柱下端局部采用FRC材料鋼筋混凝土柱的承載力分析

摘要：為了改善鋼筋混凝土柱的變形能力和損傷容限，在其下端局部采用纖維增強混凝土（FRC）代替普通混凝土，設計了6根剪跨比為3、柱內配置較少箍筋的鋼筋混凝土柱試件，進行了擬靜力試驗。試驗結果表明，這種柱為彎曲屈服后的剪切破壞，具有較好的變形能力和損傷容限；局部使用FRC材料可以減少約束箍筋和抗剪箍筋用量。根據試驗結果，建立了考慮截面受拉區FRC受拉作用的壓彎承載力計算方法以及斜截面受剪承載力計算公式，其中斜截面受剪承載力計算公式的計算值與試驗值比較吻合。

關鍵詞：纖維增強混凝土柱；損傷容限；承載力

中圖分類號：TU375.3

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）01003806

為了改善鋼筋混凝土柱的抗震性能，學者們進行了大量的試驗研究和理論分析，提出了一些較為有效的措施，如對柱端的箍筋進行加密、改善箍筋形式等[15]。中國規范[67]也對柱端箍筋加密區的長度、箍筋間距和直徑給出了明確的規定。但震害表明，在強震作用下，柱端箍筋加密區附近保護層混凝土嚴重剝落，影響震后恢復重建。文獻[8]的研究結果表明：當配箍率增大到一定程度后，柱的地震位移反應趨于穩定，柱的屈服荷載和初始水平剛度受配箍率影響不大。因此，需尋求其他措施以改進鋼筋混凝土柱的抗震性能。

纖維增強混凝土（Fiber Reinforced Concrete，簡稱FRC）是一種高韌性的混凝土。一些研究者[913]及本課題組[1415]前期的研究結果表明：FRC有超高的受拉應變硬化性能，可用于以受剪為主的構件和高剪應力作用下的受彎構件；有很大的受壓應變能力，可減少或取消抗震構件的約束鋼筋數量；FRC增大了受彎和受剪構件的受剪強度、變形能力和損傷容限，即使在無橫向鋼筋或橫向鋼筋很少的情況下，構件仍具有很高的受剪強度、變形能力和損傷容限。特別是FRC已走上了綠色化的道路，經纖維與活性摻合料有效復合，不僅節約了大量的資源和能源，保護了生態環境，而且經過界面結構的優化和強化、界面效應和界面粘結的發揮與提高，又進一步強化了混凝土材料各項關鍵性能，大幅度地提升了結構的耐久性，延長了材料和結構的服役壽命。

徐潔，等：柱下端局部采用FRC材料鋼筋混凝土柱的承載力分析

為了充分發揮FRC的上述優點，將FRC用于鋼筋混凝土柱潛在的塑性鉸區，柱的其余部分仍采用普通混凝土，以便改善鋼筋混凝土柱的抗震性能和抗剪性能，從而減輕地震引發的結構破壞。通過對5根塑性鉸區采用FRC柱以及1根鋼筋混凝土柱的擬靜力對比試驗，研究其破壞機理，并建立其承載力計算方法。

1試驗概況

1.1試件設計

設計制作了5根FRC柱及1根鋼筋混凝土柱，以混凝土強度等級、軸壓比和FRC區高度為變化參數。原型柱為凈高3 m、截面邊長為500 mm的正方形框架柱，縮尺比例為1∶2.5。模型柱邊長均為200 mm× 200 mm，剪跨比均取3.0，各柱的縱向鋼筋均為412，箍筋按非抗震構造要求配置（從底梁頂面起算，200 mm以內，為（6@100；200 mm以上為（6@150），詳見圖1。

試件編號、基體強度等級、FRC區高度、FRC的水膠比、實際軸壓比、設計軸壓比以及各試件所加軸向力見表1。各試件的尺寸及配筋詳圖見圖1。

1.2材性試驗

試驗所用普通混凝土和FRC的配合比及相應的立方體抗壓強度平均值見表2?？v向受力鋼筋采用HRB400級熱軋帶肋鋼筋，箍筋采用HPB235級熱軋光圓鋼筋，其力學性能指標見表3，其中fy、fu分別表示鋼筋屈服強度、極限強度的試驗平均值。