配置HRB600E高強(qiáng)鋼筋的混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究

戎賢，杜金，陳晨曦，常偉峰，張健新

(1. 河北工業(yè)大學(xué) a.土木與交通學(xué)院；b.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401；2.河北曲港高速公路開(kāi)發(fā)有限公司，河北 定州 073000)

HRB600E鋼筋具有強(qiáng)度高、安全儲(chǔ)備量大的特點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效的新型鋼筋[1-2]。學(xué)者Oosalem等[3]、Rautenberg等[4]、Tokgozs等[5]、Karayannis等[6]做了許多關(guān)于配置高強(qiáng)鋼筋結(jié)構(gòu)體系的各類試驗(yàn)研究及分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，在混凝土柱中采用高強(qiáng)鋼筋可在一定程度上提高試件延性性能，減小殘余變形，降低耗能，在一定程度上減少箍筋用量。

中國(guó)學(xué)者也進(jìn)行了配置600 MPa高強(qiáng)鋼的筋混凝土柱的試驗(yàn)研究[7-12]，戎賢等[13-14]對(duì)配置HRB600高強(qiáng)箍筋的T形柱和十字形柱進(jìn)行抗震試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，配置該鋼筋的混凝土異形柱具有良好的承載能力和變形能力，同時(shí)，增加鋼筋的配箍率可在一定程度上提高試件的變形能力，增強(qiáng)構(gòu)件的延性性能。蘇俊省等[15]和王君杰等[16]分別對(duì)配置HRB335、HRB500E、HRB600鋼筋的混凝土柱的抗震性能進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)。從縱筋強(qiáng)度、箍筋強(qiáng)度及混凝土強(qiáng)度3個(gè)方面分析其對(duì)試件抗震性能的影響。結(jié)果表明:相比配置普通鋼筋的混凝土柱，配置高強(qiáng)鋼筋的混凝土柱的抗震性能相近，但采用HRB600級(jí)鋼筋能在一定程度上減少鋼筋用量，降低能耗。

現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)中雖已列入HRB500鋼筋，但未列入HRB600鋼筋[17]。高強(qiáng)鋼筋應(yīng)用技術(shù)水平與國(guó)外還有顯著差距。為改善矩形柱抗震性能并對(duì)HRB600E鋼筋進(jìn)行進(jìn)一步推廣應(yīng)用，本文對(duì)配置HRB600E鋼筋的混凝土矩形柱試件進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，研究其抗震性能并分析軸壓比、鋼筋強(qiáng)度和縱筋配筋率對(duì)試件抗震性能影響。

在中國(guó)大力提倡節(jié)能減排、綠色環(huán)保的時(shí)代背景下，普通強(qiáng)度鋼筋作為土木工程建設(shè)用鋼主材的狀況已無(wú)法滿足建設(shè)發(fā)展的需要，現(xiàn)階段許多科研單位及院校對(duì)配置600 MPa鋼筋的混凝土柱有所研究。劉彬等[18]對(duì)配置HRB600箍筋的混凝土短柱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究表明，密配高強(qiáng)箍筋的混凝土短柱在高軸壓比下具有良好的延性，八角箍筋和井字箍筋比矩形箍筋的抗震性能更優(yōu)；張建偉等[19]對(duì)配置HRB600級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土柱的軸心受壓力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明:隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，HRB600級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土柱的承載力明顯提高;增大配箍率，可以提高柱的承載力和延性，并給出HRB600級(jí)鋼筋的抗壓強(qiáng)度值取500 MPa時(shí)有足夠的安全儲(chǔ)備。張萍等[7]研究了軸壓比對(duì)配置HRB600鋼筋作為箍筋混凝土柱抗震性能的影響，認(rèn)為隨著軸壓比的增大，試件抗震性能將變差。戎賢等[13-14]對(duì)配置HRB600高強(qiáng)箍筋的T形柱和十字形柱進(jìn)行抗震試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，增加鋼筋的配箍率可在一定程度上提高試件的變形能力，增強(qiáng)構(gòu)件的延性性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以軸壓比、鋼筋強(qiáng)度和縱筋率為變化參數(shù)，共設(shè)計(jì)制作6個(gè)混凝土矩形柱試件。試件柱高1 200 mm，截面尺寸為300 mm×300 mm，保護(hù)層厚度為20 mm，試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，試件的幾何尺寸及配筋如圖1所示。為避免強(qiáng)剪力的影響，試件剪跨比λ均為3.5，該試驗(yàn)采用C50混凝土，試驗(yàn)前期測(cè)量混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，實(shí)測(cè)平均值為51.5 MPa，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50512—2012)計(jì)算得到混凝土軸心抗壓強(qiáng)度值為33.1 MPa，對(duì)應(yīng)其彈性模量34.8 GPa。試件中鋼筋的力學(xué)性能如表2所示。

表1 高強(qiáng)鋼筋混凝土柱試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of specimens

注：E表示配置的鋼筋為HRB600E級(jí)鋼筋。

圖1 試件的幾何尺寸及配筋

鋼筋規(guī)格屈服強(qiáng)度/MPa極限強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%HRB600E(8mm)634.50782.5125.83HRB600E(16mm)661.12817.9220.42HRB600E(20mm)678.07845.1719.67HRB500(8mm)456.61632.9828.33HRB500(16mm)537.35713.0925.42HRB400(8mm)488.85519.5717.50HRB400(16mm)456.73634.2627.92

1.2 加載裝置及制度

該試驗(yàn)采用擬靜力加載制度，試驗(yàn)加載裝置和加載程序如圖2所示。

圖2 加載裝置及加載制度Fig.2 Loading equipment and loading

基于《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)，實(shí)驗(yàn)采用力-位移混合控制的加載方式。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，首先按照表1參數(shù)在混凝土柱柱頂施加相應(yīng)的軸力，屈服荷載試驗(yàn)值為鋼筋第1次達(dá)到屈服時(shí)施加的荷載值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的位移為試驗(yàn)屈服位移，在力控制階段，分3～5次加載，使試件屈服。當(dāng)試件達(dá)到屈服后，由力控制轉(zhuǎn)向位移控制，并進(jìn)行下一階段的加載，此階段以屈服位移的整數(shù)倍數(shù)進(jìn)行逐級(jí)加載，每次加載時(shí)，荷載循環(huán)3次，當(dāng)試驗(yàn)荷載降為試驗(yàn)峰值荷載的85%以下時(shí)，終止試驗(yàn)，認(rèn)為試件破壞。

2 試件破壞特征

各個(gè)試件的裂縫開(kāi)展與破壞形態(tài)基本一致，如圖3所示。

圖3 各試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure characteristic of

對(duì)比各個(gè)試件破壞特征可以發(fā)現(xiàn)：各試件破壞形態(tài)均為彎曲破壞。加載試件首先在受拉區(qū)距柱底50～100 mm處產(chǎn)生細(xì)微的水平受彎裂縫；隨著荷載的增加，構(gòu)件裂縫不斷增加并形成貫通裂縫，并向非加載面延伸，鋼筋屈服后，試件出現(xiàn)殘余變形，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，位移控制時(shí)，柱底混凝土受壓起皮，柱腳開(kāi)始被壓裂；隨后，縱筋位置對(duì)應(yīng)的構(gòu)件表面發(fā)生沿縱筋方向的豎向裂縫，并沿縱筋逐漸向上延伸，混凝土逐漸被壓碎，混凝土保護(hù)層剝落，鋼筋外露，試件達(dá)到破壞。

C-F1、C-F2、C-F3 3個(gè)試件可知，軸壓比較大的試件開(kāi)裂和塑性鉸產(chǎn)生得相對(duì)較晚，裂縫開(kāi)展更為緩慢，承載力相對(duì)提升，但混凝土壓碎情況更為嚴(yán)重，表明增大軸壓比可以提高骨料的咬合性能，并在一定程度上推遲裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，但構(gòu)件破壞形態(tài)加重。

對(duì)比試件C-F2、C-M1、C-M2可知，隨著鋼筋強(qiáng)度的增加，試件達(dá)到屈服的荷載和位移增加，裂縫寬度增大且數(shù)量增多，混凝土壓碎得更加嚴(yán)重，但破壞位移稍有減小。

對(duì)比試件C-F2、C-ZJ可知，隨著試件縱筋配筋率的增加，破壞時(shí)鋼筋與混凝土之間出現(xiàn)裂縫較早，混凝土破壞嚴(yán)重，為了防止發(fā)生粘結(jié)破壞，建議限制構(gòu)件配置高強(qiáng)鋼筋時(shí)的縱筋配筋率。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回特性

根據(jù)試驗(yàn)得到各試件的水平荷載-柱頂位移曲線如圖4所示。

分析滯回曲線，反映出配置高強(qiáng)鋼筋的矩形截面柱具有4個(gè)特點(diǎn)：

1)各試件的滯回曲線均呈現(xiàn)梭形。在試驗(yàn)加載初期，試件處于彈性階段，對(duì)應(yīng)的滯回曲線近似呈現(xiàn)線性關(guān)系，殘余變形較小，耗能較小。試件加載至屈服時(shí)，試驗(yàn)加載方式由力控制轉(zhuǎn)到由位移控制，試件的變形不斷增大，滯回曲線逐步趨近飽滿，同時(shí)，表現(xiàn)出明顯的非線性趨勢(shì)，耗能增強(qiáng)，承載力有所提高。

2)對(duì)比C-F1、C-F2、C-F3 3個(gè)試件可知，當(dāng)軸壓比逐步增加時(shí)，單次循環(huán)的耗能能力有所增加，循環(huán)次數(shù)減少，試件的延性降低。

3)對(duì)比C-M1、C-M2、C-F2 3個(gè)試件可知，隨著鋼筋強(qiáng)度的提高、滯回環(huán)循環(huán)次數(shù)減少，試件的承載力有所上升。

4)對(duì)比C-F2、C-ZJ3個(gè)試件可知 ，提高縱筋率，試件的承載力明顯提高，變形能力有所增加，滯回環(huán)更加飽滿。

圖4 各試件滯回曲線Fig.4 Hysteretic loops of

3.2 位移和延性分析

各試件的屈服狀態(tài)、峰值狀態(tài)和破壞形態(tài)所對(duì)應(yīng)的荷載、位移及位移延性系數(shù)如表3所示。因在試驗(yàn)位移加載階段，當(dāng)試驗(yàn)荷載降為峰值荷載的85%以下時(shí)，即認(rèn)為試件破壞。故試件破壞狀態(tài)下的荷載即為0.85倍峰值荷載，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的位移值為破壞位移。

將各試件的承載力、位移及延性進(jìn)行比較，可以得出以下結(jié)論：

1)各試件的位移延性系數(shù)均值都達(dá)到3以上，表明配置HRB600E鋼筋混凝土柱具有較好的變形能力。

2)對(duì)比C-F1、C-F2、C-F3 3個(gè)試件可知，隨著軸壓比的增加，豎向約束作用增強(qiáng)，改善了骨料咬合作用，同時(shí)使試件的受壓區(qū)高度增加，試件承載力提高，C-F3比C-F1的峰值荷載增大了30.6%，但試件C-F1、C-F2、C-F3的破壞位移分別為55.69、44.87、39.39 mm，位移延性系數(shù)分別為4.60、3.65、3.61，表明軸壓比增加，試件開(kāi)裂荷載和承載力增大，延性降低。

3)對(duì)比C-M1、C-M2、C-F2 3個(gè)試件可知，隨著鋼筋強(qiáng)度的提高，試件C-F2的峰值荷載比C-M1、C-M2分別增大27.6%、10.9%，試件C-F2的位移延性系數(shù)比C-M1、C-M2分別減少17.2%、1.4%。表明高強(qiáng)鋼筋可以增加試件的承載力，但延性性能有所降低。

4)對(duì)比C-F2、C-ZJ兩個(gè)試件可知，提高縱筋率，試件C-ZJ的峰值荷載比C-F2高了29.7%，破壞位移增加了9.1%，位移延性系數(shù)減少了15.9%，表明增加配筋率可以增加試件的承載力，但延性性能減低。

表3 承載力、位移及延性系數(shù)Table 3 Bearing capacity, displacement and ductility factor

3.3 骨架曲線

各個(gè)構(gòu)件的滯回曲線圖得到骨架曲線如圖5所示。

分析滯回曲線反映出配制高強(qiáng)鋼筋的矩形截面柱具有以下特點(diǎn)：

1)在試驗(yàn)加載初期，骨架曲線近似相同，斜率最大，隨著加載的不斷進(jìn)行，試件受拉區(qū)出現(xiàn)開(kāi)裂，進(jìn)而裂縫不斷開(kāi)展，試件進(jìn)入彈塑性工作階段，骨架曲線斜率減小，直到試件達(dá)到極限承載狀態(tài)，隨后表現(xiàn)出明顯的剛度和強(qiáng)度退化特征。此外，各試件骨架曲線總體較為對(duì)稱，在破壞階段，負(fù)向加載時(shí)荷載下降較為迅速，曲線下降速率較為一致。

2)對(duì)比C-F1、C-F2、C-F3 3個(gè)試件可知，相較于高軸壓比試件，低軸壓比構(gòu)件強(qiáng)度退化明顯較晚，說(shuō)明軸壓比較低的時(shí)間累積損傷發(fā)展相對(duì)較慢，有利于抗震。

圖5 各試件骨架曲線Fig.5 Skeleton curves of the

3)對(duì)比C-M1、C-M2、C-F2 3個(gè)試件可知，試件的峰值荷載隨鋼筋強(qiáng)度的提高而增大，進(jìn)而提高了試件的承載力，試件的初始剛度有所增加，但是會(huì)相應(yīng)地降低延性。

4)對(duì)比C-F2、C-ZJ兩個(gè)試件可知，提高試件的配筋率，承載力會(huì)有明顯提高，曲線上升和下降段更加陡峭。

3.4 剛度退化

各試件剛度退化曲線如圖6所示。

圖6 各試件剛度退化曲線Fig.6 Curves of stiffness

對(duì)比分析圖6各試件的剛度退化曲線可知：

1)試驗(yàn)中各個(gè)試件的剛度退化曲線呈現(xiàn)明顯的非線性變化，且對(duì)稱性相對(duì)完好。試驗(yàn)加載初期，曲線斜率較大，呈現(xiàn)出陡峭的趨勢(shì)。當(dāng)試驗(yàn)加載至屈服后，剛度退化速率有所降低，加載至峰值后，材料塑性變形累計(jì)，剛度退化曲線斜率降低，趨于平緩。

2)對(duì)對(duì)C-F1、C-F2、C-F3 3個(gè)試件可知，隨著軸壓比增大，試件豎向約束逐步加大，高軸壓比試件的初始剛度有顯著增強(qiáng)，但軸壓比大的試件剛度退化速率較快，混凝土的壓碎更為嚴(yán)重，不利于結(jié)構(gòu)抗震。

3)對(duì)對(duì)C-M1、C-M2、C-F2 3個(gè)試件可知，提高鋼筋強(qiáng)度，試件的初始剛度基本無(wú)影響，但鋼筋強(qiáng)度越高，剛度退化速率有所減緩。

4)對(duì)對(duì)C-F2、C-ZJ兩個(gè)試件可知，提高縱筋配筋率使試件的初始剛度有明顯增大，配置HRB600E鋼筋的試件在負(fù)向剛度退化率下降減緩，但延性相對(duì)較小。

3.5 耗能能力

試驗(yàn)中各個(gè)試件的等效黏滯阻尼比-位移曲線如圖7所示。

圖7 等效黏滯阻尼比-位移曲線Fig.7 Curves of equivalent viscous damping

分析圖7各條曲線可知：

1)所有試樣的等效粘滯阻尼系數(shù)先減小后增大，然后逐漸增大。在試驗(yàn)加載初期，試樣呈現(xiàn)彈性狀態(tài)，裂紋開(kāi)展不多。彈性面積的增加明顯大于滯回環(huán)面積的增加，故在試驗(yàn)初期等效粘滯阻尼比-位移曲線表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，當(dāng)試驗(yàn)加載至屈服階段及以后時(shí)，裂縫不斷發(fā)展，塑性損傷不斷增加，耗能增加，故曲線不斷上升。

2)對(duì)比C-F1、C-F2、C-F3 3個(gè)試件可知，隨著試驗(yàn)的軸壓比不斷增加，高軸壓比構(gòu)件在加載后期，其塑性性能無(wú)法得到足夠的發(fā)揮，試驗(yàn)加載到破壞荷載時(shí)，試件耗能能力有所提升。

3)對(duì)比C-M1，C-M2、C-F2的可知，提高鋼筋強(qiáng)度，試件C-F2的等效黏滯阻尼比低于試件C-M1和C-F1，表明鋼筋強(qiáng)度的提升使試件的耗能能力下降。

4)對(duì)比C-F2、C-ZJ兩個(gè)試件可知，試驗(yàn)中C-ZJ配筋率較大，縱筋直徑較大，與混凝土之間的粘結(jié)作用減小，相較于試件C-F2，試件C-ZJ的耗能能力有所降低。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)6個(gè)配置HRB600E鋼筋混凝土柱進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1)試驗(yàn)中各試件的位移延性系數(shù)均值都達(dá)到3以上，滿足延性要求。配置HRB600E級(jí)箍筋的試件表現(xiàn)出良好的變形能力，并且在同等條件下，配置HRB600E級(jí)縱筋的試件達(dá)到屈服時(shí)，荷載和位移有所增加，對(duì)應(yīng)試件滯回環(huán)形狀相對(duì)飽滿，其骨架曲線和剛度退化曲線總體較為對(duì)稱，剛度退化減緩，試件的抗震能力顯著提高。

2)增加配置HRB600E鋼筋混凝土柱的軸壓比，承載力增大，總耗能能力略有提升，但剛度退化的速率加快，延性降低。

3)增加配置HRB600E鋼筋混凝土柱的縱筋配筋率，混凝土壓潰嚴(yán)重，骨架曲線上升和下降段更加陡峭，承載能力提高，變形能力增加，耗能能力降低。

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段多數(shù)研究為將600 MPa鋼筋作為箍筋配置在混凝土柱，或配置600 MPa鋼筋的異形柱實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)對(duì)軸壓比的研究影響，與現(xiàn)有研究結(jié)論一致：配置高強(qiáng)鋼筋使得構(gòu)件承載力增大，延性降低。試驗(yàn)將600 MPa鋼筋應(yīng)用在結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的矩形柱中，并在此基礎(chǔ)上增加了與現(xiàn)常用鋼筋型號(hào)的對(duì)比，并增加縱筋配筋率的影響因素。結(jié)果表明，增加配筋率雖可提高承載力，但極限位移減小，殘余剛度增大，耗能能力降低，建議對(duì)配置高強(qiáng)鋼筋的縱筋配筋率加以限制。