配置CRB600H級箍筋混凝土柱抗震性能試驗研究

李國楨 朱愛萍 翟 文 趙 勇，*

（1.同濟大學土木工程學院，上海 200092；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；3.安陽合力創科冶金新技術股份有限公司，安陽 455000）

0 引 言

高強箍筋可以有效提高框架柱的變形性能和耗能能力[1-5]。CRB600H是一種中高強的高延性冷軋帶肋鋼筋，由熱軋低碳盤條鋼筋經過冷軋后經回火處理而成，加工使得鋼筋有屈服臺階，抗拉強度提高至600 MPa，且具有較高的延性[5]。將其用作框架柱的約束箍筋，具有良好的經濟性，符合推廣高強鋼筋的國家政策要求。然而，《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）[6]和《高強箍筋混凝土結構技術規程》（CECS 356：2013）[7]中未包含冷軋帶肋鋼筋，而行業標準《冷軋帶肋鋼筋混凝土技術規程》（JGJ 95—2011）[8]也未給出冷軋帶肋鋼筋作為約束箍筋的專門規定，一定程度上限制了冷軋帶肋鋼筋在建筑工程中的推廣應用。國內有學者對配置CRB400、CRB550級冷軋帶肋箍筋混凝土柱的抗震抗彎性能開展研究，其中關萍等[2]對高強混凝土壓彎構件進行了在反復荷載作用下的試驗，表明高軸壓比、高配箍率下的CRB400箍筋柱具有很好的延性；王浩等[3]進行了6根配置LL550冷軋帶肋箍筋的高強混凝土柱的抗震性能試驗，表明在高強混凝土柱中使用CRB550箍筋可以有效地改善柱的延性；關柱良[4]對32個鋼筋混凝土柱試件進行低周反復水平荷載作用下的擬靜力試驗，表明CRB550級鋼筋能按等強原則代替HPB235和HRB335級鋼筋作為箍筋使用。另外，郝欣等[9]對配置CRB600H高強箍筋混凝土柱的抗剪抗震性能進行研究，認為配箍特征值較高的試件，其抗剪承載力和變形能力較強。但對于配置CRB600H箍筋混凝土柱的抗震抗彎性能目前尚缺少研究。本文通過8個鋼筋混凝土柱試件的擬靜力試驗進一步研究CRB600H箍筋框架柱的抗震性能，并提出基于位移性能的柱端箍筋加密區最小配箍特征值的取值建議，可為相關標準的修訂提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗設計了6個CRB600H級箍筋（DRH）凝土框架柱試件（CRC-1～6）和2個HRB500級箍筋（D）混凝土柱試件（DBC-1～2），考慮了軸壓比、縱筋配筋率、配箍特征值等參數的影響。試件的主要參數見表1，其中n0為試驗軸壓比；nd為設計軸壓比，取nd=2.15n0；fcu0為與試件同條件養護試塊的混凝土立方體抗壓強度；fc0為混凝土軸心抗壓強度，取fc0=0.76fcu0；fcd為混凝土強度設計值，取fcd=0.48fcu0；ρs為體積配箍率；λv0為配箍特征值試驗值，取λv0=ρsfy0/fc0；λvd為配箍特征值設計值，取λv0=ρsfy/fcd；fy為屈服強度設計值，取γsfy=fy0；γs為鋼筋材料分項系數，取γs=1.15。鋼筋力學性能實測值見表2，其中fy0和fb0分別為實測鋼筋屈服強度和抗拉強度，Es為彈性模量，δ為在最大力下的總伸長率。試件的幾何尺寸、配筋如圖1所示。試件的橫截面尺寸均為400 mm×400 mm，高為1 600 mm，加載點到基礎頂面的距離為1400mm。試件的縱筋（①）均為HRB500E級鋼筋，兩端采用錨固板錨固。通過配置附加架立筋（③）控制箍筋肢距，以滿足規范GB 50010—2010[6]的要求；保護層厚度為40 mm；箍筋的間距均為100 mm。

圖1 試件的幾何尺寸及配筋Fig.1 Dimensions and reinforcement details of specimens

表1 試件設計參數Table 1 Main parameters of specimens

表2 鋼筋力學性能實測值Table 2 Measured values of mechanical properties of reinforcing bars

1.2 加載方案

試驗采用懸臂式加載，如圖2所示。首先，采用2 500 kN豎向作動器對試件柱頂施加豎向預定軸力并保持恒定。然后，采用2 000 kN水平作動器對試件施加水平低周反復荷載。加載過程中，豎向作動器可與水平作動器聯動，從而實現水平跟動。水平加載采用荷載-位移混合控制，首先，加載到0.30Puc（Puc為柱頂極限水平荷載計算值，根據柱底截面偏心受壓承載力推算得到），循環2次后，以0.15Puc為加載步距分級加載，每級循環2次；水平力達到0.75Puc之后，改為位移加載，每級位移增量為5 mm，每級加載循環2次，直至試件的承載力下降至0.85Pu（Pu為柱頂極限水平荷載試驗值）后，停止加載。

圖2 試驗加載裝置及測點布置Fig.2 Test setup and layout of measuring points

1.3 測量方案

位移計布置見圖2。其中，在柱頂加載中心線處和距基礎頂部50 mm處各布置1個位移計F1和F2，以測量柱頂相對基礎頂面的水平位移Δ。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象和破壞形態

加載至約0.35Pu時，在距柱根部200 mm左右，各試件的東、西側面出現水平裂縫。隨著荷載增加，東、西側面的水平裂縫數量增多、寬度增大并貫通，分布較為均勻；加載至約0.60Pu左右時，各試件南、北側面出現斜裂縫，且斜裂縫自上而下向中和軸延伸。

加載至峰值荷載Pu時，CRB600H箍筋柱和HRB500箍筋柱的損傷情況類似；試件東、西側面水平貫通裂縫變寬且根部出現混凝土壓碎，南、北側面柱身斜裂縫增多；n0=0.5的試件的混凝土壓碎區域比n0=0.25的試件的大，且更為嚴重（圖4）。

圖3 破壞時試件南側面的損傷情況Fig.3 Damage on the south side of specimens during destruction

圖4 峰值荷載時部分試件東側面損傷情況Fig.4 Damage on the east side of some specimens at peak load

荷載下降至0.85Pu時，試件達到破壞。此時，試件南側面的損傷情況如圖3所示。由圖3可知，各試件破壞形態相近，根部均有一定范圍的混凝土剝落，但不同軸壓比下，破壞形態有所區別。其中，n0=0.5的試件破壞較突然，在距柱根部四周400 mm范圍內混凝土保護層剝落，而n0=0.25試件僅在距柱根部200 mm范圍內混凝土保護層剝落；配箍特征值較低試件的柱根部混凝土壓碎范圍比配箍特征值較高的試件更大，且斜裂縫數量更多、分布區域更大。

2.2 滯回曲線與耗能

各試件的荷載-位移滯回曲線如圖5所示，由圖可知：

（1）達到屈服荷載前，各試件的滯回曲線形狀細長狹窄，殘余變形較小，曲線包圍的面積小，耗能較少；之后，滯回曲線偏向位移軸，曲線包圍的面積增加，耗能增加；在每級荷載循環下，第2次循環包圍的面積比第1次循環包圍的面積略有減少。

（2）n0=0.25試件的滯回曲線均呈較為飽滿的弓形，而n0=0.5試件的滯回曲線均呈飽滿的梭形。隨著軸壓比增大，各試件的滯回曲線均未出現明顯的捏攏現象。

（3）對比試件CRC-1、CRC-2和CRC-3可知，隨著配箍特征值的增加，試件的滯回曲線包圍的面積變大，說明提高配箍特征值可提高試件耗能能力。

2.3 骨架曲線

各試件的荷載-位移骨架曲線如圖6所示。當骨架曲線不是明顯的三折線時，采用Park法確定試件的屈服荷載Py和位移Δy[10]，并取荷載下降至0.85Pu時的荷載為破壞荷載，相應的位移Δm即為極限位移。各試件在屈服、峰值和破壞等特征點下荷載和位移的試驗結果見表3。由圖6和表3可知：

圖5 試件荷載-位移滯回曲線Fig.5 Load-displacement hysteretic loops of specimens

圖6 試件骨架曲線Fig.6 Load-displacement skeleton curves of specimens

表3 試件特征點試驗結果Table 3 Test results of specimens at characteristic points

（1）對比試件CRC-2、CRC-4、CRC-5及CRC-6可知，配置CRB600H高強箍筋試件的骨架曲線和剛度退化規律與普通試件一致，軸壓比較小、縱筋配筋率較高的試件各特征點位移較大。

（2）對比試件CRC-1、CRC-2、CRC-3及DBC-1可知，隨著配箍特征值增大，試件的極限承載力增大，破壞時的極限位移也隨之增大。說明提高配箍特征值可提高試件的抗彎承載力和變形能力。

2.4 位移延性性能

各試件的位移延性系數和極限位移角的計算結果如表3所示，其中，Δm為峰值荷載對應的位移；Ru為極限位移角，取Ru=Δm/l（l為加載中心線到基礎頂面的距離）；μ為位移延性系數，取μ=Δm/Δy。由表3可知：

（1）各組試件的位移延性系數在3.66～4.51之間，極限位移角在1/34～1/29之間，表現出良好的位移延性。

（2）對比試件CRC-2、CRC-4、DBC-1和DBC-2可知，配箍特征值、軸壓比相同的情況下，配置CRB600H箍筋與配置HRB500箍筋的試件之間，極限位移角和位移延性系數并沒有顯著差異。

（3）對比試件 CRC-1、CRC-2、CRC-3、DBC-1可知，軸壓比和配筋率相同的情況下，提高配箍特征值，極限位移角和位移延性系數呈現增大的趨勢。說明提高配箍特征值可提高試件的延性和變形能力。

（4）對比試件CRC-2和CRC-5、試件CRC-4和CRC-6可知，對于配置CRB600H高強箍筋的混凝土柱，提高軸壓比，承載力隨之提高，但是位移延性系數降低，極限位移角減小。

2.5 承載力分析

從各試件破壞過程可以看出，在達到峰值荷載時，各試件表現出正截面受彎破壞的特征。各試件峰值承載力的試驗值Put和計算值Puc見表4。其中，承載力的計算值Puc是根據規范GB 50010—2010[6]，按偏心受壓構件計算的正截面承載力推算得到的柱頂水平力；Put取正反方向承載力平均值。計算時，鋼筋屈服強度fy0按表2取值，混凝土軸心抗壓強度fc0按表1取值。由表4可知：

表4 峰值承載力試驗值和計算值Table 4 Test and calculated values of peak bearing capacity

（1）試件承載力的計算值均比試驗值小，Puc/Put的平均值為0.81，具有一定的安全儲備。

（2）對比試件CRC-1至CRC-3和DBC-1，可知，試驗承載力Put隨著配箍特征值的增大而增大。說明配置高強箍筋可以提高試件的承載力，且隨著配箍特征值增大，承載力提高的幅度也有所增大。考慮冷軋帶肋箍筋約束作用混凝土柱正截面極限承載力計算方法值得進一步研究。

3 基于位移的冷軋帶肋箍筋混凝土柱抗震設計方法

國內外學者對鋼筋混凝土框架柱提出了基于位移性能的設計方法[11-13]。文獻[11][13]收集了大量框架柱的試驗資料，并分析軸壓比和配箍特征值對矩形框架柱位移性能的影響。結果表明：位移延性系數、極限位移角可用軸壓比和配箍特征值表示。

文獻[3]和[4]分別完成了6根和13根冷軋帶肋復合箍筋柱的抗震性能試驗。結合本文的試驗結果，共得到25組配置高強冷軋帶肋箍筋柱的延性性能試驗數據。利用這些試驗數據，可分析回歸出試驗柱的極限位移角Ru、位移延性系數μ與軸壓比nd、配箍特征值λvd的關系式。然后基于位移性能的設計方法，給定位移延性系數和極限位移角限值，可求出相應于軸壓比的最小配箍特值。

3.1 CRB600H箍筋屈服強度設計值取值建議

按 JGJ 95—2011[8]，CRB600H 鋼筋屈服強度的標準值和設計值分別取為520 MPa和415 MPa，對應的材料分項系數為520/415=1.25。但GB/T 13788—2017[4]已將CRB600H的屈服強度標準值提高至 540 MPa。GB 50010—2010[6]中鋼筋材料分項系數最高為1.15，與歐洲EN1992-1-1：2004[14]的一致。對用作約束箍筋的CRB600H和CRB550鋼筋，建議適當降低其材料分項系數，即取γs=1.15，對應的鋼筋強度設計值分別為450 MPa和435 MPa。

3.2 軸壓比和配箍特征值的試驗值與設計值關系

3.2.1 軸壓比

相關文獻對試驗軸壓比n0和設計軸壓比nd的轉化關系進行了分析，但并未取得統一結論。其中，文獻[3]、[15]、[16]和[17]認為n0/nd為 1.63、1.70、1.68 和 2.0。此外，規范 GB 50068—2018[18]對荷載分項系數進行了調整，n0和nd的轉化關系也需進行相應的調整。

根據 GB 50010—2010[6]，若不考慮地震作用產生的軸力時，框架柱的設計軸壓比可表達為

式中：Nd為軸向壓力設計值；NGK為永久荷載作用產生的軸力標準值；NQK為可變荷載作用產生的標準值；fcd為混凝土軸向抗壓強度設計值；A為柱的全截面面積；γG、γQ分別為永久荷載分項系數和可變荷載分項系數，分別取為 1.3和1.5[21]。

框架柱的試驗軸壓比可表達為

式中：Nt為試驗軸向壓力；NGK為永久荷載標準值；NQK為可變荷載標準值；fc0為混凝土軸心抗壓強度；A為柱的全截面面積。

根據 GB 50010—2010[6]，可知fcd=0.88fc0/1.4，令k=NGK/NQK，從而有：

參考文獻[15]，取k=3.0時，可得nd/n0=2.15。

3.2.2 配箍特征值

根據 GB 50010—2010[6]，框架柱的配箍特征值的設計值λvd和試驗值λv0可分別表達為

從而有

式中：γc為混凝土材料分項系數，取γc=1.4；γs為鋼筋材料分項系數，取γs=1.15。可得λvd/λv0=1.38。

3.3 延性性能與配箍特征值、軸壓比之間的關系

由文獻[13]可知，Ru與λvd成正比，與and+b成反比；μ與成正比，與and+b成反比。由此得到冷軋帶肋復合箍筋混凝土柱的極限位移角Ruc和位移延性系數μc的計算公式：

按式（7）和式（8）的計算值和試驗值對比如圖7所示。由圖7可以看出，二者符合較好，其中，Ruc、μc的變異系數分別為0.22、0.20。

圖7 極限位移角和位移延性系數試驗值與計算值比較Fig.7 Comparison between experimental and calculated values of ultimate displacement drift and coefficient of displacement ductility

3.4 冷軋帶肋箍筋最小配箍特征值的取值建議

GB 50010—2010的配箍特征值是根據日本及我國完成的鋼筋混凝土柱抗震延性性能系列試驗按位移延性系數不低于3.0的標準給出的[6]。因此，可將μc≥3.0作為基本性能要求之一。Ruc取為0.025、0.020和0.015時，按照式（7）可得相應的配箍特征值需求，如表5所示。本文建議和50010—2010[6]要求的比較如圖8所示。由圖8可知：①與規范 GB 50010—2010[6]相比，在軸壓比nd＜0.4時，本文建議的λvd取值均大于或等于規范50010—2010[6]一級抗震的要求；②在nd＜0.9 時，本文建議的λvd取值均大于或等于50010—2010[6]二級抗震的要求；當nd≥0.9時，本文三種性能要求對應的建議取值略大于規范的一、二、三級抗震要求。

圖8 最小配箍特征值取值比較Fig.8 Comparison of minimum characteristic values of stirrups

表5 冷軋帶肋箍筋框架柱箍筋加密區最小配箍特征值Table 5 Minimum characteristic value of stirrup in the densified zone of cold rolled ribbed stirrup frame column

4 結 論

（1）配置高強箍筋的試件均呈現柱根部正截面受彎破壞，具有較好的延性性能；隨著配箍特征值的提高，箍筋對混凝土的約束作用隨之增強，試件的變形性能、耗能能力和極限承載力有所提高。

（2）通過對規范的對比分析，建議CRB550和CRB600H高強鋼筋作為約束箍筋時，材料分項系數γs取1.15，對應的強度設計值分別為435 MPa和450 MPa。該建議有待通過可靠度分析進一步的驗證和確認。

（3）分析得到了高強冷軋帶肋箍筋混凝土柱的位移延性系數、極限位移角與配箍特征值、軸壓比的關系，與試驗結果吻合較好。

（4）取位移延性系數不低于3.0且分別取極限位移角0.025、0.020、0.015為位移控制目標，提出了基于位移的柱端箍筋加密區最小配箍特征值的取值建議。