型钢混凝土柱复合受扭试验方案设计

型钢混凝土柱复合受扭试验方案设计回顾以往的研究不难发现，过去很多和型钢源凝土结构构件仃关系的研究大部分是在斜截面受剪、正截面受弯、节点受力的机理、构件抗震性能和构造等相关方面研究上面，而我国颁布的名制骨源凝土结构技术规程(YB9082-2006),以及”利例阻凝土组合结构技术规程3口0"招-加01)1201也都没有给出关于型制海凝土结构构件的受扣承载力理论分析用设计方法方面的相关规定.在我国，结检构件的受扭研究是一个发展相时较晚的课题，关于型钢泡凝土快件受用性能研究的资料.国内只仃少量论文发表，国外的研究成果也敕少口木试验里点对配H型钢的型钢泡凝士柱的复合受加性能进行试验研究-影响型钢泡凝三柱复合受出性能的因素有很多，如:型策截面尺寸、型制的保护层厚度、配筋率、配箍率、配钢率、轴下比、泡凝土强度等级等等口本试验选取截面尺寸、型钢用飘向配筋均相同的试件’以不同的轴压比、招弯比、泡凝土强度用配掖率为研究参数进行试验设计口试验目的在实际工程应用中,结检或检件处于纯扣，状态下的情况往往比较少，绝大多数都是处于弯矩、剪力用扣矩等共同作用的复合受印状态卜.例如1吊车梁、南海梁、现浇框架边梁、不规以结检的角柱等，都是属于复合受用松件口水次试验主要是对6根配卖腹式的H型钢泡凝土柱在单调荷载作川卜的根配受刖性能进行研究的,主要试验目的仃以下4个方面、首先,通过时b根型钢海凝士柱试件的试验，观察其在压.弯、剪、川共同作用F的破坏形态、裂缝发展及分布情况并叱录各试件受到各缎荷载大小、也甚开裂荷载值、极限破坏荷载值用型钢、阻凝二纵向钢筋制掖筋的应变口其次，画出个各试件的荷载-变形曲线，为其后分析型铜泡凝土受扭性能提供必要的依据’并分析每个不同因素对检件受招性能用刚度的不同影响程度0最后.通过每小型钢泡凝土检件的对比分析■.分析型钢混凝土构件的受扭性能,研究轴不比、招弯比、混凝’二强嗖等级、配掖率、配钢率等因素对型钢泡凝上受用性能的影响’找H主要因素，分析其影响程度用关系-试件设计与制作本次试辑共浇筑了6根正方形截面的型辆源凝土柱,试件的设计与制作主要是参照《型铜涮凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001)附和《建筑抗震计规范》(GB5OO11-2O1O)冈这两本规范。为了更好的分析型钢混凝土的受扭性能,本试验设计试件的原则要求在试件的受扭破坏先于弯曲破坏和剪切破坏发生，并且使得构件的受扭纵筋和箍筋均能够达到屈服状态。试件尺寸的确定为了使柱底嵌固端有较大的相对刚度，基础尺寸设为460x500x1200mm。柱顶为自由端,试件按1:2缩尺设计,柱截面尺寸为bxA=300x300mm,柱高H=900mm,为了满足加载的要求，防止加载时柱端产生局部受压破坏，在柱端200mm范围内预埋一个300x300mm,壁摩为10mm的方钢管。柱计算高度为Ho=8壁mm,也就是说试验段尺寸为300mmx300mmx82Omm□长细比为仇〃7=820x2/300=5.47,可以避免产生短柱的影响，剪跨比九=820/300=2.73>2试件配筋柱顶端为自由端,底端为固定端,柱截面尺寸采用bxh=300mmx300mm,柱高H=900mm,基础尺寸为460mmx500mmx1200mm。其中型钢截而选取H型钢，规格为H150X150X7X10。柱顶箍筋加密其它区域箍筋变8@100为主。混凝土保护层厚度取20mm。试件截而具体设计参数和尺寸可见表2』、图2.1。表2.1H型钢混凝土试件设计主要参数设计参数试件轴压比扭弯比混凝土JcJMpa配钢率箍筋HSRCZ-10.111C354.4%ts@iooHSRCZ-20.211C354.4%虹@100HSRCZ-30.212C354.4%^S@100HSRCZ-40.111C454.4%虹@100HSRCZ-50.111C455.9%*8@75HSRCZ-60.111C355.9%虹@100注：1、试件编号HRCZ-1中,“广为试件序号. 浓示H型钢：2、截面尺寸均为300mmx300mm,纵筋均为8曾12.详见构件截面图：3、混凝土强度等级为C45和C35.型钢为Q235B,纵筋均采用HRB400.部筋均采用HRB400•H型钢截面2-.H鹿钏截面1-,小H型纲械血下•.H型钢截面2-.H鹿钏截面1-,小H型纲械血下•.Aa=3965mm2PlAs=9(>4mm2Ps=l%P、=0.82%Aa=53()9min2Pa=5.9«As=9()4min2Ps=]%P、・=l』先Aa=5309mm2Pa=5.9%As=9O4mm2Ps=l%Pv=O.82%HSRCZ-1~HSRCZ-4口号配筋HSRCZ"HSRCZ-4H(a：ft^U图2.1试件设计图23材料性能2.3.1混凝土由于本次试验有两批不同强度的混凝土，故分两批分别预制了6块混凝土立方体试块，并保证试块和试件在同条件下养护。试验开始前（养护28天时间己到），采用压力试验机测试混凝土立方体抗压强度。每一组试件中强度的最大值和最小值与中间值之差均未超过中间值的15%,取三个试件强度的算术平均值作为每组试件的强度代表值fcilo试件在苏江苏省结构工程重点实验室（苏州科技学院）浇筑，6个试件当中，其中HSRCZ-1-HSRCZ-3采用的是同一批商品混凝土，其混凝土强度等级为C35：HSRCZ-4〜HSRCZ-6采用的是同一批商品混凝土，混凝土强度等级为C45。C35混凝土浇筑过程中制作6个150mmxl50mmxl50mm的立方体试块,同批C45混凝土同样也制作6个150mmxl50mmxl50mm的立方体试块，并与试验试件放在同条件下进行养护，用以进行混凝土材料抗压强度试验。立方体试块的取样、制作、养护、试验都按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)3执行,立方体的抗压强度的计算与轴心抗压强度、轴心抗拉强度和弹性模量的推算都是按照《混凝土结构试验方法标准》(GB50152-2012)【⑹执行的。依照《混凝土结构试验方法标准》(GB50152)।⑹中给出的推算方法：在这里混凝土是用来制作成试验试件的，所以不用把结构中混凝土的强度和试件的混凝土的强度之间的差别考虑进去，也就是说不用乘以试件的混凝土强度的修正系数0.88。依照混凝土强度等级，下面这个算式里面0.76为棱柱体和立方体抗压强度之比，所以最后混凝土轴心抗压强度的试验值应该是：>0.76/cu混凝土的轴心抗拉强度:六。395Kss混凝土弹性模量:/cu将混凝土的主要性能指标列入表2.2o表2.2混凝土材料性能指标试件编号papay；/MpaEJNIpaHSRCZ-ld47.1135.803.2934053.3HSRCZ-2d47.1135.803.2934053.3HSRCZ-3d47.1135.803.2934053.3HSRCZ-4d60.4045.903.7736042.5HSRCZ-5d60.4045.903.7736042.5HSRCZ-6d60.4045.903.7736042.523.2型钢试件中型钢采用的是H150X150X7X10,在工厂中加工,加工完成以后运输到江苏省结构工程重点实验室(苏州科技学院)，其实测力学性能如表2・3。同批中每一种规格的型钢的腹板和翼缘及钢板各留3个材性试样。用以测定型钢材性试样的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、均匀伸长率以及型钢的应力-应变曲线等。材性试样的取样方法主要是按照《钢及钢产品力学性能试验取样位苴及试样制备》(GB/T2975-1988)U”执行的，试验方法是按照《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T228-2OO2)1⑶实施的。表2.3型钢材料性能指标钢材类型取样位置./处1pa)Ju(Mpa)£s(Mpa)腰板2S7.35451.01Q235B翼缘296.44465.992.1X1052.3.3钢筋在试验试件的同批钢筋中抽取材性试样，每种钢筋从三根钢筋中取3个材性试样。测定钢筋材性试样的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、均匀伸长率、以及钢筋的应力一应变曲线：材性试样长度及其试验方法按《金属材料室温拉伸试验方法》(GB"228-2002)।⑻执行。钢筋的材性实测值应取2个钢筋材性试样测试结果的平均值，其主要实测结果如表2.4所示。表2.4钢筋材料性能指标钢材类型屈服强度fy(N/mm2)极限强度儿(N/mmj弹性模量E.(N/mm2)X105^85426572©25407572量测的内容与测点的布置测试的主要内容试验测试的内容主要是根据试验目的预先确定的，主要包括以下内容：试件加载点处的各级荷载值：极限破坏时的荷载值：混凝土、型钢、纵向钢筋以及箍筋的应变:裂缝宽度和开展情况的记录与描述：荷载作用下构件的变形情况，试验过程中试件各段不同的水平位移△%和试件顶部的转角曲.荷载测量：试验在江苏省结构工程重点实验室(苏州科技学院)进行，对于荷载的控制主要是通过位移控制的方法。应变测试：根据应变的测试内容，试验分别在钢筋、型钢翼缘、型钢腹板等测点的相应位苴贴应变片，试验前根据编号分别接线对应到采集系统箱，安排好顺序。裂缝开展情况的记录与描绘：在加载过程中认真查看并找出试验柱表面出现的第一条（批）裂缝，然后在构件上描出裂缝的具体位置，并写上和它相对应的荷载等级,裂缝宽度通过专门测量裂缝宽度的仪器进行测量并做好记录。每一级荷载在持续的时间结束以后，应选出最大的裂缝进行观察并测量。有关最大荷载和开裂荷载：首条裂缝出现时所对应的荷载称之为开裂荷载，它主要是通过肉眼仔细观察的办法来确定：最大荷载是指试件发生破坏时所能够承受的最大荷载值。如果是在相应的荷载持续时间之后出现破坏现象，那么就应当用这时候的荷载值作为试验结构或构件的最大荷载的试验值：如果是在加载的过程当中出现的破坏现在，那么就应当取这一级荷载的前一级荷载当作是结构或者构件的最大荷载的试验值：如果是在规定的荷载持续的时间里面出现破坏现象的话，那么应该把本级荷载和前一级荷载值相加，取它们的平均值作为结构或构件的最大荷载的实测值。测点的布置测点的布置主要是根据测试的内容确定的，布理的应变片、应变花和位移传感器不但要满足精度的要求，而且要保证有足够的量程，以便确保并满足构件进入非线性段量测时出现大变形的要求。为了描述型钢混凝土柱在单调扭矩下的抗震性能，在钢筋、型钢和混凝土表面分别布理应变片和应变花。其中钢筋和型钢表面采用电阻应变片，由浙江黄岩测试仪器厂制造，钢材应变片的型号为BX-120-3AA,灵敏系数为2.02±0.28%,电阻值为120.2±0.1%,敏感栅尺寸为3mmX2mm。混凝土表面采用混凝土电阻应变计型号为S212O-8OAA,灵敏系数为2.03±0.26%,电阻值为118.5+0.2%,栅长X栅宽为5X80。本次试验应变的测试内容如下：1、钢筋应变测试每根纵筋均布理两个应变片，纵筋应变片的位理分别是布理在距离基础顶面100mm和300mm处，共16片，编号为Z1~Z16：箍筋应变片布置,在距离基础顶面最近的四道箍筋上，箍筋的四个面都各布置一个，编号为G1~G16,用以测得加载过程中钢筋的应变，其测点的具体布置如图2.2所示。2、型钢应变测试型钢的电阻应变片分别在距离基础顶面100mm和300mm的型钢翼缘及腹板处,每层腹板分别布置3个应变花，分别为Fl、F2和F3：每层翼缘布置4个应变片，分别为Yl、Y2、Y3和Y4,用以测得型钢的应力、应变的分布规律，其具体测点布苴如图2.2o・户（后）应变片布置图型钢应变片（花）布置图3.图2.2・户（后）应变片布置图型钢应变片（花）布置图3.图2.2在柱身四周分别布置应变花。具体测在柱身四周分别布置应变花。具体测3、混凝土应变的测试混凝土应花主要布置在距离基础50mm处,点位置布置如图2.3。混凝土A面； KC1B面， 八2C面.D面.；混凝土表面应变片布置图，M图2.3混凝土表面应变花布置图

4、试件变形测量由于加载端长度为160mm,以加载段中部至基础上表面为测试段，将测试短分为四段，位移计1、2分别布置加载短梁中间位置，两位移计间L12=400mm,位移计3、4分别布置在距基础上表面615mm位置处，两位移计间L34=200mm,位移计5、6分别布置在距基础上表面205mm位置处，两位移计间L56=200mm,位移计7、8分别布苴在距基础两侧同一高度，主要用于检测基础在加载过程中是否出现转动:试件在压弯剪扭作用下，柱身的变形可以分解为弯曲变形和扭转变形的登加即：a,.其中2代表试件的总变形量，用代表由于偏心扭转对试件产生的弯曲变形，6,代表扭矩作用下试件产生的扭转变形：如图2.4所示。供.=arctan(- )Lab5+比 (P5c=」 4-150tan°tan-其中：6,、4分别为A、B处位移计的测值：L为A、B两测点间的距离:处为柱身整体转角：。为柱身形心平动位移CC图2.4位移变形示意图试件的变形主要是采用分别布苴在试件及基础上面的8个位移传感器来测量的,每层构件的表面分别布置两个位移计，具体测点位置如图2.5.试验过程中，电子位移计、试件内部的电阻应变片、应变花等与数据自动采集仪连接，根据加载制度和需要采集有用的数据。最后自己进行整理、分析并面出相应的曲线。

图2.5位移计布置图加载方案及加载程序加载方案本次试验加载装理由苏州科技学院土木工程学院型钢混凝±受扭科研小组与山东烟台大学联合设计研发而成。该试验装置加载系统由直线作动器、液压油源、液压伺服控制器、控制采集系统以及应变、位移采集系统组成，直线作动器为加载设备，液压伺服系统为核心控制元件，通过SC6000人机交互系统控制加载制度。该试验加载系统可从受力角度分为竖向力加载系统、水平偏心扭距加载系统、柱头侧向约束导向系统、基础边界固定系统：竖向加载系统由龙门架、水平滑凯、液压千斤顶、油缸转接轴、推力调心轻子轴承、上承压板以及橡胶垫组成。伺服液压控制系统将油压注入千斤顶，千斤顶将柱身轴压反力作用于龙门架，形成稳定竖向力加载系统。在偏心加载过程中柱头势必会产生弯I"变形，竖向千斤顶可以通过滑凯完成对柱身轴压力的追踪加载，由于水平滑轨采用标准试件，滑动过程中摩擦很小，对水平直线作动器产生的系统误差几乎可以忽略：水平偏心扭矩加载系统由直线作动器、加载长梁、加载短梁、加载梁拉杆、推力调心粒子轴承及侧向加载板组成。SC6000人机交互输入系统可对直线作动器的汕乐进行控制，对加载长梁产生水平推力或拉力，长梁受打产不位移迎过加载梁拉林与加载短梁共R二作对柱头产生：卜向或反向的扣矩，同时由于本淡试验只仃单侧一个作动器，对柱身同时会产比弯矩前四力、由于竖向h斤顶的轴外势必会对柱头转动产生约束.木装置在油缸传接轴与上承压板之间安装了推力调心粒子轴承，巧妙的将竖向产生的扭转约束消去，长短梁的加载方案可以方使工人拆卸L柱头侧向的束导向系统主要由导向块、45直线滑块、耳滑轨、联系梁组假.谡系统主要是约束柱头发生，侧向偏移.约束柱头侧向「|由度.基础边界固定系统主要由基础固定箱型钢梁、地槽、基础「斤顶及基础前后顶梁，谈系统能够充分保证基础在竖向、前后、左右均保持固定口试验在江苏的结椀工程重点实验室(苏州科技学院，本次