箍筋約束混凝土柱受壓性能研究

三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院,河南 三門峽472000

隨著建筑工業(yè)和冶金行業(yè)的快速發(fā)展，我國已經(jīng)逐漸提升了建筑用鋼的品質(zhì)和強(qiáng)度等級(jí)，摒棄了傳統(tǒng)HRB255 以及HRB335 等碳素結(jié)構(gòu)鋼的使用，且近年來在建筑用鋼產(chǎn)量與使用量不斷提升的前提下，我國也在不斷追趕世界發(fā)達(dá)國家高強(qiáng)度等級(jí)建筑用鋼的步伐，逐漸開發(fā)出了HRB400、HRB500 以及更高等級(jí)的建筑用鋼。近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法來改進(jìn)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的變形能力，并取得了一定的成績，研究結(jié)果表明，配有高強(qiáng)鋼筋的混凝土柱的抗震性能可以得到提高[1,2]。已有的研究結(jié)果表明，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中配制高強(qiáng)度箍筋或者高強(qiáng)度縱筋等都可以極大提升整體建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能以及強(qiáng)度和延性等，但是關(guān)于高強(qiáng)度箍筋約束高強(qiáng)度混凝土方面的研究報(bào)道則相對較少，具體作用機(jī)理也不清楚[3,4]。在此基礎(chǔ)上，本文通過對比高強(qiáng)箍筋和普通強(qiáng)度箍筋對混凝土的約束作用等，不僅可以對比出高強(qiáng)度箍筋在改善混凝土強(qiáng)度與延性、以及抗震性能方面的優(yōu)勢，還可以為后續(xù)開發(fā)節(jié)約型建筑用鋼提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

為了對比分析箍筋強(qiáng)度、箍筋形式和平均有效約束應(yīng)力等對軸心受壓性能的影響，以高強(qiáng)度箍筋和普通強(qiáng)度箍筋為鋼筋混凝土柱用箍筋，設(shè)計(jì)了6 組約束混凝土棱柱體試件[5]。6 組約束混凝土棱柱體試件的尺寸為150×150×450 mm，使用C40 混凝土。試驗(yàn)過程中所需要考慮的試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)為：（1）箍筋屈服強(qiáng)度：400 MPa 和1100 MPa；（2）箍筋形式：單螺旋箍試件（Type A）和復(fù)合螺旋箍試件（Type B）；（3）箍筋間距：35 mm 和45 mm；（4）體積配箍率ρv：1.07%～3.62%。

6 組約束混凝土棱柱體試件的頭部和尾部都加設(shè)間距15 mm 的長度90 mm 的箍筋加密區(qū)；在鋼筋混凝土試件制備過程中，箍筋端部需要加工彎鉤以加強(qiáng)對混凝土的約束。鋼筋混凝土試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表1（縱筋為Φ12 mm HRB335 鋼筋）。

表1 試件設(shè)計(jì)一覽表Table 1 Parameters of the specimen

在制備過程中，6 組約束混凝土棱柱體試件的制備方式都采用木模板立式振搗澆筑[6]。普通箍筋約束混凝土和高強(qiáng)箍筋約束混凝土試件分別澆筑，成型后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 箍筋屈服強(qiáng)度的影響

圖1 為不同箍筋強(qiáng)度的鋼筋混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖1(a)中高強(qiáng)箍筋約束混凝土試件（HC-1A）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，增加箍筋強(qiáng)度可以使最大應(yīng)力和延性都明顯增加。圖1(b)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可見，普通箍筋的試件在到達(dá)極限承載力下迅速下降，而高強(qiáng)箍筋試件經(jīng)歷了較長時(shí)間才達(dá)到應(yīng)力峰值，且在峰值應(yīng)力后的曲線呈現(xiàn)緩慢下降的特征；對比分析圖1（b）中普通箍筋和高強(qiáng)箍筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，高強(qiáng)箍筋試件具有更高的極限承載能力，且高強(qiáng)箍筋試件延性要明顯高于普通箍筋試件。從圖1(c)和圖1(d)的箍筋約束混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，雖然箍筋的形式不同，但是高強(qiáng)度箍筋約束都可以增加試件的延性；此外，由于在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，高強(qiáng)箍筋的直徑可以更加細(xì)小，從而可以在很大程度上節(jié)省用鋼量，達(dá)到瘦身和增加延性的雙重效果[7,8]。

圖1 箍筋約束混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（箍筋屈服強(qiáng)度）Fig.1 Stress-strain curve of concrete specimen restrained by stirrups(Yield strength of stirrup)

2.2 體積配箍率的影響

圖2 為不同體積配箍率試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖形對比分析可知，對于單螺旋箍試件，當(dāng)箍筋強(qiáng)度為400 MPa 時(shí)，體積配箍率為2.73%試件的極限承載能力和延性都要明顯高于體積配箍率為2.12%試件（圖2a）；當(dāng)箍筋強(qiáng)度為1100 MPa 時(shí)，體積配箍率為1.91%試件的延性也要明顯高于體積配箍率為1.49%試件（圖2b）；當(dāng)箍筋強(qiáng)度為652 MPa 時(shí)，體積配箍率為0.73%試件的延性也要明顯高于體積配箍率為0.52%試件（圖2c）；對于復(fù)合螺旋箍試件，箍筋強(qiáng)度為400 MPa 和1100 MPa時(shí)體積配箍率高的試件的最大應(yīng)力和延性也都高于體積配箍率小的試件。由此可見，在箍筋形式一定前提下，箍筋體積配箍率對試件延性的影響與箍筋強(qiáng)度相似[9]，即都可以一定程度上提升箍筋約束混凝土試件的延性性能；約束混凝土隨著體積配箍率的降低表現(xiàn)出明顯的脆性[10]。此外，從圖2(a)中可以看出，當(dāng)配箍率下降到1.5%左右時(shí)，箍筋并不能對混凝土試件起到良好的約束作用，此時(shí)應(yīng)該作為最低配箍率的配置條件，即為了保證約束混凝土具有足夠的承載能力和延性，限制約束混凝土中的最小體積配箍率是必要的[11,12]。

圖2 箍筋約束混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（體積配箍率不同）Fig.2 Stress-strain curve of stirrup confined concrete specimen stress-strain curve of stirrup confined concrete specimen(Different volume stirrup ratios)

2.3 箍筋形式的影響

圖3 為箍筋約束混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中箍筋形式不同而配箍率相近。當(dāng)體積配箍率在1.91%～1.94%和2.73%～2.76%時(shí)，配置復(fù)合螺旋箍試件的延性要明顯高于配置單螺旋箍試件，且在低體積配箍率（1.91%～1.94%）條件下的復(fù)合螺旋箍試件的極限承載能力明顯較高。綜合而言，箍筋形式對約束混凝土的約束效果會(huì)產(chǎn)生明顯影響，且復(fù)合螺旋箍的約束效果會(huì)相較于單箍更好。

2.4 箍筋間距的影響

箍筋間距是影響約束力大小和縱筋穩(wěn)定性的重要因素[13]。圖4 為不同箍筋間距試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖形的對比分析可知：箍筋間距為35 mm（3 d，d 為縱筋直徑）的試件的極限承載力和延性性能明顯優(yōu)于箍筋間距為45 mm（3.75 d）的試件；隨著間距的增大，箍筋的約束效果減弱，混凝土的脆性性質(zhì)趨于明顯[14]。

圖3 箍筋約束混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（箍筋形式不同）Fig.3 Stress-strain curve of concrete specimen confined by stirrup(Different stirrup forms)

圖4 箍筋約束混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（箍筋間距不同）Fig.4 Stress-strain curve of concrete specimen confined by stirrups(Different stirrup spacing)

3 結(jié)論

（1）體積配箍率增加，軸心受壓條件下約束混凝土柱的極限承載力和延性都呈現(xiàn)提高的特征，建議體積配箍率應(yīng)高于1.5%；

（2）高強(qiáng)箍筋試件具有更高的極限承載能力，且高強(qiáng)箍筋試件延性要明顯高于普通箍筋試件。不同箍筋形式的高強(qiáng)度箍筋約束可以增加箍筋約束混凝土試件的延性；

（3）箍筋間距越小，則體積配箍率越高，縱筋越不易屈曲，約束混凝土的延性性能越好。