杭子彥，邵永健，施懷博

（1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州215011；2.徐州工程學院 土木工程學院，江蘇 徐州221009）

隨著建筑高度和跨度的不斷增加，以及造型各異的不規(guī)則建筑的增多，結構性能優(yōu)異的型鋼混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）結構得到了廣泛應用[1]。結構構件往往處于復雜受力狀態(tài)，例如不規(guī)則建筑框架結構的角柱處于壓彎剪扭共同作用的復雜受力狀態(tài)，其承載力低于壓彎剪共同作用柱的承載力。而目前我國兩部相關規(guī)范《鋼骨混凝土結構設計規(guī)程》和《組合結構設計規(guī)范》[1-2]均未給出扭矩作用下SRC構件的設計計算方法。國外主要有以下三種計算方法：一是歐美以鋼結構設計計算理論為基礎，再結合試驗結果加以修正[3]；二是前蘇聯(lián)以鋼筋混凝土設計計算理論為基礎，再考慮鋼筋混凝土和型鋼共同工作[4]；三是日本采用基于疊加法的計算理論[5]。國內雷強利用ANSYS對受扭構件建立有限元模型進行非線性分析，并結合試驗提出了型鋼混凝土純扭作用下的承載力計算模型[6]。譚曉演利用ANSYS對8根H型型鋼混凝土和含矩形鋼管中空型鋼混凝土純扭構件進行模擬，并與已有試驗進行對比分析，得出含矩形鋼管中空型鋼混凝土構件的抗扭性能最好[7]。梁書亭等通過5根工字型SRC梁的復合受扭試驗研究表明，適當?shù)膹澗赜兄谔岣咂淇古姸萚8]。邵永健等進行了23根不同配鋼形式的SRC梁受扭試驗研究表明，增加配鋼率能有效提高構件的延性和承載力[9-10]。翁曉紅等對復合受扭型鋼混凝土柱抗震性能的試驗研究表明，SRC受扭試件相比鋼筋混凝土受扭試件具有更好的延性[11]。而目前國內綜合不同配鋼形式SRC柱的受力性能研究較少，因此本文綜合三種不同配鋼形式，對扭矩作用下SRC柱的受力性能進行研究，獲取試件的破壞形態(tài)、裂縫發(fā)展規(guī)律、扭矩-扭率曲線、延性等。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試件按照1∶2縮尺設計，底端固定，頂端自由。共設計10個試件，其中3個為十字型型鋼混凝土試件，3個為H型型鋼混凝土試件，3個為角鋼桁架混凝土試件，1個為鋼筋混凝土對比試件。試件尺寸規(guī)格：柱身截面為300 mm×300 mm，柱高為900 mm，底部固定端為460 mm×500 mm×1 200 mm，加載點至基礎頂面距離—————————為H0=820 mm，剪跨比λ=H0／h=2.73。為防止加載處混凝土局部受壓破壞而在柱頂200 mm高度范圍內預埋了一個300 mm×300 mm×10 mm的方鋼管。十字型鋼由2個規(guī)格為HN200 mm×100 mm×5.5 mm×8 mm的H型鋼焊接組成；H型鋼規(guī)格為HW150 mm×150 mm×7 mm×10 mm；角鋼規(guī)格為L63 mm×8 mm，腹板尺寸為120 mm×25 mm×8 mm。試件截面具體設計參數(shù)和尺寸見表1所列及圖1所示。

1.2 加載裝置與加載制度

試驗在蘇州科技大學江蘇省結構工程重點實驗室進行,加載裝置如圖2所示，通過一個豎向千斤頂在試件頂部施加豎向荷載，產(chǎn)生軸向壓力；通過一個水平伺服作動器對試件施加偏心水平荷載F，在試件中產(chǎn)生彎矩、剪力和扭矩；試件基礎由工字鋼和地錨螺栓固定，形成固定端。偏心水平荷載F的等效作用如圖3所示，A面為剪力相加面；B面為彎曲受壓面；C面為剪力相減面；D面為彎曲受拉面。

試驗采用位移加載。首先進行預加載，豎向軸力加載至預估值的20%，水平位移加載2 mm。然后正式加載，豎向軸壓力一次性加載到預估值，并維持恒定。水平推力采用位移分級加載，在試件未開裂時每級加載2 mm，開裂后每級加載4 mm，達到最大荷載后每級加載8 mm，當荷載下降至最大荷載的85%時終止加載。每級持載5 min，采集數(shù)據(jù)并記錄裂縫發(fā)展等試驗現(xiàn)象。

1.3 測點布置

主要測試內容為：混凝土、鋼筋、型鋼的應變，以及每級位移下試件的扭轉變形與裂縫。裂縫用黑色油性筆畫出發(fā)展走向，試驗數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動采集。

應變片布置在距基礎頂面100 mm、300 mm兩個截面上，每個截面布置8片，混凝土與型鋼應變片布置如圖4所示。位移計布置如圖5所示。

試件在荷載作用下扭轉變形通過扭率（單位扭轉角）來反映，扭轉角通過試件位移計來測量，根據(jù)圖5位移計1和位移計2測得的變形δA、δB，可得到試件扭轉角φ和扭率θ計算公式，分別為式（1）和式（2）。

式中，δA、δB分別為位移計1和位移計2的實測值，mm；lAB=400 mm，是位移計1和位移計2之間的水平距離。

圖4 應變片布置

圖5 位移計布置

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

圖6為試件破壞的最終形態(tài)。9個型鋼混凝土試件中，扭彎比1∶1的6個試件初始裂縫出現(xiàn)在A面（剪力相加面）中部靠下位置，扭彎比1∶2的3個試件初始裂縫出現(xiàn)在D面（彎曲受拉面）中部靠下位置。隨著扭矩增加，裂縫逐漸沿斜向上、下方向延伸，寬度增加，4個面的裂縫逐漸貫通，并呈螺旋狀，每1面都有1～2條主裂縫貫通全截面。在荷載下降段，隨著位移增加，試件表面混凝土起皮、脫落，并伴有噼啪響聲，保護層混凝土相繼退出工作，主要由核心混凝土和型鋼共同承受外荷載。由于試件角部約束作用小，混凝土與型鋼間產(chǎn)生粘結滑移，4個面的右下角形成三角體翹起。其后可聽到混凝土內部爆裂聲音，柱表面混凝土被拉斷錯位，當荷載下降至最大荷載的85%時停止加載。鋼筋混凝土對比試件一開裂很快就屈服，裂縫疏而寬，破壞時的扭轉變形相對較小。

圖6 試件破壞的最終形態(tài)

2.2 結果分析

試驗實測結果見表2所列。

表2 型鋼混凝土試件復合受扭實測結果

2.2.1 扭矩T與扭率θ曲線分析

圖7為10個試件受力過程的T-θ曲線，可分為3個階段：開裂前的線彈性階段，這一階段T-θ曲線斜率大，即試件的初始剛度大；彈塑性階段：隨著裂縫出現(xiàn)，裂縫截面混凝土逐漸退出工作，T-θ曲線斜率逐漸減小，試件剛度降低，至極限扭矩；破壞階段：超過極限扭矩后，T-θ曲線開始下降，保護層混凝土開始起皮甚至脫落。

（1）軸壓比對受扭性能的影響。分析圖6和圖7中的軸壓比對比試件（1號試件和2號試件）可知，軸壓比大的試件， 曲線初始段稍高出軸壓比小的試件，軸壓比的提高，有助于提高試件的初始剛度、開裂扭矩和極限扭矩。分析表2中，3種配鋼形式SRC試件中的1號和2號試件的極限扭矩可知，軸壓比從0.1增長到0.2，極限扭矩平均增長11.9%。這是由于軸壓力產(chǎn)生的壓應力約束混凝土，同時可減小因扭轉產(chǎn)生的拉應力，延緩裂縫的發(fā)展。

圖7 試件T-θ曲線

（2）扭彎比對受扭性能的影響。分析圖6和圖7中的扭彎比對比試件（2號試件和3號試件）可知，扭彎比小，則試件所受彎矩和剪力相對較大，彎矩和剪力對試件的影響加大，導致箍筋對試件的橫向變形約束削弱。由于空腹式的角鋼和綴板形成了類似于箍筋的二次約束，所以扭彎比大小對于角鋼桁架混凝土前期受力影響不明顯。而對于實腹式的十字型鋼和H型鋼試件，扭彎比大試件的前期受力性能明顯有所改善。分析表2中，3種配鋼形式SRC試件中的2號和3號試件的極限扭矩可知，扭彎比從1∶1減小到1∶2，極限扭矩平均減小2.3%。這是由于扭彎比減小，即彎矩影響增大，且試件均為對稱配鋼（筋），彎矩與扭矩引起的拉應力疊加，從而導致受扭承載力降低，但降低幅度小。

（3）配鋼形式對受扭性能的影響。分析圖7（d）可知，受扭初期4個試件的T-θ曲線大致相似，反映出不同配鋼形式對試件初期的受力性能影響較小?；炷灵_裂后，RCZ試件的受力性能明顯比配型鋼試件的差，尤其是承載力與極限變形明顯低于SRC試件。3種SRC試件中，配角鋼桁架試件的表現(xiàn)最為優(yōu)越，由于加載后期外部鋼筋籠破壞后，空腹式的角鋼桁架可以形成一個鋼骨籠對核心混凝土進行二次約束，隨著混凝土變形加大，不斷地向外膨脹，產(chǎn)生對角鋼桁架的擠壓力，同時角鋼桁架的反作用力對混凝土提供約束作用，使混凝土得到很好約束，提高了試件整體的受扭性能；型鋼翼緣沿截面對稱分布的配十字型鋼試件的受力性能排第二，配H型鋼試件的受力性能緊隨其后。整體而言，配有型鋼可以大大提高承載力，T-θ曲線下降段平緩即延性好。

2.2.2 延性分析

延性是表示結構構件變形能力的一個重要參數(shù)[12]，即在結構破壞前，截面能承受多大的后期變形能力。本文采用能量等效法確定屈服點，取最大荷載的85%為名義極限荷載，對應的扭率為θu，由此計算延性系數(shù)μ=θu／θy。各參數(shù)對μ的影響如圖8所示。分析圖8（a）和表2可知，在其他條件相同的情況下，隨著軸壓比從0.1增長到0.2，延性系數(shù)平均降低10.6%。分析圖8（b）和表2可知，隨著扭彎比從1∶2增加到1∶1，延性系數(shù)平均提高22.4%；由于扭彎比的減小，意味著試件所受的彎矩和剪力增大，從而削弱了箍筋抵抗剪應力的能力，使得其對混凝土橫向約束降低，同時彎矩的增加使受壓區(qū)混凝土過早地達到極限應變而降低整體延性。

延性系數(shù)平均值：SSRCZ試件為6.99，HSRCZ試件為3.69，ASRCZ試件為5.04?？梢?，配十字型鋼試件的延性系數(shù)最大，其次是配角鋼桁架試件，而配H型鋼試件的最小。型鋼混凝土試件中影響其延性的主要因素有鋼筋的塑性變形能力、混凝土的韌性，以及型鋼與混凝土的粘結性能。對比三種不同的配鋼形式，在其他條件均相同的情況下，唯有不同型鋼的粘結性能影響最為重要。 極限粘結強度按（3）式計算[13]，即

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

各計算參數(shù)見表3。經(jīng)計算得在軸壓比、扭彎比參數(shù)都相同的條件下十字型型鋼粘結性能最好，其次是角鋼桁架，最后是H型鋼。這也就說明了粘結性能好的型鋼試件其后期承受的變形能力強，表明延性好。

圖8 延性系數(shù)變化規(guī)律

表3 型鋼混凝土試件極限粘結強度計算結果

2.2.3剛度分析

抗扭剛度是分析SRC試件受力性能的重要參數(shù)之一，根據(jù)疊加原理，在試件開裂前剛度與混凝土強度有關，即與配鋼類型無關，因此研究不同配鋼形式的試件剛度應從開裂之后分析。參考現(xiàn)有型鋼混凝土組合結構相關扭轉剛度理論[14]，試件抗扭剛度按（4）計算。

圖9 剛度變化規(guī)律

3 結論

通過10個軸壓比在0.1～0.2之間、扭彎比在0.5～1.0之間的復合受扭試件（其中9個為型鋼混凝土試件，1個為鋼筋混凝土對比試件）的靜力試驗研究，可得到以下結論：

（1）10個試件最終破壞時表面均出現(xiàn)螺旋貫通裂縫，4個面的右下角形成三角體翹起，均為扭型破壞。

（2）10個試件的扭矩-扭率全過程曲線均可分為：開裂前的線彈性階段、裂縫出現(xiàn)后的彈塑性階段和超過極限扭矩后的破壞階段。

（3）型鋼混凝土試件的受扭承載力和扭轉變形能力顯著優(yōu)于鋼筋混凝土對比試件。

（4）軸壓比從0.1增加到0.2，試件受扭承載力（極限扭矩）平均增長11.9%，延性系數(shù)平均降低10.6%?？梢娸S壓比對受扭承載力和延性系數(shù)均有較大影響。

（5）扭彎比從1∶2增加到1∶1，試件受扭承載力（極限扭矩）平均增加2.3%，延性系數(shù)平均提高22.4%?？梢娕澅葘κ芘こ休d力影響較小，對延性系數(shù)影響較大。

（6）3種配鋼形式中，雙軸對稱配鋼試件（配十字型鋼試件、配角鋼桁架試件）的受扭承載力和扭轉變形能力要優(yōu)于單軸對稱配鋼試件（配H型鋼試件）；型鋼混凝土構件的受扭承載力性能與配鋼形式有關，與含鋼率無關。