高強箍筋約束高強混凝土柱軸壓性能

王小東，張啟志，徐 健

(1. 駐馬店市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站,駐馬店463000;2. 黃淮學(xué)院，駐馬店463000; 3. 駐馬店市順達建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司,駐馬店463000)

隨著我國建筑工業(yè)和建筑材料的快速發(fā)展，高強度混凝土和高強度鋼材不斷被研發(fā)出來并逐漸應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑中[1]。對具有高烈度抗震設(shè)防區(qū)域，如何將高強建筑材料應(yīng)用于鋼混結(jié)構(gòu)中，并最大限度減小或避免地震時框架結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞已成為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)注的重點[2]。這主要是因為鋼混結(jié)構(gòu)建筑在地震作用時，普通強度鋼筋不能對結(jié)構(gòu)件形成有效約束，并使傳統(tǒng)方箍結(jié)構(gòu)形式的鋼混構(gòu)件過早破壞而導(dǎo)致抗震性能較差[3-4]。近年來，隨著高強鋼材的開發(fā)與應(yīng)用，將高強箍筋應(yīng)用于鋼混結(jié)構(gòu)并采用復(fù)合箍筋形式對混凝土進行約束，已望成為提升鋼混結(jié)構(gòu)承載力和延性性能的有效手段。目前，通過高強箍筋與高強混凝土的使用及箍筋形式的優(yōu)化來增強鋼混結(jié)構(gòu)試件的軸壓性能[5]，充分發(fā)揮高強箍筋和高強混凝土的優(yōu)勢方面的報道仍然較少，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)的作用規(guī)律也不清楚[6-7]。

在城市建筑固體廢棄物總量不斷提升和節(jié)能環(huán)保意識不斷提升的背景下，如何將建筑固體廢棄物進行資源化利用并代替普通混凝土形成鋼管再生混凝土[8]，是非常值得研究的課題。實際應(yīng)用過程中，與天然骨料混凝土相比，再生骨料混凝土?xí)诹W(xué)性能和耐久性能上有所降低，而鋼管再生混凝土則由于鋼管的密封性而使耐久性及對核心混凝土的約束作用得到不同程度的改善[9-10]，這方面的研究將有助于建筑固體廢棄物在實際建筑工程中的應(yīng)用。然而，直到目前為止，在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下衍生出來的鋼管再生混凝土的研究多集中在鋼管再生混凝土短柱的受壓性能方面，對破壞形態(tài)和軸壓性能影響，尤其在高強箍筋約束條件下的研究較少[11]。

本文開展了高強箍筋、高強混凝土及箍筋形式對高強箍筋約束高強混凝土短柱破壞形態(tài)和軸壓性能影響研究。

1材料與試件制備

1.1試件設(shè)計

共設(shè)計了11組高強箍筋約束高強混凝土試件，試件參數(shù)如表1所列。

表1 高強箍筋約束高強混凝土試件參數(shù)Tab.1 Parameters of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

其中，配箍形式1為內(nèi)圓外方(10組)；配箍形式2為內(nèi)菱外方(1組)；混凝土強度設(shè)計分為C45、C50和C55 3種；箍筋屈服強度分為405，625，785 MPa 3種；箍筋間距分為60，70 mm 2種。高強箍筋約束高強混凝土試件的尺寸及配筋圖如圖1所示。箍筋為Φ=7 mm的預(yù)應(yīng)力鋼筋；縱向鋼筋為Φ=12 mm的8根HRB400熱軋鋼筋；保護層厚度設(shè)計為25 mm；混凝土柱的上下部分設(shè)置有箍筋加密區(qū)，間距為30 mm。

1.2材料性能

采用木模立式澆筑的方式制備高強箍筋約束高強混凝土試件，其中，混凝土原料包括P42.5普通硅酸鹽水泥、石灰石(最大粒徑小于20 mm)、河沙、自來水、優(yōu)質(zhì)粉煤灰、硅灰和西卡325C型減水劑。混凝土的配合比和力學(xué)性能如表2列，混凝土試件的養(yǎng)護方式選用蒸汽養(yǎng)護[8]。混凝土的力學(xué)性能測試為3個100 mm×100 mm×100 mm試件的平均值，其中，fcu,100為抗壓強度平均值；fc為軸心抗壓強度換算值；Ec為混凝土彈性模量[9]。

1.3試驗方案

采用ZCYJ-W10000kN型微機控制電液伺服壓剪試驗機進行加載，并用TDS-540型靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀對加載過程中的變形和應(yīng)變數(shù)據(jù)進行采集，軸向壓力由力學(xué)傳感器采集。每組試件加貼8個應(yīng)變片，如圖2所示。圖3為高強箍筋約束高強混凝土試件的測量裝置示意圖。圖3中，1為壓剪機；2為頂板；3為加固用碳纖維復(fù)合材料；4為軸壓試件；5為螺紋桿；6為位移計夾具；7為徑向位移計；8為軸向位移計。初始加載階段，利用前述的鋼筋和混凝土的力學(xué)性能估算柱體峰值承載力[10]，根據(jù)GB/T 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》進行預(yù)加載和加載，加載速率為100 kN·min-1，當試件的荷載達到峰值荷載的50%后，轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰瓶刂疲O(shè)定上升段和下降段速率分別為0.5， 0.1 mm·min-1。

圖1 高強箍筋約束高強混凝土試件的尺寸及配筋Fig.1 Size and reinforcement of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

表2 混凝土的配合比和力學(xué)性能Tab.2 Mix proportion and mechanical properties of concrete

(a)Scenario 1

(b)Scenario 2 圖2 高強箍筋約束高強混凝土試件的鋼筋應(yīng)變片布置圖Fig.2 Arrangement of steel strain gauge of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

圖3 高強箍筋約束高強混凝土試件的測量裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of measuring device of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

2試驗結(jié)果與分析

表3為高強箍筋約束高強混凝土試件破壞過程的試驗現(xiàn)象匯總，包括破壞時的裂縫形狀、開裂時對應(yīng)荷載、保護層剝落時對應(yīng)荷載、峰值荷載和出現(xiàn)箍筋拉斷時荷載。開裂時，對應(yīng)荷載和峰值荷載最小的是1#試件，最大的是9#試件；保護層開始剝落對應(yīng)載荷最小的是1#試件，最大的是7#試件；出現(xiàn)箍筋拉斷時，荷載最小的是5#試件，最大的是2#試件；高強箍筋約束高強混凝土試件的核心混凝土的裂縫形狀主要為H型和N型，破壞形態(tài)都為柱狀壓壞。

表3 高強箍筋約束高強混凝土試件破壞過程的試驗現(xiàn)象Tab.3 Failure process of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

圖4為2#/3#試件軸壓破壞過程中的典型形貌特征。

(a)2#-cracking pattern

(c)3#-cracking form

(d)3#-core concrete failure

(e)3#-fracture of outer stirrup

(f)3#-fracture of inner stirrup圖4 2#/3#試件軸壓破壞過程中的典型形貌特征Fig.4 Typical morphology characteristics of specimens 2# and 3# during axial compression failure

軸壓過程中，2#/3#試件的破壞都經(jīng)歷軸向變形隨荷載線性增長的彈性階段(此時柱身伴隨有輕微聲響)、彈塑性階段和屈服階段[11]。由圖4(a)可見，當軸向力加載至約70%峰值荷載時，3#試件的柱體下部出現(xiàn)了寬度小于0.5 mm的裂縫；由圖4(b)可見，隨著軸向力繼續(xù)增加，柱身周邊豎向裂縫開始增多并呈對稱分布特征，局部出現(xiàn)混凝土剝落；由圖4(c)可見，當軸向力加載至80%峰值荷載時，柱身主裂縫寬度增大(約2 mm)并貫穿成一條主裂縫，保護層混凝土的裂縫演變成H型，而2#試件出現(xiàn)第一條裂縫后會在柱身產(chǎn)生貫穿的斜裂縫并演變?yōu)镹型；由圖4(b)和圖4(d)可見，隨著軸向力繼續(xù)加大，2#和3#試件柱體的保護層逐漸剝落并伴隨有“噼啪”聲，核心混凝土開始出現(xiàn)破壞，且與3#試件相比，2#試件的內(nèi)部箍筋斷裂更早，3#試件在軸向力降低至峰值荷載90%時發(fā)生斷裂；由圖4(e)和圖4(f)可見，隨著軸向變形和位移的繼續(xù)增大，核心混凝土逐漸出現(xiàn)多條縱向裂縫并伴隨有箍筋拉斷的響聲，此時荷載曲線降幅較為明顯；當荷載降低至峰值荷載50%以下時停止試驗，核心混凝土仍較完整，外部方箍在軸壓作用下被撐圓。其他9組高強箍筋約束高強混凝土試件的破壞形態(tài)也都為柱狀壓壞，試驗結(jié)束后核心約束混凝土較為完整，復(fù)合箍筋的約束效果較好。

圖5為試件的荷載-軸向應(yīng)變曲線。表4為試件的軸壓性能測試結(jié)果，分別列出了11組試件的軸壓承載力Nt、核心混凝土峰值壓應(yīng)力σcc和峰值壓應(yīng)變εcc及核心混凝土極限壓應(yīng)力σcu和極限壓應(yīng)變εcu[12]。

(a)Stirrup ratio spacing

(b)Stirrup strength

(c)Concrete strength

(d)Stirrup form圖5 試件的荷載-軸向應(yīng)變曲線Fig.5 Load axial strain curve of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

表4 試件的軸壓性能Tab.4 Axial compressive properties of high strength concrete specimens

由圖5可見，隨著軸向應(yīng)變的增加，11組試件在到達峰值荷載后都未出現(xiàn)荷載迅速降低的特征，而是出現(xiàn)了荷載平臺。這主要是由于峰值荷載后高強箍筋仍對核心混凝土具有較好的約束作用[13]，使試件具有較好的承載能力和延性。由表4可知，對比3#和4#、7#和8#不同箍筋間距和箍筋配箍率的試件，箍筋間距越小，試件的Nt，σcc，εcc，σcu，εcu越高，即減小箍筋間距有助于提高試件的極限承載力；對比2#，3#，5#不同箍筋強度的試件可知，箍筋強度越大，試件Nt，σcc，εcc，σcu，εcu越高，即增加箍筋強度有助于提高試件的極限承載力；對比1#，3#，7#不同混凝土強度的試件可知，混凝土強度越大，試件的Nt，σcc越大，即增加混凝土強度有助于提高試件的極限承載力；對比3#，11#不同配箍形式的試件，內(nèi)圓外方試件的Nt，σcc，εcc，σcu，εcu都要高于內(nèi)菱外方的試件，即內(nèi)圓外方的箍筋方式有助于提高試件的極限承載力。

表5為試件的約束效果提升系數(shù)測試結(jié)果。

表5 高強箍筋約束高強混凝土試件的約束效果提升系數(shù)Tab.5 Improvement coefficient of restraint effect of high strength stirrups on high strength concrete specimens

其中，Kc，Ks，Ku可表示為[14-15]

(1)

(2)

(3)

其中，fco和εco分別為素混凝土軸心抗壓強度和峰值壓應(yīng)變；fcc為約束混凝土峰值應(yīng)力；εcou為素混凝土的極限壓應(yīng)變[13]。

由表5可知，對比3#和4#，7#和8#不同箍筋間距的試件，箍筋間距越小，試件的Ks，Kc，Ku越大，即減小箍筋間距可增加峰值應(yīng)變，提升高強箍筋對混凝土的約束效果；對比2#，3#，5#不同箍筋強度的試件可知，箍筋強度越大，試件的Ks，Kc，Ku越高，即增加箍筋強度有助于增加箍筋對核心混凝土的約束效果[16]，提高試件的延性；對比1#，3#，7#不同混凝土強度的試件，試件的Ks，Kc，Ku都隨著混凝土強度升高而先增加后減小，素混凝土強度為C50時提升系數(shù)最大，雖然，更高強度混凝土試件的承載力更高，但脆性也更大、受壓膨脹率更小[17]，高強箍筋約束混凝土柱的作用也會減弱；對比3#，11#不同配箍方式的試件可知，內(nèi)圓外方試件的Ks，Kc，Ku都要高于內(nèi)菱外方試件，這主要是因為內(nèi)圓外方箍筋具有更大的核心混凝約束區(qū)面積，增強了對核心混凝土的約束作用[18]。綜合而言，減小箍筋間距、提升箍筋強度和采用內(nèi)圓外方箍筋方式都有助于提升試件的承載力并增加延性，從而增強框架柱結(jié)構(gòu)在地震載荷作用下的可靠性。

3結(jié)論

1)11組試件的核心混凝土的裂縫形狀都為H型或N型，破壞形態(tài)都為柱狀壓壞；當荷載降低至峰值荷載50%以下停止試驗時，核心混凝土仍較完整，外部方箍在軸壓作用下被撐圓。

2)箍筋間距越小或箍筋強度越高，試件的Nt，σcc，εcc，σcu，εcu都越大；混凝土強度越大，試件的Nt，σcc越大；內(nèi)圓外方試件的Nt，σcc，εcc，σcu，εcu都要高于內(nèi)菱外方的試件。減小箍筋間距、增加箍筋強度和混凝土強度都有助于提升試件的極限承載力，且內(nèi)圓外方試件的極限承載力要高于內(nèi)菱外方試件。

3)箍筋間距更小和箍筋強度越高，試件的Ks，Kc，Ku越大；試件的Ks，Kc，Ku都隨著混凝土強度的升高而先增加后減小，素混凝土強度為C50時提升系數(shù)最大；內(nèi)圓外方試件的Ks，Kc，Ku都要高于內(nèi)菱外方試件。減小箍筋間距、增加箍筋強度和采用內(nèi)圓外方箍筋形式都有助于提升試件的約束效果。