配螺旋箍筋芯柱的鋼筋再生混凝土柱性能研究

賈艷東，　薛旭旭

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州　121001)

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配螺旋箍筋芯柱的鋼筋再生混凝土柱性能研究

賈艷東，薛旭旭

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州121001)

摘要：通過對(duì)12根配螺旋箍筋芯柱的鋼筋再生混凝土柱分別進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)和偏心受壓試驗(yàn)，闡述了主要試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)，對(duì)各試件的承載力、荷載-應(yīng)變曲線、荷載-位移曲線和荷載-撓度曲線進(jìn)行了細(xì)致分析，結(jié)果表明：配螺旋箍筋芯柱的鋼筋再生混凝土柱的軸心受壓承載力明顯低于相同截面尺寸及配筋情況的鋼管鋼骨再生混凝土柱，說明螺旋箍筋對(duì)混凝土的約束作用低于鋼管；外圍混凝土破壞后，核心區(qū)螺旋箍筋芯柱混凝土仍可繼續(xù)工作，破壞后的混凝土柱仍具有一定的承載能力，在柱核心區(qū)配置螺旋箍筋鋼筋籠，可提高柱的抗震防倒塌能力；核心區(qū)配置螺旋箍筋芯柱可大幅提高柱的偏心受壓承載力。

關(guān)鍵詞：螺旋箍筋芯柱；再生混凝土；約束作用；承載力

再生混凝土是將廢棄的混凝土塊進(jìn)行破碎、清洗、分級(jí)后按照一定比例與級(jí)配混合、部分或全部替代天然骨料制成的混凝土[1]。再生混凝土可以節(jié)約天然骨料，解決了因廢舊骨料處理不當(dāng)引起的環(huán)境污染問題，緩解了建筑行業(yè)對(duì)混凝土集料的高消耗、對(duì)環(huán)境的污染問題與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾。

將螺旋箍筋芯柱設(shè)置在柱的核心區(qū)這一設(shè)計(jì)靈感來源于鋼管鋼骨混凝土柱。鋼管的套箍作用對(duì)提高混凝土柱的承載力和變形能力十分有效[2,3]，而螺旋箍筋的作用機(jī)理與鋼管類似，通過螺旋箍筋的環(huán)向拉力對(duì)核心區(qū)混凝土產(chǎn)生間接的側(cè)向壓力，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)[4]，抑制混凝土的側(cè)向變形和內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，保證核心區(qū)混凝土在外圍混凝土開裂甚至是剝落后，仍能繼續(xù)工作，直至箍筋達(dá)到抗拉屈服強(qiáng)度而失去對(duì)混凝土的約束能力后，核心區(qū)混凝土才被壓碎，整個(gè)構(gòu)件破壞。試驗(yàn)研究和工程經(jīng)驗(yàn)都證明，在矩形或圓形截面柱內(nèi)設(shè)置矩形核心柱，不但可以提高柱的受壓承載力，還可以提高柱的變形能力[5-11]。相比于鋼管鋼骨混凝土柱，配螺旋箍筋芯柱的鋼筋混凝土柱具有不需要設(shè)置剪力連接件和造價(jià)較低經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。螺旋箍筋芯柱與再生混凝土結(jié)合起來制作的綠色混凝土柱，工作性能的優(yōu)劣，目前國(guó)內(nèi)外的研究十分鮮見。

本文分別設(shè)計(jì)制作了6根配螺旋箍筋芯柱的鋼筋再生混凝土軸心受壓柱和6根偏心受壓柱，通過靜力單調(diào)加載試驗(yàn)，初步研究了該類型柱的受力性能。

1試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)及材料性能

試驗(yàn)使用的再生混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C60，依文獻(xiàn)[12]確定的配合比為水∶水泥∶粉煤灰∶砂子∶再生粗骨料∶外加劑=1∶2.27∶0.76∶4.21∶6.31∶0.027，實(shí)測(cè)的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為65.4 MPa。采用渤海水泥葫蘆島有限公司生產(chǎn)的渤海牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為49.3 MPa；粉煤灰采用錦州熱電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰；砂子為Ⅱ區(qū)中砂，表觀密度為2.618 g/cm3；再生粗骨料由遼寧工業(yè)大學(xué)廠房拆遷廢棄混凝土破碎篩選得來，壓碎指標(biāo)為13.47%，表觀密度為2.637 g/cm3，吸水率為3.94%，粒徑范圍5～25 mm；外加劑采用錦州凌云建材有限公司生產(chǎn)的LY-A聚羧酸系高性能減水劑，減水率為29%。

表1　軸心受壓試件設(shè)計(jì)參數(shù)

注：ZX表示軸心受壓，40、80表示箍筋間距為40 mm和80 mm，1、2、3表示同類型柱編號(hào)。

表2　偏心受壓試件設(shè)計(jì)參數(shù)

注：PX表示偏心受壓，40、80表示箍筋間距為40 mm和80 mm，e125、e80表示偏心距為125 mm和80 mm，1、2、3表示同類型柱編號(hào)。

表3　鋼筋的力學(xué)性能

圖1試件尺寸及配筋簡(jiǎn)圖

1.2試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置與加載

如圖2所示，軸心受壓柱共布置了10個(gè)測(cè)點(diǎn)。包括2個(gè)外圍縱筋測(cè)點(diǎn)，2個(gè)芯柱縱筋測(cè)點(diǎn)，2個(gè)螺旋箍筋測(cè)點(diǎn)，2個(gè)混凝土測(cè)點(diǎn)，2個(gè)柱壓縮位移測(cè)點(diǎn)。如圖3所示，偏心受壓柱共布置了11個(gè)測(cè)點(diǎn)，包括外圍受拉及受壓縱筋各1個(gè)，芯柱受拉及受壓縱筋各1個(gè)，2個(gè)螺旋箍筋測(cè)點(diǎn)，受拉及受壓混凝土各1個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿柱高方向布置了3個(gè)位移計(jì)以測(cè)量偏壓柱的水平撓度。

試件采用YAW-5000微機(jī)控制電液伺服壓力5 000 kN試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜力單調(diào)加載試驗(yàn)。軸壓試驗(yàn)以每400 kN為一級(jí)，加載速度為2 kN/s直至2 000 kN。隨后以200 kN間隔為一級(jí)，以0.5 kN/s的速度緩慢連續(xù)加載，每一級(jí)持荷90 s，直至試件破壞失去承載能力。完全卸載后，對(duì)破壞后的軸壓柱進(jìn)行二次加載，以1 kN/s的速度連續(xù)加載直至試件再次失去承載能力。偏壓試驗(yàn)以每200 kN為一級(jí)，加載速度為1 kN/s。達(dá)到1 000 kN后，以0.5 kN/s的速度繼續(xù)加載，每一級(jí)持荷90 s，待變形穩(wěn)定后，再進(jìn)入下一加載階段，直至試件破壞。

1.3試件的破壞過程與破壞形態(tài)

對(duì)于軸心受壓柱，當(dāng)加載至1 000 kN時(shí)，柱出現(xiàn)首條裂縫，大多位于柱底部。繼續(xù)加載，柱體出現(xiàn)多條縱向裂縫，伴有劈裂聲，并逐漸向柱中位置發(fā)展，柱頂部和底部裂縫有連通的趨勢(shì)。當(dāng)加載至極限荷載的80%左右時(shí)，大多數(shù)柱相連兩面的裂縫在柱棱上連通，有剪切柱棱的趨勢(shì)，其余上下裂縫逐漸連通。達(dá)到極限荷載的90%時(shí)，柱棱完全與柱體脫離但未剝落。接近極限荷載時(shí)，各裂縫劇烈發(fā)展，劈裂聲愈發(fā)明顯，柱體不斷有混凝土崩落，多數(shù)柱的四個(gè)柱棱及保護(hù)層均已與柱體脫離退出工作，柱截面變小。達(dá)到極限荷載時(shí)，與柱體脫離的混凝土剝落，外圍箍筋露出，柱中混凝土被壓碎，柱失去承載能力。

圖2　軸壓柱測(cè)點(diǎn)布置

圖3　偏壓柱測(cè)點(diǎn)布置

完全卸載后的二次加載，僅有核心區(qū)芯柱和部分外圍箍筋包裹的混凝土工作。在達(dá)到90%極限荷載之前，柱工作穩(wěn)定，無混凝土剝落，肉眼觀察不到原有裂縫的變化，也沒有新裂縫的出現(xiàn)，更沒有劈裂聲。加載至90%極限荷載時(shí)，有混凝土出現(xiàn)松動(dòng)，隨即前期被壓碎的混凝土紛紛剝落并伴有明顯紛亂的劈裂聲，螺旋箍筋拉斷，柱再次失去承載能力，試驗(yàn)結(jié)束。

對(duì)于偏心受壓柱，加載至180 kN左右時(shí)受拉側(cè)柱面即出現(xiàn)多條裂縫，400 kN左右時(shí)受拉側(cè)柱面出現(xiàn)貫通裂縫。隨著荷載的遞增，受拉面出現(xiàn)多條貫通裂縫，裂縫間距大致在8～15 cm之間。隨后裂縫向受壓側(cè)發(fā)展，裂縫逐漸增寬，混凝土受壓區(qū)面積逐漸減小并伴有劈裂聲。在達(dá)到極限荷載之前，受壓區(qū)混凝土均工作穩(wěn)定，無裂縫，無隆起。接近極限荷載時(shí)，受壓區(qū)混凝土逐漸隆起、壓碎、剝落，露出隆起的縱筋。受拉面裂縫逐漸增寬，甚至可以看到外圍受拉縱筋，柱撓度逐漸增大，隨后柱失去承載能力，試驗(yàn)結(jié)束。柱的破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4　柱受壓破壞形態(tài)

2軸心受壓試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1承載力分析

表4所示為配螺旋箍筋芯柱的鋼筋再生混凝土柱的軸心受壓承載力試驗(yàn)結(jié)果，表5為文獻(xiàn)[13]相同截面尺寸及配筋情況的鋼管鋼骨再生混凝土柱軸心受壓承載力的試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，該構(gòu)造的螺旋箍筋芯柱混凝土柱的軸壓承載力普遍低于鋼管鋼骨混凝土柱。說明該配筋情況的螺旋箍筋，在柱未破壞之前，對(duì)混凝土的約束作用要低于鋼管，螺旋箍筋對(duì)提高柱承載力的貢獻(xiàn)明顯低于鋼管。

從二次加載的結(jié)果來看，在外圍混凝土退出工作后，核心區(qū)混凝土由于螺旋箍筋的約束作用，仍能繼續(xù)穩(wěn)定工作。螺旋箍筋加芯柱破壞后的承載力約為軸壓極限承載力的58%左右，說明該類型柱在破壞后，芯柱部分仍具有一定的承載能力，柱具備一定的抗震防倒塌能力。

由表還可發(fā)現(xiàn)，提高螺旋箍筋的配箍率對(duì)柱承載力的影響并不明顯。根據(jù)文獻(xiàn)[14]中對(duì)局部受壓承載力計(jì)算的規(guī)定，螺旋式間接鋼筋對(duì)混凝土的提高效應(yīng)與構(gòu)件核心截面面積、箍筋尺寸和強(qiáng)度以及箍筋間距密切相關(guān)。由于試件的核心截面面積較小，箍筋尺寸及強(qiáng)度均較小，對(duì)承載力的提高效應(yīng)并不明顯。表中低配箍率的柱軸壓承載力反而高于高配箍率柱，是由于制作誤差導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度離散性較大導(dǎo)致的。

表4　軸壓承載力試驗(yàn)結(jié)果

表5　文獻(xiàn)[13]試驗(yàn)結(jié)果

2.2延性性能分析

圖5、圖6分別是本文和文獻(xiàn)[13]的軸心受壓柱荷載-位移曲線。彈性階段過后，不管是螺旋箍筋加芯柱，還是鋼管鋼骨混凝土柱，都進(jìn)入了塑性階段。但不同的是，螺旋箍筋加芯柱的塑形階段較長(zhǎng)，而鋼管鋼骨混凝土柱塑形階段較短，承載力損失嚴(yán)重。鋼管鋼骨混凝土柱每毫米承載力的損失約為1 000 kN，而螺旋箍筋加芯柱的每毫米承載力的損失約為100 kN，說明破壞后，螺旋箍筋對(duì)混凝土的約束作用要好于鋼管，螺旋箍筋芯柱的延性優(yōu)于鋼管鋼骨混凝土，且對(duì)柱破壞后承載力的保證要遠(yuǎn)好于鋼管鋼骨混凝土柱。由于截面較小，改變箍筋配箍率對(duì)螺旋箍筋加芯柱變形能力的影響并不明顯。

上述結(jié)果，究其原因是由于在柱受力階段，螺旋箍筋對(duì)核心混凝土的約束作用僅限于箍筋與混凝土較小的接觸面上，對(duì)核心混凝土的有效約束面積較小，相鄰箍筋之間的混凝土仍可自由變形。而鋼管將核心混凝土全部包裹，對(duì)核心混凝土的有效約束面積就是整個(gè)核心混凝土圓柱的表面積，可抑制全部核心混凝土微裂縫的發(fā)展，限制核心混凝土的側(cè)向變形，約束效果遠(yuǎn)好于螺旋箍筋。但當(dāng)鋼管應(yīng)變超過其屈服應(yīng)變后，鋼管發(fā)生局部屈曲，對(duì)混凝土的約束作用顯著減弱，鋼管局部屈曲部位的混凝土隨即破壞，此處成為柱的薄弱區(qū)，導(dǎo)致整根柱迅速失去承載能力。

圖5　軸壓柱荷載-位移曲線

圖6　文獻(xiàn)[13]荷載-位移曲線

而此時(shí)的螺旋箍筋加芯柱，由于本構(gòu)關(guān)系不同于核心區(qū)加芯混凝土而產(chǎn)生的較大剪應(yīng)力，外圍混凝土大多已退出工作。但螺旋箍筋仍能為混凝土提高約束作用，限制或減緩混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，減緩了承載力下降趨勢(shì)。二次加載試驗(yàn)結(jié)果，也充分說明了這一點(diǎn)。如圖7所示，對(duì)比本試驗(yàn)和文獻(xiàn)[13]測(cè)得的典型試件荷載-應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)鋼管的應(yīng)變明顯好于螺旋箍筋，對(duì)混凝土的約束作用較好。

圖7　典型荷載-應(yīng)變曲線

3偏心受壓試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1承載力分析

表6所示為偏壓柱承載力試驗(yàn)結(jié)果，其中N0表示依據(jù)文獻(xiàn)[14]計(jì)算得到的未配置芯柱的同截面尺寸同配筋情況的普通偏心受壓柱承載力。相比于計(jì)算值，配置芯柱的偏壓柱承載力普遍提高了64%～78%，最高為84%，說明螺旋箍筋芯柱可顯著提高偏壓柱承載力。對(duì)比試件PX-40-e125與試件PX-80-e125-1、2、3可發(fā)現(xiàn)，提高箍筋配箍率對(duì)偏壓柱承載力的改善并不明顯；對(duì)比試件PX-40-e125與PX-40-e80-1、2可發(fā)現(xiàn)，減小偏心距可顯著提高偏壓柱的承載力，決定承載力的主要因素是偏心距。

表6　偏心受壓柱試驗(yàn)結(jié)果

偏心受壓試件破壞的主要標(biāo)志是：受拉區(qū)鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土被壓碎。螺旋箍筋芯柱對(duì)偏心受壓試件承載力的提高主要來自于兩方面：一是由于核心區(qū)縱向受力鋼筋的貢獻(xiàn)。如圖8所示為典型試件各類型鋼筋荷載-應(yīng)變曲線，核心區(qū)縱向受力鋼筋提高了柱縱筋配筋率，為柱受拉區(qū)提供了更大的拉力，在受壓區(qū)分擔(dān)了部分壓力，減小了混凝土應(yīng)力，延緩了混凝土壓應(yīng)變?cè)黾樱欢怯捎诼菪拷畹募s束作用，核心區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度提高。

圖8　典型偏壓柱荷載-應(yīng)變曲線

(1)

混凝土偏心受壓柱承載力的計(jì)算公式為

(2)

(3)

核心區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度由于螺旋式間接鋼筋的約束作用得到提高，最終提高了柱偏心受壓承載力。

3.2延性性能分析

圖9所示為試件的荷載-撓度曲線。對(duì)比分析同類型柱試件發(fā)現(xiàn)：極限荷載過后，試件的承載力經(jīng)過一小段的劇烈下降，原因是受壓區(qū)混凝土超過其極限壓應(yīng)變后被壓碎，高強(qiáng)混凝土的脆性破壞導(dǎo)致了承載力降低。隨后，撓度下降趨勢(shì)趨于平緩，撓度急劇增大，螺旋箍筋芯柱混凝土柱表現(xiàn)出良好的變形能力。

對(duì)比分析偏壓柱在不同偏心距下的撓度曲線，可發(fā)現(xiàn)：在到達(dá)極限荷載之前，偏壓柱的荷載與撓度成一次線性關(guān)系，PX-40-e80類柱的曲線斜率明顯大于PX-80-e125；極限承載力過后，偏心距80 mm的偏壓柱曲線，無論是在下降趨勢(shì)，還是在極限撓度方面，均不及偏心距125 mm的偏壓柱。說明，螺旋箍筋芯柱偏壓柱的變形能力與偏心距和箍筋體積配箍率有關(guān)。偏心距越大，螺旋箍筋芯柱偏壓柱的變形能力越好。與箍筋體積配箍率的關(guān)系，目前尚不明確。

圖9　偏壓柱荷載-撓度曲線

4結(jié)束語

(1) 配螺旋箍筋芯柱的鋼筋再生混凝土軸心受壓柱的承載力明顯低于相同截面尺寸及配筋情況的鋼管鋼骨再生混凝土柱軸心受壓承載力，螺旋箍筋對(duì)混凝土的約束作用低于鋼管。但螺旋箍筋芯柱鋼筋再生混凝土柱的延性優(yōu)于鋼管鋼骨混凝土，螺旋箍筋對(duì)柱破壞后承載力和延性的保證要遠(yuǎn)好于鋼管。

(2) 柱破壞后的二次加載的承載力約為極限承載力58%，說明外圍混凝土破壞后，核心區(qū)混凝土由于螺旋箍筋的約束作用，配螺旋箍筋芯柱的鋼筋再生混凝土柱仍能繼續(xù)工作，具備一定的抗震防倒塌能力。

(3) 在核心區(qū)配置螺旋箍筋芯柱，由于螺旋箍筋的約束作用和核心區(qū)縱向受力鋼筋的存在，可大幅提高柱的偏心受壓承載力。偏心距減小，偏壓柱承載力提高，延性性能降低；偏心距增大，偏壓柱承載力降低，延性性能提高。對(duì)配螺旋箍筋芯柱的鋼筋再生混凝土柱承載力和延性性能起決定影響作用的是偏心距。

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收稿日期：2016-03-04

作者簡(jiǎn)介：賈艷東(1969-)，男，遼寧凌海人，遼寧工業(yè)大學(xué)教授．

中圖分類號(hào)：TU375.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)01-0083-06