实腹式配钢型钢混凝土梁受扭性能的多维度试验剖析与理论探究

实腹式配钢型钢混凝土梁受扭性能的多维度试验剖析与理论探究一、引言1.1研究背景与意义在现代建筑结构领域，实腹式配钢型钢混凝土梁凭借其独特的性能优势，占据着举足轻重的地位。这类梁型将型钢的高强度、高刚度和良好的抗扭性能与混凝土的耐久性、防火性以及成本效益有机结合，广泛应用于各类大型建筑、高层建筑以及工业厂房等结构中，能够有效满足建筑结构对于承载能力、空间利用和结构稳定性的严格要求。受扭作为建筑结构中常见的一种荷载形式，来源广泛且复杂。地震作用时，地面运动的复杂性会使结构产生扭转效应，对构件施加扭矩；风荷载在作用于建筑结构时，由于建筑体型、风向角以及周围环境的影响，也可能导致结构构件承受扭转力；此外，在一些特殊的建筑结构中，如大跨度空间结构、旋转餐厅等，由于自身的功能需求或结构布置特点，会受到旋转荷载的作用，进而产生扭转。在实际工程中，若结构构件的受扭性能考虑不足，一旦遭受扭矩作用，可能引发结构的局部破坏，甚至导致整体结构的失稳，严重威胁建筑结构的安全。因此，深入研究实腹式配钢型钢混凝土梁的受扭性能，对于保障建筑结构在复杂受力情况下的安全性与稳定性至关重要。从工程安全角度来看，准确掌握实腹式配钢型钢混凝土梁在扭矩作用下的力学行为，包括开裂扭矩、极限扭矩、扭转变形规律以及破坏模式等，能够为结构设计提供可靠的依据，有效避免因受扭破坏而引发的安全事故，保障人民生命财产安全。在结构设计优化方面，通过对受扭性能的研究，可以深入了解不同参数，如箍筋间距、箍筋直径、型钢保护层厚度、型钢含钢率等对梁受扭性能的影响规律，从而在设计过程中合理调整这些参数，实现结构的优化设计。这不仅能够提高结构的抗扭能力，还可以在保证结构安全的前提下，减少材料的使用量，降低工程造价，提高建筑结构的经济效益和社会效益。尽管目前对于型钢混凝土结构的研究取得了一定成果，但主要集中在受弯、受压等性能方面，对于实腹式配钢型钢混凝土梁受扭性能的研究相对较少。已有的研究成果在一些关键问题上尚未达成共识，如型钢与混凝土之间的协同工作机制在受扭状态下的具体表现、复杂应力状态下受扭承载力的准确计算方法等，仍有待进一步深入研究和完善。因此，开展实腹式配钢型钢混凝土梁受扭性能的试验研究具有重要的理论和实际意义，有望填补该领域在相关方面的研究空白，为工程实践提供更为科学、全面的理论支持和技术指导。1.2国内外研究现状在国外，对型钢混凝土结构的研究起步较早。自20世纪初，日本和一些西方国家就开始将组合结构应用于实际工程，起初主要是利用型钢来提升防火和防护性能。随后，欧美、日本以及前苏联等发达国家对SRC构件性能展开了大量试验研究。早期针对SRC柱的研究中，Burr通过空腹式SRC柱试验发现，相较于钢结构柱，SRC柱在强度和刚度方面有显著提高，这一发现为后续研究奠定了基础。此后，加拿大学者、英国学者和美国学者进一步深入研究，对混凝土和型钢之间的协同工作特点有了更深入的认识。在型钢混凝土梁受扭性能研究方面，国外学者通过制造特定规格和类型的型钢混凝土梁，并施加标准化的受力条件进行实验，着重探究不同材料的应力应变特性、受扭强度以及弹塑性承载力。例如，部分学者针对不同材料的应力应变特性展开调查，分析在扭矩作用下材料的变形和破坏规律；还有些学者聚焦于受扭强度和弹塑性承载力的研究，通过试验数据计算构件在不同受力阶段的性能指标。国内对型钢混凝土结构的研究虽起步相对较晚，但发展迅速。近年来，众多学者和工程师积极投身于型钢混凝土梁受扭性能的试验研究与理论分析。在试验研究方面，通过设计一系列试验方案，对不同参数的型钢混凝土梁进行扭转载荷下的力学性能测试。余兴国等人以箍筋间距、箍筋直径、型钢保护层厚度以及型钢含钢率为主要参数，设计了6根型钢混凝土试件和1根钢筋混凝土试件，采用一端固定、一端自由扭转的受力模型，通过单调静力分级加载的试验方法，深入研究了型钢混凝土受扭构件的裂缝开展形态、破坏特征以及扭转变形规律。通过对不同参数试件的试验结果进行对比分析，探讨了箍筋间距、箍筋直径和强度、型钢保护层厚度、型钢翼缘宽度与试件宽度的比值等因素对受扭性能的影响。研究结果表明，型钢对型钢混凝土受扭构件的开裂扭矩影响可忽略不计，但能大幅提高极限扭矩和后期抗扭刚度，有效改善构件的延性；减小型钢保护层厚度、加密箍筋间距和提高箍筋强度可提高抗扭承载能力；缩小型钢翼缘宽度与试件宽度的比值也能提高构件的承载力。在理论分析方面，国内学者通过数值计算和解析分析等方法，深入探究构件内部应力的变化、断裂形态的形成以及受扭能力的限制等问题。在计算型钢混凝土梁的受扭承载力时，部分学者基于古典空间桁架理论模型、修正空间桁架计算模型、变角空间桁架理论模型以及斜弯破坏计算模型等，结合试验数据进行分析和验证，试图建立更为准确的受扭承载力计算公式。然而，目前对于型钢与混凝土之间在受扭状态下的协同工作机制，尚未形成统一且完善的理论体系，不同学者的研究结果和观点存在一定差异。在复杂应力状态下，受扭承载力的计算方法也有待进一步优化和完善，以更精准地反映构件的实际受力性能。现有研究在考虑实际工程中多种复杂因素，如构件的尺寸效应、荷载的长期作用、温度和湿度变化等对受扭性能的影响方面，仍存在不足，需要开展更多的试验研究和理论分析。1.3研究内容与方法本试验研究旨在深入剖析实腹式配钢型钢混凝土梁的受扭性能，通过系统的试验设计与数据分析，揭示其在扭矩作用下的力学行为和破坏机理。在试件设计方面，精心规划了一系列具有不同参数的实腹式配钢型钢混凝土梁试件。以箍筋间距、箍筋直径、型钢保护层厚度以及型钢含钢率为主要变量，设计多组试件，例如设置箍筋间距分别为100mm、150mm、200mm；箍筋直径选取8mm、10mm、12mm；型钢保护层厚度设定为20mm、30mm、40mm；型钢含钢率控制在5%、8%、10%等。同时，制作1根钢筋混凝土试件作为对比参照，该钢筋混凝土试件除无型钢外，其他参数与其中一根型钢混凝土试件保持一致。通过这种方式，能够全面且细致地探究不同参数对梁受扭性能的影响规律。在试验方案制定中，采用一端固定、一端自由扭转的经典受力模型，模拟实际工程中梁所承受的扭转荷载工况。加载方式采用单调静力分级加载，以位移控制方式加载，确保加载过程的稳定性和可重复性。在加载前期，每级荷载增量较小，如初始阶段每级加载扭矩为5kN・m，随着试件变形的发展，逐渐适当增大荷载增量，如后期每级加载扭矩为10kN・m。在加载过程中，密切观察并记录试件的裂缝开展情况、变形特征以及破坏形态等。试验方法主要包括以下几个关键环节。在材料性能测试方面，对所使用的钢材和混凝土进行严格的材性试验。对于钢材，测试其屈服强度、抗拉强度、弹性模量等力学性能指标；对于混凝土，测定其立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量等。通过精确的材料性能数据，为后续的试验分析和理论计算提供可靠依据。在试验过程中，运用多种测量手段获取关键数据。采用电阻应变片测量混凝土、钢筋和型钢的应变分布情况，在试件表面合理布置应变片，如在混凝土的四个侧面、钢筋的关键部位以及型钢的翼缘和腹板等位置，以全面监测不同部位在受扭过程中的应变变化。使用高精度的位移计测量试件的扭转变形，在自由端布置多个位移计，测量不同位置的扭转角，从而准确绘制扭角-扭矩曲线，直观反映试件的扭转变形规律。在分析手段上，一方面对试验数据进行详细的统计和对比分析。通过对不同参数试件的试验结果进行横向对比，如对比不同箍筋间距试件的开裂扭矩、极限扭矩以及扭转变形等，深入探讨各参数对受扭性能的影响程度和趋势。另一方面，借助有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS等，建立实腹式配钢型钢混凝土梁的有限元模型，模拟其受扭过程。将有限元模拟结果与试验结果进行对比验证，进一步深入分析构件内部的应力分布和变形特征，完善对实腹式配钢型钢混凝土梁受扭性能的认识。二、实腹式配钢型钢混凝土梁概述2.1结构组成与特点实腹式配钢型钢混凝土梁主要由型钢骨架、纵向钢筋、箍筋以及混凝土四部分组成。型钢骨架作为梁的核心受力部件，通常采用热轧型钢或焊接型钢，如常见的H型钢、工字形型钢等。这些型钢具有较高的强度和刚度，能够承担大部分的拉力和压力，有效提高梁的承载能力。纵向钢筋沿梁的纵向布置，主要承受拉力，与型钢协同工作，增强梁的受拉性能。箍筋则围绕着纵向钢筋和型钢，起到约束混凝土、提高梁的抗剪能力以及增强结构整体性的作用。混凝土包裹着型钢、纵向钢筋和箍筋，形成一个整体，不仅为内部钢材提供保护，防止其锈蚀，还能利用自身的抗压性能，与型钢共同承担压力，提高梁的抗压承载能力。这种结构形式结合了型钢与混凝土的优势，展现出诸多显著特点。在力学性能方面，由于型钢的存在，实腹式配钢型钢混凝土梁的承载能力大幅提高。相较于普通钢筋混凝土梁，它能够承受更大的荷载，适用于大跨度、重载的建筑结构中。例如，在一些大型商业建筑的转换层结构中，实腹式配钢型钢混凝土梁可以有效地将上部结构的荷载传递到下部结构，确保结构的稳定性。同时，型钢与混凝土的协同工作使梁具有良好的延性，在承受较大变形时，能够通过材料的塑性变形吸收能量，避免突然破坏，提高结构的抗震性能。在实际地震灾害中，许多采用实腹式配钢型钢混凝土梁的建筑结构在地震作用下表现出较好的抗倒塌能力，保障了人员的生命安全。从施工角度来看，实腹式配钢型钢混凝土梁也具有一定优势。在施工过程中，型钢骨架可以作为模板的支撑体系，减少了传统模板支撑的搭设工作量，加快了施工进度。在一些高层建筑的施工中，利用型钢骨架作为支撑，能够提前进行上层结构的施工，缩短了整体施工周期。此外，由于型钢的存在，梁的尺寸可以相对减小，从而减轻了结构自重，降低了基础的承载要求，进一步节约了施工成本。在一些对基础承载能力有限的场地，这种优势尤为明显。在耐久性和防火性能方面，混凝土为型钢提供了良好的防护，使型钢不易受到外界环境的侵蚀，提高了结构的耐久性。同时，混凝土的隔热性能能够延缓火灾时型钢温度的升高，增强梁的防火性能。与钢结构相比，实腹式配钢型钢混凝土梁在防火方面具有明显优势，不需要额外的防火涂层，降低了维护成本。在一些对防火要求较高的建筑，如商场、医院等，实腹式配钢型钢混凝土梁能够满足防火规范的要求，保障建筑的消防安全。2.2工作原理与应用领域在扭矩作用下，实腹式配钢型钢混凝土梁的工作原理较为复杂，涉及多种材料之间的协同作用。当梁受到扭矩时，首先由箍筋和混凝土共同承担一部分扭矩。箍筋通过其抗剪能力约束混凝土，限制混凝土的横向变形，从而提高梁的抗扭能力。混凝土则凭借其自身的抗压强度，在箍筋的约束下，与箍筋一起形成一个整体，抵抗扭矩的作用。随着扭矩的逐渐增加，型钢开始发挥重要作用。型钢由于其较高的强度和刚度，能够承担大部分的扭矩。型钢的腹板和翼缘在扭矩作用下产生剪应力，通过与混凝土之间的粘结力以及机械咬合力，将扭矩传递给混凝土，实现型钢与混凝土的协同工作。纵向钢筋也在一定程度上参与受扭，它们与箍筋、型钢和混凝土相互配合，共同抵抗扭矩。在整个受扭过程中，不同材料之间的协同工作能力对于梁的受扭性能至关重要。如果材料之间的粘结力不足或协同工作不良，可能导致梁的受扭承载力降低，甚至出现过早破坏的情况。实腹式配钢型钢混凝土梁在不同建筑领域中有着广泛的应用。在高层建筑领域，由于其承载能力高、抗震性能好的特点，常被用于高层建筑的框架梁、转换梁等关键部位。在一些超高层建筑中，实腹式配钢型钢混凝土梁作为转换梁，能够实现不同结构形式之间的荷载传递，保证上部结构的稳定性。在某超高层写字楼中，采用了实腹式配钢型钢混凝土转换梁，成功解决了上部大空间结构与下部小柱网结构之间的转换问题，满足了建筑的功能需求。在大跨度建筑领域，如体育馆、展览馆等，实腹式配钢型钢混凝土梁能够有效地跨越较大的空间，减少中间支撑，提供更大的使用空间。某大型体育馆的屋盖结构采用了实腹式配钢型钢混凝土梁，其跨度达到了30米，通过合理的设计和施工，确保了结构在自重、风荷载、雪荷载等多种荷载作用下的安全性和稳定性。在工业建筑领域，对于一些承受较大荷载的厂房结构，实腹式配钢型钢混凝土梁能够满足其承载要求，提高厂房的耐久性和可靠性。在一些重型机械制造厂房中，由于设备荷载较大，采用实腹式配钢型钢混凝土梁作为吊车梁，能够承受吊车的频繁起吊和制动荷载，保证厂房的正常使用。三、试验设计与实施3.1试件设计3.1.1设计参数选取在本次试验中，为了全面探究各因素对实腹式配钢型钢混凝土梁受扭性能的影响，精心选取了多个关键设计参数，包括箍筋间距、箍筋直径、型钢保护层厚度以及型钢含钢率等，各参数的选取依据及变化范围如下：箍筋间距：箍筋在梁的受扭过程中起着至关重要的约束作用，其间距的大小直接影响着对混凝土的约束效果以及与纵筋形成的空间骨架的稳定性。参考相关规范及以往研究成果，本次试验设置了100mm、150mm、200mm三个间距水平。较小的箍筋间距（100mm）能够提供更强的约束，有效抑制混凝土的横向变形，增强梁的抗扭能力；而较大的箍筋间距（200mm）则可用于研究约束不足时梁的受扭性能变化。通过对比不同间距下梁的受扭性能，能够明确箍筋间距对梁抗扭性能的影响规律。箍筋直径：箍筋直径决定了箍筋自身的承载能力和对混凝土的约束强度。本次试验选用了8mm、10mm、12mm三种直径的箍筋。直径较小的8mm箍筋适用于对约束要求相对较低的情况，而12mm的较大直径箍筋则可提供更强的约束作用。不同直径的箍筋能够改变梁的抗扭性能，通过试验对比，可以分析箍筋直径对梁受扭性能的影响程度。型钢保护层厚度：型钢保护层厚度不仅关系到型钢的耐久性，还对型钢与混凝土之间的协同工作性能产生影响。试验中设定了20mm、30mm、40mm三种厚度。较薄的保护层（20mm）能使型钢与混凝土更紧密结合，增强协同工作能力，但耐久性相对较弱；较厚的保护层（40mm）虽能提高耐久性，但可能会在一定程度上削弱两者之间的协同作用。研究不同保护层厚度下梁的受扭性能，有助于在实际工程中平衡耐久性与结构性能的关系。型钢含钢率：型钢含钢率是影响梁承载能力和变形性能的关键因素。本次试验将型钢含钢率控制在5%、8%、10%。较低的含钢率（5%）可用于研究梁在型钢用量较少时的受扭性能，而较高的含钢率（10%）则能体现型钢对梁受扭性能的增强效果。通过改变含钢率，能够深入了解其对梁受扭性能的影响，为工程设计提供合理的含钢率取值范围。此外，为了更清晰地对比分析，专门制作了1根钢筋混凝土试件作为参照。该钢筋混凝土试件除了不配置型钢外，其他参数与其中一根型钢混凝土试件保持一致，以便突出型钢对梁受扭性能的影响。3.1.2试件制作过程试件制作过程严格把控每一个环节，以确保试件质量符合试验要求，具体工艺流程如下：原材料准备：钢材选用符合国家标准的热轧型钢和钢筋，确保其质量稳定且力学性能满足设计要求。对钢材进行抽样检验，测试其屈服强度、抗拉强度、弹性模量等关键性能指标。混凝土采用现场搅拌，按照设计配合比准确称量水泥、砂、石子、水和外加剂等原材料。水泥选用普通硅酸盐水泥，以保证混凝土的强度和耐久性；砂选用中砂，含泥量控制在规范允许范围内；石子采用连续级配的碎石，确保混凝土的和易性和密实性。外加剂根据需要选用减水剂、早强剂等，以改善混凝土的工作性能和早期强度。在搅拌过程中，严格控制搅拌时间和搅拌速度，确保混凝土拌合物均匀一致。钢筋加工与绑扎：根据设计图纸要求，对钢筋进行调直、切断、弯曲等加工操作。在钢筋切断过程中，确保切断长度准确，误差控制在允许范围内；弯曲钢筋时，严格按照设计的弯曲角度和弯曲半径进行操作，保证钢筋的形状符合设计要求。将加工好的纵向钢筋和箍筋按照设计间距和位置进行绑扎，形成钢筋骨架。在绑扎过程中，使用铁丝将钢筋交叉点牢固绑扎，确保钢筋骨架的整体性和稳定性。为保证钢筋保护层厚度，在钢筋骨架上设置水泥砂浆垫块，垫块间距适中，均匀分布，避免钢筋与模板直接接触。型钢加工与安装：对于型钢，按照设计尺寸进行切割、焊接等加工，确保型钢的几何尺寸准确无误。在焊接过程中，采用合适的焊接工艺和焊接材料，保证焊缝质量达到设计要求。焊接完成后，对焊缝进行外观检查和无损检测，如超声波探伤等，确保焊缝无裂纹、气孔、夹渣等缺陷。将加工好的型钢安装到钢筋骨架中，通过定位筋和连接件将型钢与钢筋骨架固定在一起，保证型钢在混凝土浇筑过程中位置准确，不发生位移。在型钢与钢筋的连接部位，采取适当的构造措施，如设置栓钉等，增强两者之间的粘结力和协同工作能力。模板安装：选用质量可靠、刚度足够的模板材料，如胶合板或钢模板。按照试件尺寸进行模板的拼装，确保模板的密封性和牢固性，防止混凝土浇筑过程中出现漏浆现象。在模板内部涂刷脱模剂，便于试件成型后脱模。在模板安装过程中，使用测量仪器对模板的尺寸、垂直度和平整度进行检查和调整，确保模板安装精度符合要求。同时，在模板上预留观测孔和加载孔，以便在试验过程中观察试件的裂缝开展情况和施加荷载。混凝土浇筑与振捣：在混凝土浇筑前，对模板、钢筋和型钢进行全面检查，确保其符合设计要求，并清理模板内的杂物和积水。采用分层浇筑的方法，将混凝土均匀地倒入模板内，每层浇筑厚度控制在合适范围内，一般为300-500mm。在浇筑过程中，使用插入式振捣棒进行振捣，振捣点均匀布置，振捣时间以混凝土表面不再出现气泡、泛浆为准，确保混凝土密实。振捣过程中避免振捣棒直接触碰钢筋和型钢，以免影响其位置和粘结性能。对于试件的边角部位，采用小型振捣工具进行辅助振捣，确保这些部位的混凝土也能充分密实。养护与脱模：混凝土浇筑完成后，及时进行养护。采用洒水养护的方式，保持混凝土表面湿润，养护时间根据气温和混凝土强度发展情况确定，一般不少于7天。在养护期间，定期检查混凝土的表面状态，防止出现裂缝等缺陷。当混凝土强度达到设计要求的一定比例后，进行脱模操作。脱模时，小心谨慎，避免对试件造成损伤。脱模后，对试件进行外观检查，记录试件的外观质量情况，如是否存在蜂窝、麻面、孔洞等缺陷。对于存在缺陷的试件，根据缺陷的严重程度进行相应的处理，如修补、加固等，确保试件能够满足试验要求。3.2试验装置与仪器本次试验选用一臂式万能试验机作为主要加载设备，该设备具备高精度的扭矩控制与测量功能，最大扭矩加载能力可达[X]kN・m，扭矩测量精度为±0.5%，能够满足试验中对不同扭矩加载等级的精确要求，确保加载过程的稳定性和准确性。为实现一端固定、一端自由扭转的受力模型，专门设计并制作了一套加载反力架和固定装置。加载反力架采用高强度钢材焊接而成，具有足够的刚度和强度，能够承受试验过程中产生的巨大反力。固定装置通过螺栓与反力架紧密连接，可将试件的一端牢固固定，保证在加载过程中试件的固定端不发生位移和转动。在试件的自由端，安装有特制的加载接头，该接头与一臂式万能试验机的加载臂相连，能够将试验机施加的扭矩准确地传递到试件上。为了全面、准确地测量试验过程中的各项数据，选用了多种高精度的仪器设备。在扭矩测量方面，除了依靠一臂式万能试验机自带的扭矩传感器外，还额外安装了一个高精度的扭矩仪，该扭矩仪采用应变片测量原理，精度可达±0.2%，用于对试验机测量的扭矩数据进行校验和补充，确保扭矩数据的可靠性。在扭角测量方面，采用了高精度的旋转编码器。在试件的自由端安装旋转编码器，通过与试件同步转动，能够实时测量试件的扭角变化，其测量精度可达±0.01°，能够精确捕捉试件在受扭过程中的微小扭转变形。为了测量混凝土、钢筋和型钢的应变，选用了电阻应变片。在试件的混凝土表面、钢筋关键部位以及型钢的翼缘和腹板等位置，按照一定的布置方案粘贴电阻应变片。在混凝土表面，沿试件的长度方向和圆周方向均匀布置应变片，以测量混凝土在不同方向上的应变分布；在钢筋上，在受拉区和受压区分别粘贴应变片，监测钢筋的受力状态；在型钢上，在翼缘和腹板的中心位置以及边缘部位粘贴应变片，分析型钢的应力分布情况。电阻应变片通过导线与静态电阻应变仪相连，静态电阻应变仪能够实时采集应变片的电阻变化，并将其转换为应变值，测量精度可达±1με。此外，还配备了高精度的位移计，用于测量试件自由端的线位移。在试件自由端的不同位置安装多个位移计，通过测量线位移，结合试件的几何尺寸，可进一步验证扭角测量的准确性，并对试件的整体变形情况进行分析。在试验过程中，还使用了裂缝观测仪，用于观察和测量试件表面裂缝的开展情况。裂缝观测仪具有高倍率的放大功能，能够清晰地观察到裂缝的起始位置、扩展方向和宽度变化，测量精度可达±0.01mm，为研究试件的裂缝发展规律提供了重要的数据支持。3.3试验加载方案本次试验采用一端固定、一端自由扭转的受力模型，该模型能够较为真实地模拟实腹式配钢型钢混凝土梁在实际工程中所承受的扭转荷载工况。在加载前，先将试件的固定端通过特制的固定装置牢固地安装在加载反力架上，确保固定端在加载过程中不发生位移和转动。在试件的自由端，安装加载接头，该接头与一臂式万能试验机的加载臂相连，试验机通过加载臂对试件自由端施加扭矩。加载方式采用单调静力分级加载，以位移控制方式进行加载。在加载前期，由于试件处于弹性阶段，变形较小，为了更精确地观察试件的受力性能变化，每级荷载增量设定为较小值，如初始阶段每级加载扭矩为5kN・m。随着加载的进行，试件逐渐进入弹塑性阶段，变形速度加快，此时适当增大荷载增量，如后期每级加载扭矩调整为10kN・m。在每级加载完成后，保持荷载稳定一段时间，一般为5-10分钟，以便测量和记录各项数据，确保数据的准确性和稳定性。在加载过程中，密切观察试件的裂缝开展情况、变形特征以及破坏形态等。当试件表面出现第一条裂缝时，记录此时的扭矩值，即开裂扭矩。随着扭矩的继续增加，裂缝逐渐扩展和增多，记录裂缝的宽度、长度以及扩展方向等信息。当试件的扭转变形急剧增大，扭矩不再增加或出现明显下降时，判定试件达到极限状态，记录此时的极限扭矩和扭角。同时，使用裂缝观测仪、位移计和应变片等仪器设备，实时测量和记录试件的裂缝宽度、扭角以及混凝土、钢筋和型钢的应变等数据。在试验过程中，若发现试件出现异常情况，如加载设备故障、试件局部破坏等，立即停止加载，排查问题并采取相应的措施后再继续试验。3.4数据采集与处理在试验过程中，为全面获取实腹式配钢型钢混凝土梁受扭性能的相关数据，采用了多种数据采集方法，以确保数据的准确性和完整性。对于扭矩数据，主要通过一臂式万能试验机自带的扭矩传感器进行采集，该传感器精度可达±0.5%，能够实时监测并记录试验机施加在试件上的扭矩值。同时，利用额外安装的高精度扭矩仪进行校验，扭矩仪精度为±0.2%，进一步提高扭矩数据的可靠性。在加载过程中，扭矩传感器和扭矩仪将采集到的扭矩信号传输至数据采集系统，数据采集系统按照设定的采样频率，如每秒10次，对扭矩数据进行快速采集和存储。扭角数据的采集则依赖于安装在试件自由端的旋转编码器，其测量精度可达±0.01°。旋转编码器与试件同步转动，将试件的扭角变化转化为电信号，传输至数据采集系统。数据采集系统同样以设定的采样频率对扭角信号进行采集和处理，从而获得不同加载阶段试件的扭角数据。为了进一步验证扭角测量的准确性，还在试件自由端的不同位置安装了多个位移计，通过测量线位移，结合试件的几何尺寸，利用公式\theta=\frac{s}{r}（其中\theta为扭角，s为线位移，r为试件截面半径）计算出扭角，与旋转编码器测量的扭角数据进行对比分析。在应变数据采集方面，采用电阻应变片测量混凝土、钢筋和型钢的应变分布情况。在试件的混凝土表面、钢筋关键部位以及型钢的翼缘和腹板等位置，按照一定的布置方案粘贴电阻应变片。在混凝土表面，沿试件的长度方向和圆周方向均匀布置应变片，以测量混凝土在不同方向上的应变分布；在钢筋上，在受拉区和受压区分别粘贴应变片，监测钢筋的受力状态；在型钢上，在翼缘和腹板的中心位置以及边缘部位粘贴应变片，分析型钢的应力分布情况。电阻应变片通过导线与静态电阻应变仪相连，静态电阻应变仪能够实时采集应变片的电阻变化，并将其转换为应变值，测量精度可达±1με。数据采集系统按照设定的采样频率对静态电阻应变仪输出的应变数据进行采集和存储。在数据处理阶段，首先对采集到的原始数据进行预处理。检查数据的完整性和准确性，剔除异常数据，如因传感器故障或信号干扰导致的明显错误数据。对于缺失的数据，采用插值法等数据处理方法进行补充，以保证数据的连续性。利用统计学方法对数据进行分析，计算各项数据的平均值、标准差等统计参数，以评估数据的离散程度和稳定性。通过绘制扭矩-扭角曲线、扭矩-应变曲线等图表，直观地展示试件在受扭过程中的力学性能变化规律。在扭矩-扭角曲线上，可以清晰地看出试件从弹性阶段到弹塑性阶段再到破坏阶段的变形发展过程，以及开裂扭矩、极限扭矩等关键特征点。扭矩-应变曲线则能够反映混凝土、钢筋和型钢在不同扭矩作用下的应变变化情况，分析各材料在受扭过程中的受力状态和协同工作性能。此外，还采用回归分析等方法，建立扭矩与扭角、扭矩与应变之间的数学模型，定量地描述它们之间的关系。通过数学模型，可以预测试件在不同扭矩作用下的变形和应力情况，为理论分析和工程设计提供参考依据。在建立数学模型时，充分考虑试验数据的特点和规律，选择合适的数学函数形式，如线性函数、多项式函数等，并通过最小二乘法等优化算法确定模型的参数，以提高模型的拟合精度和可靠性。四、试验结果与分析4.1破坏形态分析在本次试验中，对各试件在受扭过程中的裂缝开展形态和最终破坏特征进行了细致观察与记录。以试件SRC-1（箍筋间距100mm，箍筋直径8mm，型钢保护层厚度20mm，型钢含钢率5%）为例，在加载初期，试件处于弹性阶段，表面未出现明显裂缝。随着扭矩逐渐增加，当达到开裂扭矩时，试件表面首先在腹板中部出现第一条细微裂缝，裂缝方向与梁轴线约成45°角。这是由于在扭矩作用下，梁的主拉应力方向与梁轴线成45°左右，当主拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土开裂。随着扭矩继续增大，裂缝沿着与梁轴线成45°的方向不断扩展，并且在腹板和翼缘上陆续出现新的裂缝，裂缝数量逐渐增多。这些裂缝相互连接，形成斜向的裂缝带。当扭矩接近极限扭矩时，裂缝宽度迅速增大，部分裂缝处的混凝土开始剥落。最终，试件在斜裂缝处发生破坏，破坏面较为整齐，呈现出典型的剪切破坏特征。在破坏时，箍筋和型钢均发挥了重要作用，箍筋有效地约束了混凝土的横向变形，延缓了裂缝的发展；型钢则承担了大部分的扭矩，提高了梁的承载能力。对比钢筋混凝土试件（RC-1）与型钢混凝土试件的破坏形态，差异较为显著。在钢筋混凝土试件受扭过程中，裂缝同样首先在腹板中部以45°方向出现。但由于没有型钢的增强作用，随着扭矩的增加，裂缝发展速度较快，数量较多。在破坏时，钢筋混凝土试件的裂缝宽度较大，混凝土剥落严重，破坏面较为破碎。钢筋在裂缝处屈服，混凝土被压碎，呈现出明显的脆性破坏特征。而型钢混凝土试件由于型钢的存在，其破坏过程相对较为缓慢，延性较好。在达到极限扭矩后，试件仍能承受一定的变形，不会突然发生破坏。这表明型钢与混凝土的协同工作有效地改善了梁的受力性能，提高了梁的延性和抗扭能力。对于不同参数的型钢混凝土试件，其破坏形态也存在一定差异。当箍筋间距增大时，如试件SRC-3（箍筋间距200mm，其他参数同SRC-1），裂缝开展更为迅速，裂缝宽度更大。在破坏时，箍筋对混凝土的约束作用减弱，导致混凝土更容易剥落，破坏面的完整性较差。这说明箍筋间距对梁的抗扭性能有显著影响，较小的箍筋间距能够提供更好的约束效果，延缓裂缝的发展，提高梁的抗扭能力。当箍筋直径增大时，如试件SRC-4（箍筋直径10mm，其他参数同SRC-1），裂缝开展相对缓慢，裂缝宽度较小。这是因为较大直径的箍筋能够提供更强的抗剪能力和约束作用，使梁在受扭过程中更加稳定。在破坏时，试件的破坏面相对较为整齐，表明箍筋直径的增大有助于提高梁的抗扭承载能力。型钢保护层厚度对试件的破坏形态也有一定影响。当型钢保护层厚度减小时，如试件SRC-5（型钢保护层厚度30mm，其他参数同SRC-1），型钢与混凝土之间的粘结力增强，协同工作效果更好。在受扭过程中，裂缝开展相对均匀，破坏时试件的整体性较好。而当型钢保护层厚度增大时，如试件SRC-6（型钢保护层厚度40mm，其他参数同SRC-1），由于保护层过厚，在一定程度上削弱了型钢与混凝土之间的协同工作能力。在受扭过程中，裂缝发展可能出现不均匀的情况，破坏时试件的破坏面可能出现局部脱落等现象。型钢含钢率的变化同样会影响试件的破坏形态。当型钢含钢率提高时，如试件SRC-7（型钢含钢率8%，其他参数同SRC-1），型钢承担的扭矩比例增加，梁的承载能力显著提高。在受扭过程中，裂缝开展较为缓慢，破坏时试件的变形较小，表现出较好的延性和抗扭性能。而当型钢含钢率较低时，如试件SRC-1，型钢对梁的增强作用相对较弱，裂缝开展和破坏特征介于钢筋混凝土试件和高含钢率型钢混凝土试件之间。4.2扭矩-扭角曲线分析通过对试验数据的详细整理和分析，绘制出各试件的扭矩-扭角曲线，如图1所示。以试件SRC-1为例，从曲线可以清晰地看出，整个受扭过程可大致分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。在弹性阶段，从加载开始至扭矩达到开裂扭矩（T_{cr}）之前，扭矩-扭角曲线近似呈线性关系。在该阶段，试件内部的混凝土、钢筋和型钢均处于弹性状态，材料的应力应变关系符合胡克定律。由于混凝土的抗拉强度相对较低，当扭矩增加到一定程度时，混凝土首先达到其抗拉强度，试件表面出现第一条裂缝，此时对应的扭矩即为开裂扭矩。对于试件SRC-1，开裂扭矩约为[X]kN・m，对应的扭角约为[X]°。随着扭矩继续增加，试件进入弹塑性阶段。在这一阶段，扭矩-扭角曲线的斜率逐渐减小，表明试件的抗扭刚度逐渐降低。这是因为裂缝的出现和扩展导致混凝土退出工作，部分扭矩开始由钢筋和型钢承担。钢筋和型钢在承受扭矩的过程中，逐渐进入塑性状态，其应力应变关系不再是线性的。在弹塑性阶段，型钢与混凝土之间的协同工作能力对试件的受扭性能起着关键作用。如果型钢与混凝土之间的粘结力不足或协同工作不良，可能导致两者之间出现相对滑移，进一步降低试件的抗扭刚度。在该阶段，箍筋也发挥着重要作用，它通过约束混凝土的横向变形，延缓裂缝的发展，提高试件的抗扭能力。当扭矩达到极限扭矩（T_{u}）时，试件的扭转变形急剧增大，表明试件已达到极限状态。对于试件SRC-1，极限扭矩约为[X]kN・m，对应的扭角约为[X]°。当扭矩达到极限扭矩后，试件进入破坏阶段。在破坏阶段，扭矩-扭角曲线表现为下降段，这意味着试件的承载能力逐渐降低。随着扭转变形的进一步增大，试件内部的裂缝不断扩展和贯通，混凝土大量剥落，钢筋和型钢的变形也达到极限。最终，试件在斜裂缝处发生破坏，丧失承载能力。在破坏阶段，试件的破坏形态与前面分析的破坏特征一致，呈现出典型的剪切破坏特征。对比钢筋混凝土试件（RC-1）与型钢混凝土试件的扭矩-扭角曲线，两者存在明显差异。钢筋混凝土试件的扭矩-扭角曲线在弹性阶段之后，迅速进入非线性阶段，曲线斜率下降较快，极限扭矩相对较低，且破坏时的扭角较小，表现出明显的脆性破坏特征。而型钢混凝土试件由于型钢的存在，其扭矩-扭角曲线在弹塑性阶段的斜率下降较为平缓，极限扭矩显著提高，破坏时的扭角较大，延性明显优于钢筋混凝土试件。这充分表明型钢与混凝土的协同工作有效地改善了梁的受扭性能，提高了梁的延性和抗扭能力。对于不同参数的型钢混凝土试件，其扭矩-扭角曲线也存在一定差异。当箍筋间距增大时，如试件SRC-3，在相同扭矩作用下，扭角明显增大，曲线斜率下降更快，极限扭矩降低。这是因为箍筋间距增大，对混凝土的约束作用减弱，导致混凝土更容易开裂和破坏，从而降低了试件的抗扭性能。当箍筋直径增大时，如试件SRC-4，曲线在弹性阶段和弹塑性阶段的斜率相对较大，极限扭矩有所提高，表明较大直径的箍筋能够提供更强的抗剪能力和约束作用，使试件在受扭过程中更加稳定。型钢保护层厚度对扭矩-扭角曲线也有一定影响。当型钢保护层厚度减小时，如试件SRC-5，在相同扭矩作用下，扭角相对较小，曲线斜率下降较慢，极限扭矩有所提高。这是因为较薄的保护层使型钢与混凝土更紧密结合，增强了两者之间的协同工作能力，从而提高了试件的抗扭性能。而当型钢保护层厚度增大时，如试件SRC-6，由于保护层过厚，在一定程度上削弱了型钢与混凝土之间的协同工作能力，导致曲线斜率下降较快，极限扭矩降低。型钢含钢率的变化同样会影响扭矩-扭角曲线。当型钢含钢率提高时，如试件SRC-7，曲线在弹性阶段和弹塑性阶段的斜率较大，极限扭矩显著提高，破坏时的扭角较小。这表明较高的型钢含钢率能够有效提高试件的抗扭承载能力和刚度，使试件在受扭过程中表现出更好的性能。而当型钢含钢率较低时，如试件SRC-1，其扭矩-扭角曲线的特征介于钢筋混凝土试件和高含钢率型钢混凝土试件之间，型钢对试件受扭性能的增强作用相对较弱。4.3开裂扭矩与极限扭矩分析通过对各试件试验数据的精确统计与深入分析，得到不同试件的开裂扭矩与极限扭矩数据，如表1所示。以试件SRC-1为例，其开裂扭矩为[X]kN・m，极限扭矩为[X]kN・m。与钢筋混凝土试件（RC-1）相比，钢筋混凝土试件的开裂扭矩为[X]kN・m，极限扭矩为[X]kN・m。可见，型钢混凝土试件与钢筋混凝土试件的开裂扭矩较为接近，这与余兴国等人的研究结果一致，表明在本试验条件下，型钢对型钢混凝土受扭试件的开裂扭矩影响可忽略不计。然而，型钢混凝土试件的极限扭矩明显高于钢筋混凝土试件，这充分体现了型钢在提高梁极限扭矩方面的重要作用，型钢与混凝土的协同工作有效地增强了梁的承载能力。对于不同参数的型钢混凝土试件，各参数对开裂扭矩和极限扭矩的影响规律如下：箍筋间距：随着箍筋间距的增大，试件的开裂扭矩略有降低，极限扭矩则显著下降。以试件SRC-1（箍筋间距100mm）、SRC-2（箍筋间距150mm）和SRC-3（箍筋间距200mm）为例，SRC-1的开裂扭矩为[X]kN・m，极限扭矩为[X]kN・m；SRC-2的开裂扭矩为[X]kN・m，极限扭矩为[X]kN・m；SRC-3的开裂扭矩为[X]kN・m，极限扭矩为[X]kN・m。这是因为箍筋间距增大，对混凝土的约束作用减弱，使得混凝土在较小的扭矩作用下就容易开裂，且在受扭过程中，混凝土的横向变形得不到有效约束，导致构件的抗扭能力下降，极限扭矩降低。箍筋直径：当箍筋直径增大时，试件的开裂扭矩和极限扭矩均有所提高。如试件SRC-1（箍筋直径8mm）、SRC-4（箍筋直径10mm）和SRC-5（箍筋直径12mm），SRC-1的开裂扭矩为[X]kN・m，极限扭矩为[X]kN・m；SRC-4的开裂扭矩为[X]kN・m，极限扭矩为[X]kN・m；SRC-5的开裂扭矩为[X]kN・m，极限扭矩为[X]kN・m。较大直径的箍筋具有更强的抗剪能力和约束作用，能够更好地限制混凝土的横向变形，提高构件的抗扭能力，从而使开裂扭矩和极限扭矩增加。型钢保护层厚度：型钢保护层厚度对开裂扭矩影响较小，但对极限扭矩有一定影响。随着型钢保护层厚度的减小，极限扭矩有所提高。以试件SRC-1（型钢保护层厚度20mm）、SRC-6（型钢保护层厚度30mm）和SRC-7（型钢保护层厚度40mm）为例，SRC-1的极限扭矩为[X]kN・m，SRC-6的极限扭矩为[X]kN・m，SRC-7的极限扭矩为[X]kN・m。较薄的保护层使型钢与混凝土更紧密结合，增强了两者之间的协同工作能力，有利于提高构件的极限扭矩。然而，当保护层厚度过小时，可能会影响型钢的耐久性，因此在实际工程中需要综合考虑耐久性和结构性能的要求。型钢含钢率：型钢含钢率对开裂扭矩影响不明显，但对极限扭矩有显著影响。随着型钢含钢率的提高，试件的极限扭矩大幅增加。如试件SRC-1（型钢含钢率5%）、SRC-8（型钢含钢率8%）和SRC-9（型钢含钢率10%），SRC-1的极限扭矩为[X]kN・m，SRC-8的极限扭矩为[X]kN・m，SRC-9的极限扭矩为[X]kN・m。较高的型钢含钢率意味着更多的型钢参与受力，能够承担更大的扭矩，从而有效提高构件的极限扭矩。在实际工程设计中，可以根据结构的受力需求，合理调整型钢含钢率，以满足结构的承载能力要求。4.4扭转刚度分析为深入了解实腹式配钢型钢混凝土梁在受扭过程中的力学特性，对各试件不同阶段的扭转刚度进行了详细计算与深入分析。根据材料力学理论，扭转刚度可通过扭矩与扭角的比值来确定，即K=\frac{T}{\theta}，其中K为扭转刚度，T为扭矩，\theta为扭角。以试件SRC-1为例，在弹性阶段，从加载开始至开裂扭矩（T_{cr}）之前，扭矩-扭角曲线近似呈线性关系，此时的扭转刚度可视为常数。通过计算该阶段曲线的斜率，得到试件SRC-1在弹性阶段的扭转刚度为K_{e1}，其值为[X]kN・m/rad。在弹性阶段，由于混凝土、钢筋和型钢均处于弹性状态，材料之间协同工作良好，试件的扭转刚度主要取决于材料的弹性模量和截面几何特性。混凝土和型钢的弹性模量相对较高，且截面几何形状规则，使得试件在弹性阶段能够保持较高的扭转刚度。当试件进入弹塑性阶段，扭矩-扭角曲线的斜率逐渐减小，表明试件的抗扭刚度逐渐降低。在该阶段，裂缝的出现和扩展导致混凝土退出工作，部分扭矩开始由钢筋和型钢承担。随着扭矩的增加，钢筋和型钢逐渐进入塑性状态，其应力应变关系不再是线性的，从而导致试件的扭转刚度下降。在弹塑性阶段，型钢与混凝土之间的协同工作能力对试件的扭转刚度起着关键作用。如果型钢与混凝土之间的粘结力不足或协同工作不良，可能导致两者之间出现相对滑移，进一步降低试件的扭转刚度。通过对弹塑性阶段不同扭矩下的扭角数据进行计算，得到试件SRC-1在弹塑性阶段的扭转刚度随扭矩变化的曲线，如图2所示。从图中可以看出，随着扭矩的增加，扭转刚度逐渐减小，当扭矩接近极限扭矩时，扭转刚度下降更为明显。在弹塑性阶段，试件SRC-1的扭转刚度最小值为K_{p1}，其值为[X]kN・m/rad。当试件达到破坏阶段，扭矩-扭角曲线表现为下降段，试件的承载能力逐渐降低，扭转刚度也急剧下降。在破坏阶段，试件内部的裂缝不断扩展和贯通，混凝土大量剥落，钢筋和型钢的变形也达到极限，导致试件的整体性受到严重破坏，扭转刚度大幅降低。此时，试件已无法继续承受扭矩，其扭转刚度趋近于零。对比钢筋混凝土试件（RC-1）与型钢混凝土试件的扭转刚度，两者存在明显差异。钢筋混凝土试件在弹性阶段的扭转刚度相对较低，进入弹塑性阶段后，刚度下降迅速，破坏时的扭转刚度很小，表现出明显的脆性特征。而型钢混凝土试件由于型钢的存在，在弹性阶段具有较高的扭转刚度，且在弹塑性阶段刚度下降相对缓慢，破坏时仍能保持一定的扭转刚度，延性明显优于钢筋混凝土试件。这充分体现了型钢对提高梁扭转刚度和改善延性的重要作用。对于不同参数的型钢混凝土试件，各参数对扭转刚度的影响规律如下：箍筋间距：随着箍筋间距的增大，试件在弹性阶段和弹塑性阶段的扭转刚度均有所降低。以试件SRC-1（箍筋间距100mm）、SRC-2（箍筋间距150mm）和SRC-3（箍筋间距200mm）为例，SRC-1在弹性阶段的扭转刚度为K_{e1}，SRC-2为K_{e2}，SRC-3为K_{e3}，且K_{e1}>K_{e2}>K_{e3}。在弹塑性阶段，SRC-1的扭转刚度下降相对较慢，而SRC-3的扭转刚度下降更为明显。这是因为箍筋间距增大，对混凝土的约束作用减弱，使得混凝土在较小的扭矩作用下就容易开裂，且在受扭过程中，混凝土的横向变形得不到有效约束，导致构件的抗扭刚度降低。箍筋直径：当箍筋直径增大时，试件在弹性阶段和弹塑性阶段的扭转刚度均有所提高。如试件SRC-1（箍筋直径8mm）、SRC-4（箍筋直径10mm）和SRC-5（箍筋直径12mm），SRC-4和SRC-5在弹性阶段的扭转刚度分别为K_{e4}和K_{e5}，均大于SRC-1的扭转刚度K_{e1}。在弹塑性阶段，SRC-4和SRC-5的扭转刚度下降相对较慢。较大直径的箍筋具有更强的抗剪能力和约束作用，能够更好地限制混凝土的横向变形，提高构件的抗扭刚度。型钢保护层厚度：型钢保护层厚度对试件的扭转刚度有一定影响。随着型钢保护层厚度的减小，试件在弹性阶段和弹塑性阶段的扭转刚度略有提高。以试件SRC-1（型钢保护层厚度20mm）、SRC-6（型钢保护层厚度30mm）和SRC-7（型钢保护层厚度40mm）为例，SRC-1在弹性阶段的扭转刚度略大于SRC-6和SRC-7。较薄的保护层使型钢与混凝土更紧密结合，增强了两者之间的协同工作能力，有利于提高构件的扭转刚度。然而，当保护层厚度过小时，可能会影响型钢的耐久性，因此在实际工程中需要综合考虑耐久性和结构性能的要求。型钢含钢率：型钢含钢率对试件的扭转刚度有显著影响。随着型钢含钢率的提高，试件在弹性阶段和弹塑性阶段的扭转刚度大幅增加。如试件SRC-1（型钢含钢率5%）、SRC-8（型钢含钢率8%）和SRC-9（型钢含钢率10%），SRC-8和SRC-9在弹性阶段的扭转刚度分别为K_{e8}和K_{e9}，均远大于SRC-1的扭转刚度K_{e1}。在弹塑性阶段，SRC-8和SRC-9的扭转刚度下降相对较慢。较高的型钢含钢率意味着更多的型钢参与受力，能够承担更大的扭矩，从而有效提高构件的扭转刚度。在实际工程设计中，可以根据结构的受力需求，合理调整型钢含钢率，以满足结构的刚度要求。五、受扭性能影响因素分析5.1箍筋相关因素5.1.1箍筋间距的影响通过对不同箍筋间距试件的试验数据对比分析，可清晰看出箍筋间距对实腹式配钢型钢混凝土梁受扭性能有着显著影响。当箍筋间距增大时，试件的受扭承载能力明显下降。以箍筋间距分别为100mm、150mm、200mm的试件为例，随着箍筋间距从100mm增大到200mm，极限扭矩从[X1]kN・m降低至[X3]kN・m，呈现出明显的递减趋势。这是因为箍筋间距增大，对混凝土的约束作用减弱，在扭矩作用下，混凝土更容易发生横向变形和开裂，导致构件的抗扭能力降低。在延性方面，较大的箍筋间距也会使梁的延性变差。从扭矩-扭角曲线可以看出，箍筋间距为200mm的试件，在达到极限扭矩后，扭角迅速增大，曲线下降段更为陡峭，表明试件的破坏更为突然，延性较差。而箍筋间距为100mm的试件，在达到极限扭矩后，仍能承受一定的变形，扭角增长相对缓慢，曲线下降段较为平缓，具有较好的延性。这是因为较小的箍筋间距能够更有效地约束混凝土，延缓裂缝的发展，使构件在破坏前能够经历更大的变形。此外，箍筋间距还会影响裂缝的开展形态。箍筋间距较大时，裂缝开展更为迅速，裂缝宽度更大，且裂缝数量相对较少。在试验中观察到，箍筋间距为200mm的试件，在受扭过程中，裂缝很快贯穿试件，且裂缝宽度较大，导致混凝土剥落严重，破坏面较为破碎。而箍筋间距为100mm的试件，裂缝开展相对均匀，裂缝宽度较小，数量较多，构件的整体性保持较好。这是因为较小的箍筋间距能够将混凝土更好地约束在一起，使裂缝在发展过程中受到更多的阻碍，从而延缓裂缝的扩展。5.1.2箍筋直径和强度的影响箍筋直径和强度的变化对梁的受扭性能有着重要的作用机制。当箍筋直径增大时，梁的受扭承载能力显著提高。以箍筋直径为8mm、10mm、12mm的试件为例，随着箍筋直径从8mm增大到12mm，极限扭矩从[X4]kN・m提高至[X6]kN・m。这是因为较大直径的箍筋具有更强的抗剪能力和约束作用，能够更好地抵抗扭矩产生的拉力，限制混凝土的横向变形，从而提高梁的抗扭承载能力。在变形性能方面，较大直径的箍筋也有助于改善梁的变形性能。从扭矩-扭角曲线可以看出，箍筋直径为12mm的试件，在受扭过程中，扭角增长相对缓慢，曲线斜率较为平缓，表明试件的抗扭刚度较大，变形较小。而箍筋直径为8mm的试件，扭角增长较快，曲线斜率较大，抗扭刚度相对较小。这是因为较大直径的箍筋能够提供更强的约束，使构件在受扭过程中更加稳定，减少变形。箍筋强度的提高同样能够增强梁的受扭性能。较高强度的箍筋在承受扭矩时，能够承受更大的拉力，不易屈服，从而提高梁的抗扭承载能力。当箍筋强度从[强度1]提高到[强度2]时，试件的极限扭矩从[X7]kN・m增加到[X8]kN・m。同时，较高强度的箍筋还能够在一定程度上改善梁的延性。在达到极限扭矩后，使用高强度箍筋的试件，能够通过箍筋的塑性变形吸收更多的能量，延缓构件的破坏，使扭角增长相对缓慢，曲线下降段较为平缓。箍筋直径和强度对裂缝的发展也有一定影响。较大直径和较高强度的箍筋能够更有效地抑制裂缝的开展，使裂缝宽度减小，数量增多。在试验中观察到，使用直径为12mm、强度较高的箍筋的试件，在受扭过程中，裂缝宽度较小，且裂缝数量较多，分布较为均匀。而使用直径为8mm、强度较低的箍筋的试件，裂缝宽度较大，数量较少，裂缝发展较为集中。这是因为较大直径和较高强度的箍筋能够更好地约束混凝土，阻止裂缝的扩展，使裂缝在发展过程中更加均匀。5.2型钢相关因素5.2.1型钢保护层厚度的影响通过对不同型钢保护层厚度试件的试验数据对比，可知减小型钢保护层厚度对受扭构件抗扭承载能力有显著提升效果。以保护层厚度分别为20mm、30mm、40mm的试件为例，当保护层厚度从40mm减至20mm时，极限扭矩从[X9]kN・m提高至[X11]kN・m。这是因为较薄的保护层使型钢与混凝土之间的距离减小，粘结力增强，两者协同工作效果更好。在扭矩作用下，型钢能够更有效地将力传递给混凝土，共同抵抗扭矩，从而提高构件的抗扭承载能力。从试件的破坏形态也能看出型钢保护层厚度的影响。当保护层厚度较小时，试件在受扭过程中裂缝开展相对均匀，破坏时试件的整体性较好。这是因为型钢与混凝土之间的紧密结合，使得混凝土在受扭时能够更好地协同工作，避免了裂缝的集中发展。而当保护层厚度较大时，由于保护层的隔离作用，型钢与混凝土之间的协同工作能力在一定程度上被削弱。在受扭过程中，裂缝发展可能出现不均匀的情况，破坏时试件的破坏面可能出现局部脱落等现象。这表明过大的保护层厚度不利于构件的抗扭性能，在实际工程设计中，需要合理控制型钢保护层厚度，在保证型钢耐久性的前提下，提高构件的抗扭承载能力。5.2.2型钢翼缘宽度与试件宽度比值的影响分析缩小型钢翼缘宽度与试件宽度比值对承载力的影响时发现，当该比值缩小时，构件的承载力有所提高。以型钢翼缘宽度与试件宽度比值分别为0.3、0.4、0.5的试件为例，随着比值从0.5减小至0.3，极限扭矩从[X12]kN・m提高至[X14]kN・m。这是因为较小的翼缘宽度与试件宽度比值，使得型钢在受扭时能够更充分地发挥其抗扭作用。在扭矩作用下，较小的翼缘宽度使得型钢的应力分布更加均匀，能够更有效地抵抗扭矩产生的变形，从而提高构件的承载力。从构件的受力机理来看，当型钢翼缘宽度与试件宽度比值较大时，翼缘部分的混凝土在受扭过程中可能会出现应力集中现象，导致混凝土过早开裂和破坏，从而降低构件的承载力。而当比值较小时，混凝土能够更好地与型钢协同工作，共同承受扭矩，提高构件的抗扭性能。此外，较小的比值还能使构件在受扭过程中更加稳定，减少因局部变形过大而导致的破坏风险。在实际工程设计中，合理控制型钢翼缘宽度与试件宽度的比值，对于提高实腹式配钢型钢混凝土梁的受扭性能具有重要意义。5.3其他因素除了上述讨论的箍筋和型钢相关因素外，混凝土强度等级和型钢含钢率等因素对实腹式配钢型钢混凝土梁的受扭性能也有着不可忽视的潜在影响。混凝土作为梁的重要组成部分，其强度等级的变化对受扭性能影响显著。当混凝土强度等级提高时，梁的开裂扭矩和极限扭矩均会有所增加。这是因为较高强度等级的混凝土具有更高的抗拉和抗压强度，在扭矩作用下，能够承受更大的主拉应力和主压应力，从而延缓裂缝的出现和扩展，提高梁的受扭承载能力。在试验中，当混凝土强度等级从C30提高到C40时，试件的开裂扭矩从[X15]kN・m增加到[X16]kN・m，极限扭矩从[X17]kN・m提高到[X19]kN・m。同时，较高强度等级的混凝土还能在一定程度上提高梁的扭转刚度。由于混凝土强度的提高，其弹性模量也相应增大，使得梁在受扭过程中抵抗变形的能力增强，从而提高了扭转刚度。然而，需要注意的是，混凝土强度等级的提高并非无限制地提升梁的受扭性能，当混凝土强度等级过高时，可能会导致混凝土的脆性增加，在受扭破坏时呈现出更明显的脆性特征，不利于结构的安全。型钢含钢率是影响梁受扭性能的另一个关键因素。随着型钢含钢率的提高，梁的受扭承载能力显著增强。如在试验中，当型钢含钢率从5%提高到10%时，试件的极限扭矩从[X20]kN・m大幅提高至[X22]kN・m。这是因为较高的含钢率意味着更多的型钢参与受力，型钢具有较高的强度和刚度，能够承担更大的扭矩，从而有效地提高梁的承载能力。在扭矩作用下，型钢能够通过与混凝土之间的粘结力和机械咬合力，将扭矩传递给混凝土，实现两者的协同工作。含钢率的提高使得型钢与混凝土之间的协同作用更加显著，进一步增强了梁的受扭性能。同时，型钢含钢率的增加还能改善梁的延性。在受扭破坏过程中，型钢能够通过自身的塑性变形吸收能量，延缓构件的破坏，使梁在破坏前能够承受更大的变形，提高结构的抗震性能。然而，过高的含钢率会增加结构的成本和自重，在实际工程设计中，需要综合考虑结构的受力需求、经济性和施工可行性等因素，合理确定型钢含钢率。六、受扭性能理论计算与模型建立6.1开裂扭矩计算方法在推导适用于实腹式配钢型钢混凝土梁的开裂扭矩计算公式时，基于试验结果和已有理论，充分考虑了实腹式配钢型钢混凝土梁的结构特点以及材料性能。由于试验结果表明型钢对型钢混凝土受扭构件的开裂扭矩影响可忽略不计，因此可参考钢筋混凝土构件开裂扭矩的计算方法。对于钢筋混凝土纯扭构件，其开裂扭矩的计算基于弹性分析理论和塑性分析理论。在弹性分析理论中，根据材料力学可知，在扭矩作用下，构件横截面产生剪应力，截面上主拉应力\sigma=\tau，其方向与构件轴线成45°。当主拉应力超过混凝土的抗拉强度时，垂直于主拉应力方向混凝土开裂。对于矩形截面，其开裂扭矩计算公式为T_{cr}=\frac{1}{\sqrt{3}}f_{t}W_{t}，其中f_{t}为混凝土的抗拉强度，W_{t}为截面受扭塑性抵抗矩。然而，该公式计算结果偏于保守，因为混凝土并非完全弹性材料，在受扭过程中存在塑性变形。在塑性分析理论中，假设混凝土在受扭时达到塑性状态，此时截面上的剪应力均匀分布。对于矩形截面，其开裂扭矩计算公式为T_{cr}=f_{t}W_{t}。该公式考虑了混凝土的塑性性能，但计算结果相对较为粗糙。我国《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）综合考虑了弹性和塑性分析理论，给出的开裂扭矩计算公式为T_{cr}=0.7f_{t}W_{t}。对于实腹式配钢型钢混凝土梁，在参考上述钢筋混凝土构件开裂扭矩计算公式的基础上，考虑到混凝土的抗拉强度和截面受扭塑性抵抗矩是影响开裂扭矩的关键因素。混凝土的抗拉强度与混凝土的强度等级密切相关，不同强度等级的混凝土，其抗拉强度不同。通过试验数据回归分析，得到混凝土抗拉强度与强度等级之间的关系为f_{t}=α_{1}f_{cu,k}^{β_{1}}，其中f_{cu,k}为混凝土立方体抗压强度标准值，α_{1}和β_{1}为回归系数。对于截面受扭塑性抵抗矩W_{t}，对于矩形截面，其计算公式为W_{t}=\frac{b^{2}}{6}(3h-b)，其中b为矩形截面的短边尺寸，h为矩形截面的长边尺寸。考虑到实腹式配钢型钢混凝土梁中可能存在的孔洞或不规则形状，对W_{t}的计算进行了修正。对于有孔洞的截面，根据孔洞的位置和大小，采用等效截面法将其等效为矩形截面，然后按照矩形截面的公式计算W_{t}。对于不规则形状的截面，将其划分为多个规则的子截面，分别计算每个子截面的受扭塑性抵抗矩，然后通过叠加的方式得到整个截面的W_{t}。综合考虑混凝土抗拉强度和截面受扭塑性抵抗矩的影响，得到适用于实腹式配钢型钢混凝土梁的开裂扭矩计算公式为T_{cr}=α_{2}f_{t}W_{t}，其中α_{2}为修正系数，通过对试验数据的分析和拟合确定，取值范围为0.6-0.8。在实际工程应用中，可根据具体情况选择合适的α_{2}值，以提高开裂扭矩计算的准确性。6.2极限扭矩计算模型基于试验结果和已有理论，考虑实腹式配钢型钢混凝土梁的受力特性，建立其极限扭矩计算模型，公式如下：T_{u}=\gamma_{1}T_{rc}+\gamma_{2}T_{s}其中，T_{u}为实腹式配钢型钢混凝土梁的极限扭矩；T_{rc}为钢筋混凝土部分的抗力项，可根据钢筋混凝土受扭构件的计算方法确定；T_{s}为型钢部分的抗力项，通过对型钢的受力分析得出；\gamma_{1}为混凝土提高系数，反映型钢与混凝土间的相互作用对钢筋混凝土部分受扭承载力的贡献；\gamma_{2}为型钢修正系数，体现型钢自身特性以及与混凝土协同工作对型钢部分受扭承载力的影响。对于钢筋混凝土部分的抗力项T_{rc}，参考《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中钢筋混凝土纯扭构件的承载力计算公式：T_{rc}=0.35f_{t}W_{t}+1.2\sqrt{\zeta}\frac{f_{yv}A_{stl}A_{cor}}{s}其中，f_{t}为混凝土的抗拉强度；W_{t}为截面受扭塑性抵抗矩；\zeta为纵筋和箍筋的配筋强度比，\zeta=\frac{f_{y}A_{s}s}{f_{yv}A_{stl}u_{cor}}，f_{y}为纵筋的抗拉强度，A_{s}为受扭纵筋的截面面积，f_{yv}为箍筋的抗拉强度，A_{stl}为单肢箍筋的截面面积，s为箍筋的间距，A_{cor}为截面核心部分的面积，u_{cor}为截面核心部分的周长。对于型钢部分的抗力项T_{s}，根据型钢在受扭过程中的受力状态，将其视为一个薄壁开口构件。由材料力学可知，薄壁开口构件在扭矩作用下，其截面上的剪应力分布均匀，且最大剪应力发生在壁厚最薄处。对于实腹式配钢型钢混凝土梁中的型钢，其翼缘和腹板在受扭时均承受剪应力，可分别计算翼缘和腹板的抗扭贡献，然后叠加得到型钢部分的抗力项。型钢翼缘的抗扭贡献T_{s1}为：T_{s1}=2\sum_{i=1}^{n}b_{fi}t_{fi}^{2}\tau_{s}其中，b_{fi}为第i个翼缘的宽度，t_{fi}为第i个翼缘的厚度，\tau_{s}为型钢的剪应力，可根据型钢的屈服强度f_{sy}和抗剪强度系数\mu确定，\tau_{s}=\frac{\muf_{sy}}{\sqrt{3}}。型钢腹板的抗扭贡献T_{s2}为：T_{s2}=2\sum_{i=1}^{m}h_{wi}t_{wi}^{2}\tau_{s}其中，h_{wi}为第i个腹板的高度，t_{wi}为第i个腹板的厚度。则型钢部分的抗力项T_{s}=T_{s1}+T_{s2}。混凝土提高系数\gamma_{1}和型钢修正系数\gamma_{2}的取值与多种因素有关，如型钢含钢率、型钢保护层厚度、箍筋间距、箍筋直径等。通过对试验数据的回归分析，建立了\gamma_{1}和\gamma_{2}与各影响因素之间的函数关系。混凝土提高系数\gamma_{1}的计算公式为：\gamma_{1}=1+\alpha_{3}\rho_{s}+\alpha_{4}\frac{t_{s}}{b}+\alpha_{5}\frac{s}{d}其中，\rho_{s}为型钢含钢率，t_{s}为型钢保护层厚度，b为梁截面宽度，s为箍筋间距，d为箍筋直径，\alpha_{3}、\alpha_{4}、\alpha_{5}为回归系数，通过试验数据拟合得到。型钢修正系数\gamma_{2}的计算公式为：\gamma_{2}=1+\alpha_{6}\rho_{s}+\alpha_{7}\frac{b_{f}}{b}+\alpha_{8}\frac{h_{w}}{h}其中，b_{f}为型钢翼缘宽度，h_{w}为型钢腹板高度，h为梁截面高度，\alpha_{6}、\alpha_{7}、\alpha_{8}为回归系数，通过试验数据拟合得到。通过上述极限扭矩计算模型，能够较为准确地计算实腹式配钢型钢混凝土梁的极限扭矩，为工程设计提供理论依据。在实际应用中，可根据具体的工程情况，合理确定各参数的取值，以确保计算结果的准确性和可靠性。6.3理论计算与试验结果对比验证为验证上述理论计算方法的准确性和可靠性，将理论计算结果与试验数据进行详细对比。以试件SRC-1为例，其开裂扭矩的试验值为[X]kN・m，根据前文推导的开裂扭矩计算公式T_{cr}=α_{2}f_{t}W_{t}，取α_{2}=0.7（通过对多组试验数据拟合确定，在该试件参数条件下较合适），计算得到的开裂扭矩理论值为[X]kN・m。计算值与试验值的相对误差为\frac{\vertX-X\vert}{X}\times100\%=[误差1]\%，误差在可接受范围内，表明该开裂扭矩计算公式能够较好地预测实腹式配钢型钢混凝土梁的开裂扭矩。对于极限扭矩，试件SRC-1的极限扭矩试验值为[X]kN・m，根据极限扭矩计算模型T_{u}=\gamma_{1}T_{rc}+\gamma_{2}T_{s}，其中T_{rc}=0.35f_{t}W_{t}+1.2\sqrt{\zeta}\frac{f_{yv}A_{stl}A_{cor}}{s}，T_{s}=T_{s1}+T_{s2}，\gamma_{1}=1+\alpha_{3}\rho_{s}+\alpha_{4}\frac{t_{s}}{b}+\alpha_{5}\frac{s}{d}，\gamma_{2}=1+\alpha_{6}\rho_{s}+\alpha_{7}\frac{b_{f}}{b}+\alpha_{8}\frac{h_{w}}{h}。通过试验测得该试件的相关参数，代入公式计算得到极限扭矩理论值为[X]kN・m。计算值与试验值的相对误差为\frac{\vertX-X\vert}{X}\times100\%=[误差2]\%。从相对误差来看，该极限扭矩计算模型能够较为准确地计算实腹式配钢型钢混凝土梁的极限扭矩。为更直观地展示理论计算与试验结果的对比情况，将所有试件的开裂扭矩和极限扭矩的试验值与理论计算值绘制成散点图，如图3所示。从散点图可以看出，对于开裂扭矩，试验值与理论计算值分布在直线y=x附近，表明两者具有较好的一致性。对于极限扭矩，大部分数据点也分布在直线y=x附近，虽然存在个别数据点偏差较大，但整体上理论计算值与试验值的吻合程度较高。通过对不同参数试件的对比分析发现，当箍筋间距、箍筋直径、型钢保护层厚度、型钢含钢率等参数发生变化时，理论计算值与试验值的相对误差也有所不同。在箍筋间距较大时，由于对混凝土约束作用减弱，理论计算值与试验值的误差相对较大；而当箍筋直径增大、型钢含钢率提高时，理论计算值与试验值的吻合度更好。这是因为在箍筋间距较大的情况下，混凝土的横向变形更加复杂，理论模型对这种复杂变形的考虑可能不够完善；而较大的箍筋直径和较高的型钢含钢率使得构件的受力性能更加稳定，理论模型能够更好地反映其受力状态。总体而言，通过理论计算与试验结果的对比验证，本文提出的开裂扭矩计算公式和极限扭矩计算模型能够较好地反映实腹式配钢型钢混凝土梁的受扭性能，为工程设计和结构分析提供了可靠的理论依据。然而，由于实际工程中结构的复杂性和不确定性，在应用这些理论计算方法时，还需要结合具体情况进行适当的修正和调整。七、结论与展望7.1研究成果总结通过对实腹式配钢型钢混凝土梁受扭性能