密置焊接高強復合箍筋約束高強混凝土柱的試驗

徐鑫，李升才

（華僑大學 土木工程學院，福建 廈門361021）

高強箍筋約束混凝土除了擁有普通混凝土所具有特性外，還具有高強度、經濟性、高耐久性、高工作性能和高體積穩定性等良好性能.高強度可以減小構件的截面尺寸，減少混凝土用量，降低結構自重，增加使用空間，有著良好經濟效益.其良好的工作性可以減少勞動強度，加快施工速度，進而減少成本.國內外對高強箍筋約束混凝土進行比較多的研究［1－3］，美國、日本等［4－6］對高強箍筋約束高強混凝土柱的抗震性能進行較多的研究，日本已開始將高強箍筋應用于鋼筋混凝土結構的梁、柱中，并取得較好的效果.在國內對其研究也取得一定的成果，齊虎等［7］研究了箍筋約束混凝土單軸滯回本構模型，利用ABAQUS有限元軟件的二次開發功能，對6種典型模型進行計算分析，提出騰－鄒模型.史慶軒等［8］通過對10個高強箍筋約束高強混凝土柱在高軸壓比下低周反復水平地進行加載試驗，研究其抗震性能.本文通過對9個焊接環式箍筋約束高強混凝土柱以及1個綁扎環式箍筋約束高強混凝土柱進行試驗，分析研究高軸壓比下，焊接環式箍筋在低周反復荷載作用下對混凝土柱的約束作用.

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

1.1.1 試件的設計 按照JGJ 101－1996《建筑抗震試驗方法規程》［9］的相關要求，以及華僑大學試驗室的相關試驗設備能力，選取原型的幾何比例為1∶2的模型作為試件.對10個高寬比為5的棱柱體試件進行了低周反復試驗，其中HRC－1～HRC－9為焊接環式箍筋約束高強混凝土柱，HRC－10為綁扎環式箍筋約束高強混凝土柱.10個棱柱體試件尺寸相同，變化因素有軸壓比、箍筋間距及箍筋類型，混凝土強度等級為C50.采用425號普通硅酸鹽水泥，粗骨料為粒徑不大于20mm的碎石，細骨料為普通中砂，其配合比設計為水∶水泥∶砂∶石＝220∶500∶536∶1 194.水灰比0.44.箍筋為8，強度等級為HRB 400，試件截面尺寸為200mm×200mm，柱高為1 000mm，柱下是設底座梁.HRC－1～HRC－9的箍筋采用焊接環式復合箍筋是由兩個矩形螺旋箍筋組成，HRC－10采用兩個矩形螺旋箍筋綁扎而成.試件的配筋和尺寸，如圖1所示.

圖1 試件尺寸及配筋圖（單位：mm）Fig.1 Cross－section size and reinforcement of specimen（unit：mm）

1.1.2 材料力學性能及基本參數計算 試件所采用的箍筋和縱筋均采用HRB 400級，屈服強度為483MPa.為測試混凝土強度，按箍筋間距分為3組，每組試件制作過程中預留3個邊長為150mm的標準立方體試塊.

混凝土軸心抗壓強度實測值可根據混凝土立方體抗壓強度實測值求得，二者之間關系為

式（1）中：αc1為棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度的比值；αc2為混凝土考慮脆性的折減系數；αc1，αc2取值均按現行規范計算［10］；fc為混凝土軸心抗壓強度實測值；fc，u為混凝土立方體抗壓強度實測值.

柱的實驗軸壓比nt為

式（2）中：Nt為軸向壓力的試驗值；fc為混凝土軸心抗壓強度實測值；A為柱橫截面面積.

配箍特征值λv為

式（3）中：ρv為體積配箍率；fy，v為箍筋的條件屈服強度.材料的基本參數，如表1所示.

表1 試件參數表Tab.1 Specimen parameters

圖2 加載裝置Fig.2 Loading setup

本實驗采用電液伺服加載結構試驗機，低周反復荷載擬靜力加載，加載裝置如圖2所示.水平荷載采用柱端加載方式，豎向荷載由電動液壓千斤頂作用于柱頂，并通過穩壓控制，以保證柱軸力在試驗中恒定，保證在系統加載過程中可隨上部低摩擦滑動的小車水平移動.實驗中試件縱筋與箍筋上布置應變片，如圖3所示.通過應變片，來測定應變的屈服和破壞過程.通過改變豎向軸力，來控制每組試件的軸壓比.水平反復荷載是通過1 000kN的MTS作動器進行加載.實驗時先控制豎向荷載，達到所需的軸壓比后穩住，并在此后的加載中保持不變.

本實驗在水平加載過程中采取的是位移控制方法.試驗前，在柱頂施加1／6的預定軸向荷載，通過對柱身同一截面處縱筋應變的觀測，判斷其是否處于軸心受力狀態，并檢查儀器設備是否正常工作.試件未屈服時，各位移幅值循環加載一次；當試件屈服后，各位移幅值循環加載3次；當試件的承載力達到最大荷載值85%時，加載結束.加載過程控制，如圖4所示.加載過程主要測試的內容有：水平位移、水平荷載、采用電子位移計測量整個柱子的側移、采用電阻應變片分別測量柱內縱筋、箍筋的應變.

圖3 應變片布置圖 Fig.3 Strain gauge arrangement

圖4 加載制度 Fig.4 Schematic diagram of loading system

2 試驗結果與分析

通過觀察以及實驗儀器記錄，將各個試件加載過程的各個階段記錄下來.當各試件的承載力達到最大荷載值85%時，停止加載所對應的荷載，位移定義為破壞荷載及破壞位移.

2.1 試件破壞過程

以試件HRC－1為例，簡述其從加載開始到破壞的各階段過程及破壞形態.開始加載階段，試件還處于彈性工作階段，其加載與卸載曲線基本重合且為一條直線.試件在位移角為1／250之前，外表無破壞現象；當加載至位移角為1／250時，試件根部邊緣開始出現水平的微縫；當加載至位移角為1／100時，試件的裂縫數量開始大量增多，裂縫寬度開始變大；試件加載至1／50時，正背面之間開始形成通縫，根部混凝土開始剝落；當加載至1／35時，試件根部混凝土進一步剝落，裂縫數目加多，裂縫變寬.當位移角到達1／25時，加載力達到了最大值182.56kN，根部混凝土大面積剝落；當位移角為1／20時，加載力不再增加，試件已達到屈服狀態，保護層已大量剝落鋼筋外露.各個試件破壞過程與HRC－1所述的破壞過程基本相似.不同的是，隨著軸壓比的增加，彎曲裂縫出現滯后，受壓區豎向裂縫增多；隨著箍筋間距增大，裂縫開展加快，這表明箍筋間距較大將導致對核心混凝土約束作用不足.

2.2 滯回曲線

試件在低周反復荷載作用下的過程用荷載－位移圖進行描述，即為滯回曲線圖.用曲線圖來反映試件的承載力、剛度、剛度、延性的退化規律和耗能性能.焊接環式箍筋約束高強混凝土柱的三組軸壓比在下不同箍筋間距的滯回曲線圖，如圖5（a），（b），（c）所示.軸壓比為0.55，配筋率為3.33%時，焊接環式箍筋與綁扎環式箍筋的滯回曲線圖，如圖5（d）所示.

圖5 滯回曲線Fig.5 Hysteresis curve

由圖5可知：在試件屈服之前，滯回曲線都表現為狹窄細長且殘余變形很小，包圍的面積較小，耗能較少，整體剛度變化不大；但是屈服之后，曲線開始偏向位移軸，滯回環的面積逐漸增大，耗能逐漸增加，同時在每級控制位移下后一次的承載力和剛度均比第一次略有降低；所有試件的滯回曲線都很飽滿，都無明顯捏攏現象.在一定的軸壓比下，試件的滯回曲線隨著箍筋間距的減小（體積配箍率的增加），側向承載力和屈服力的提高，滯回曲線飽滿，包絡面積增大，緩解了捏攏現象.最大水平荷載后曲線下降段越平緩，試件在荷載作用下的變形能力越好，在同一軸壓比下，試件隨著配箍率的增加，其延性越好.

由圖5（a）可知：在同軸壓比下，體積配箍率越大，滯回曲線越飽滿.圖5（b）比圖5（a）的飽滿程度優勢更加明顯，體積配箍率更大，下降段更為平緩.圖5（b）中：ρv＝4.24%的滯回曲線的飽滿程度相對于ρv＝3.33%的滯回曲線更加明顯.同樣，圖5（c）比圖5（a），（b）的優勢也更加明顯.因此，在一定的軸壓比范圍內，滯回曲線會隨著軸壓比的增大，更加飽滿，極限荷載值也有所的提高.以ρv＝4.24%的配箍為例，在軸壓比為0.49下其極限荷載值為175kN；在軸壓比為0.55時，其極限荷載值為182kN；在軸壓比為0.61時，其極限荷載值為186kN，分別提高4%，2.19%.由實驗數據結合圖5（a），（b），（c）可得：在低軸壓下高配筋的滯回曲線的飽滿程度并不明顯；但隨著軸壓比的提高（在一定限值范圍內），滯回曲線的飽滿程度、曲線下降段平緩會更加明顯.

由圖5（d）可知：在軸壓比和配筋率相同的情況下，焊接環式箍筋柱的滯回曲線明顯比綁扎的更飽滿、面積更大，體現了焊接環式箍筋對混凝土的約束要比綁扎的好.

試件在高軸壓的低周反復荷載下，環式箍筋約束高強混凝土柱的滯回曲線仍呈穩定豐滿的梭形，具有較好的延性性能；軸壓比、配箍率及箍筋的鏈接類型均對滯回曲線有顯著的影響.在其他條件相同時，軸壓比較大的試件，在荷載達到最大值前，其滯回曲線比軸壓比小的試件更為飽滿.但軸壓比較小或箍筋間距較小的試件，達到最大荷載后曲線下降較為緩慢，循環次數多，強度衰減慢，變形能力大，且達到極限位移之后滯回曲線仍較為穩定，承載力沒有出現明顯的較大幅度的下降，即仍具有一定的承載力和耗能能力.

2.3 骨架曲線

骨架曲線是每次循環加載達到的水平力最大峰值的軌跡，反映了構件受力與變形的各個不同階段的特性（強度、剛度、延性、耗能及抗倒塌能力等），也是確定恢復力模型中特征點的重要依據.軸壓比為0.49，0.55，0.61時，不同箍筋間距骨架曲線，如圖6（a），（b），（c）所示.軸壓比為0.55，配筋率為3.33%時，焊接環式箍筋與綁扎環式箍筋的骨架曲線，如圖6（d）所示.

圖6 骨架曲線Fig.6 Skeleton curve

由圖6（a）可知以下兩點.1）在同一軸壓比下，配箍率越大的試件，其所加最大荷載值越大，在軸壓比為0.49時，配箍率為ρv＝4.24%所加的荷載最大值為182.56kN；配箍率為ρv＝3.33%所加荷載最大值為175.36kN；配箍率為ρv＝2.59%所加荷載最大值為162.04kN.荷載最大值比較后一個分別增加了4.11%，8.22%；荷載最大值分別增加了2.57%，7.38%.試件所承受的荷載，會隨著配箍率增加而增加，但這種增加趨勢逐漸減小（可預測具有一定的限值）.這也說明當配箍率增加到一定程度時，對構件的最大承載力提高有限.2）在同一軸壓比下，配箍率越大的試件，峰值后下降的趨勢越為平緩.軸壓比為0.55時，ρv＝4.24%，試件的下降率為11.28%；ρv＝3.33%，試件的下降率為19.9%；ρv＝2.59%試件的下降率為21.17%.因此，配箍率越大的試件，試件的極限承載力有一定的提高，且其達最大荷載后的極限變形能力增大，下降段趨于平緩.

對比圖6（a），（b），（c）可以看出：當ρv＝4.24%時，軸壓比為0.49荷載最大值為182.56kN；軸壓比為0.55荷載最大值為187.65kN；軸壓比為0.61荷載最大值為190.83kN，分別增加2.79%，1.67%；當ρv＝3.33%時，依次增加4.28%，2.03%；當ρv＝2.59%時，依次增加4.7%，4.19%.因此，在同一配箍率下，荷載峰值會隨著軸壓比的增加而有所增加，而且所增加的趨勢也是逐漸減少的.

從圖6（d）可知：焊接環式箍筋的混凝土柱子早期剛度比綁扎環式箍筋的混凝土柱子強，焊接環式箍筋的混凝土柱子所能承受的最大荷載值也大于綁扎環式箍筋的混凝土柱.

3 試驗結果

通過對9個焊接環式箍筋的混凝土柱以及1個綁扎環式箍筋的混凝土柱的研究，結合試驗的結果分析得到：跟普通鋼筋混凝土柱相比，焊接環式箍筋柱的箍筋約束能力更高，所承受的荷載能力更強.結合試驗結果分析，它的影響因素有配筋率、軸壓比.

3.1 配箍率的影響

在一定的軸壓比下，配箍率越高的滯回曲線越飽滿，骨架曲線中相同位移下所能加的荷載值越大，最大水平荷載后曲線下降段越平緩.這是由于配筋率的增加，提高了箍筋對核心混凝土的約束作用，從而提高試件的變形能力.在相同的荷載下，高配箍率的試件具有更好的延性和變形能力，所以其滯回曲線也更加飽滿.對核心混凝土的約束力提高了，也使構件承受荷載的能力提高了.因此，骨架曲線中在相同位移下所加的荷載值更大，下降段也更為平緩.

3.2 軸壓比的影響

隨著軸壓比提高，試件前期的滯回曲線變得更飽滿.原因是軸壓比的增大，使混凝土柱的應變增大，混凝土柱中被箍筋約束住的核心混凝土因泊松比增大而向外膨脹，對箍筋施加徑向壓應力.箍筋對核心混凝土的反作用應力使核心混凝土處于三軸受壓應力狀態.而且這種作用隨著軸壓比增大，柱子應變也繼續增大.加大核心混凝土橫向膨脹，使箍筋更多參與進去，箍筋約束也更好，其應力也不斷加大直到箍筋應力達到屈服強度.所以在箍筋應力達到屈服前，柱子的滯回曲線會隨著軸壓比增大變得更加飽滿，骨架曲線中相同位移下所加的荷載值也會提高，延性也更好.但在荷載到達峰值后，較小軸壓比的混凝土柱中箍筋約束的混凝土由于受到的軸壓較小，混凝土橫向膨脹也比較大軸壓的混凝土柱小.因此，較小軸壓比的混凝土柱達到峰值荷載后曲線下降較為緩慢，循環次數多，強度衰減慢，變形能力大.

4 結論

對9個焊接環式復合箍筋混凝土柱以及1個綁扎環式復合箍筋混凝土柱的實驗過程、實驗結果進行分析，對其箍筋的約束作用得出了以下3個結論.

1）隨著箍筋配筋率的增加，混凝土柱承受低周反復承載的能力有所提高，屈服強度有所提高，滯回曲線飽滿，包絡面積增大，耗能能力增加.

2）隨著鋼筋配筋率的增加，骨架曲線中在相同位移下所能承受的荷載值更大，下降段也更為平緩，延性變得更好.

3）當其他條件相同時，軸壓比較大的試件，在荷載達到峰值前，其滯回曲線比軸壓比小的試件更為飽滿.但軸壓比較小或箍筋間距較小的試件，達到峰值荷載后曲線下降較為緩慢，循環次數多，強度衰減慢，變形能力大，且達到極限位移之后滯回曲線仍較為穩定，承載力沒有出現明顯的較大幅度的下降，仍具有一定的承載力和耗能能力.

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