit torque
were acquired,and the impact of each parameter on the torsional stiffness of the steel reinforced concrete was analyzed.The results show that when the SRC members is subjected to the combined force,an appropriate in—