高强箍筋约束高强混凝土短柱的力学性能试验研究

潘 翔

(周口师范学院，周口466001)

1 引言

对于多、高层钢筋混凝土框架结构，为满足轴压比限值的要求，往往要求柱截面足够大，或房屋设有错层、夹层、嵌砌于柱间的窗下墙或嵌砌于柱间的翼墙等，容易形成短柱或超短柱。震害表明，由于短柱的刚度变得很大，地震作用下将承担更多的水平力，从而导致短柱发生剪切破坏或剪切粘结破坏的脆性破坏形式。钢筋混凝土短柱的脆性破坏往往是造成钢筋混凝土框架结构破坏甚至倒塌的一个重要因素，在结构设计中如何避免短柱及对短柱进行有效加强以提高其抗震性能是结构抗震设计的重要课题之一[1-2]。短柱出现时，可以通过多种方法和措施来提高短柱的承载力及变形能力，改善其抗震性能，从而避免发生脆性破坏，保证结构安全。许多学者对高强混凝土柱的抗震性能进行了一系列研究[3-5]，表明在高强混凝土中配置高强钢筋做箍筋，一方面使得箍筋能对混凝土起到有效约束作用，以改善高强混凝土的脆性，提高其强度和延性，改善结构的抗震性能，另一方面还可提高钢筋混凝土构件的受剪承载力，同时还可节约钢材。为此，本试验针对高强箍筋高强混凝土短柱的受剪性能，通过低周反复水平加载试验考察高强箍筋约束高强混凝土短柱的破坏破坏过程中的应力应变的变化，以期为以后进一步研究和高强度材料的推广应用提供依据和基础资料。

2 试验材料与研究方法

2.1 试验材料

本次试验的试件共有3组6个，截面尺寸为250 mm×250 mm，柱高为750 mm，剪跨比为λ=1.5，设计的轴压比为0.5，试件形状为工字形，如图1所示。分别采用普通的HRB400级热轧带肋钢筋(A-1，B-1，C-1)和高强热处理钢筋HTB900(A-2，B-2，C-2)，箍筋端部设 135°弯钩，并深入核芯混凝土内部60 mm。纵筋为8根HRB400级热轧带肋钢筋。设计混凝土强度为C50，保护层厚15 mm。试件详细信息见表1。由混凝土标准立方体试块测得的抗压强度平均值为59.27 MPa，由此可得混凝土轴心抗压强度平均值为43.46 MPa。HRB400和 HTB900钢筋经过力学性能测试，平均抗拉强度分别为455 MPa和960 MPa。这里的轴压比指柱的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值，即柱的轴心压力设计值与柱的轴心抗压力设计值之比值。试验变化参数为面积配箍率、箍筋强度、箍筋直径和箍筋间距。三组试件的面积配箍率分别为0.85%、1%和1.34%;箍筋屈服强度为400 MPa和900 MPa两种;箍筋直径共5 mm、6 mm、7mm和8 mm四种;箍筋间距分别为42 mm、46 mm、60 mm 和80 mm，主要为60 mm。

图1 试件尺寸图(单位:mm)Fig.1 Specimen size chart(Unit:mm)

表1 试件详细参数表Table 1 Parameter Table of specimens

2.2 测试方案

加载过程中量测内容主要包括:试件所受的水平荷载;各级荷载下柱顶的水平位移;试件的滑移;箍筋和纵筋的应变值。在试件柱顶设置一个位移计，用来测量柱顶在水平荷载作用下的水平位移;在底座梁端部安装一个水平位移计，以测量试件的整体水平滑移。在底座梁端部安装一个水平位移计，以测量试件的整体水平滑移;在平行于水平加载方向的北侧柱中部沿45°角方向布置2个位移计，用以测量试件开裂后的剪切变形，具体布置位置如图2所示。为了测得箍筋应变，以便了解钢筋应力的变化，在箍筋上沿试件高度布置4道应变片，以一定的间隔隔开，应变片粘贴位置如图3所示。正式加载前，试件先进行物理对中和几何对中，然后预加竖向荷载15%，校正试件和仪器仪表后卸载，隔数分钟后，正式实施加载。首先通过竖向千斤顶施加轴向荷载到预定值，然后保持该荷载不变，由水平作动器施加往复水平荷载。水平荷载根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ 101—96)[6]采用荷载与位移双控制。试验过程中，所有数据均通过TDS-530数据采集仪自动采集，其中水平荷载和水平位移同时传输到XY函数记录仪中，以监测试验过程。

图2 位移计布置图Fig.2 Layout of displacement meter

图3 钢筋应变片布置图(单位:mm)Fig.3 Reinforced arrangement of strain gauges(Unit:mm)

3 试验结果与分析

3.1 破坏过程及形态

各组试件的破坏形态如图4所示，本次试验的试件均发生了剪切粘结破坏，试件的承载力下降至极限承载力的70%以下而发生破坏。各试件的破坏过程大体相似，只是随着箍筋间距和箍筋强度的变化而略有不同。荷载控制阶段，混凝土开裂之前，试件处于弹性工作阶段，其滞回曲线基本重合为一条直线;当水平荷载增加至200～250kN时，在垂直于加载方向的东、西两侧柱顶及柱底受拉区出现了细微的水平裂缝，在平行于加载方向的南、北两侧柱顶及柱底出现了细微的斜向裂缝，同时柱中部出现了细微的竖向裂缝;当水平荷载增加至350kN左右时，试件东、西两侧受拉区形成几条水平通缝，并有新的水平裂缝生成，试件南、北两侧柱顶及柱底的斜向裂缝向柱中部延伸并且角度逐渐增大，同时柱中部的竖向裂缝也不断延伸。水平荷载达到380kN左右时，部分纵筋屈服，加载改为位移控制。各试件最终破坏形态如图4所示。

图4 试件破坏形态Fig.4 Specimen damage pattern

构件在低周反复荷载作用下的滞回曲线是衡量其抗震性能的一个综合表现，滞回曲线越饱满，表明构件的耗能能力越强，延性越好。图5为本试验各个试件的实测柱顶剪力-水平位移滞回曲线。通过对比分析，发现无论普通强度箍筋试件还是高强箍筋试件，它们存在以下共同特点和规律:试件屈服之前，滞回曲线狭窄细长且残余变形很小，包围的面积较小，耗能较小，整体刚度变化不大;屈服之后，曲线开始偏向位移轴，滞回环的面积逐渐增大，耗能逐渐增加，同时每级位移循环下，后两次的承载力和刚度均比第一次略有降低;峰值荷载之后，由于保护层开裂、剥落，试件刚度降低，承载力下降，个别试件下降的较为明显。

比较图中高强箍筋试件(编号DHC)与普通强度箍筋试件(编号DNC)的滞回曲线，可知:箍筋强度和配箍率均对滞回曲线有显著的影响，相同配箍率情况下，采用高强箍筋的试件荷载循环次数明显多于普通强度箍筋试件，滞回曲线饱满，峰值荷载后曲线下降较为缓慢，强度衰减慢，变形能力大，且达到极限位移之后滞回曲线仍较为稳定，承载力没有出现明显的较大幅度的下降，即仍具有一定的承载力和耗能能力;而普通箍筋试件的荷载循环次数少，强度衰减快，变形能力差，极限位移小，试件的延性和耗能能力明显较高强箍筋试件差。因此，采用高强复合箍筋约束高强混凝土短柱，是解决高轴压下高强混凝土短柱脆性破坏的有效措施，可提高高强混凝土短柱在地震作用下的变形能力和耗能能力。

图5 试件的滞回曲线Fig.5 Hysteretic curves of specimens

3.2 应力-应变试验

试验的试件均发生了剪切粘结破坏。针对高强箍筋高强混凝土短柱的受剪性能，得到了6个试件的应力-应变曲线，对试验数据进行了处理，表2列出了6个试件的主要试验结果，其中，εcc表示最大应力对应的峰值应变，ε85表示应力下降到最大应力85%时对应的应变，ε50表示应力下降到最大应力50%时对应的应变。荷载-轴向变形曲线中各点的荷载值由试验实测值测得;轴向变形为测距1275 mm的4个位移计所测变形的平均值。高强箍筋高强混凝土短柱的东南西北四个方向均贴有应变片。应力-应变曲线中的各点应力由荷载值除以各试件的换算混凝土面积得到，换算混凝土面积A0计算如式(1)所示[6]:

式中，A0为换算混凝土截面面积;Ac为试件截面面积;Es为试件中纵筋的弹性模量;Ec为素混凝土的弹性模量;As为试件截面中纵筋的配筋面积。

各点应变为测距1275 mm的各位移计所测得的轴向变形值除以相应的实测测距，再取平均值得到。构件的应力-应变值如表2所示。

由表2中可以看出，与普通箍筋约束柱相比，高强箍筋约束柱的试件的峰值应力得到不同程度的提高，幅度从0.4～9.6 MPa;高强箍筋约束柱的峰值应变也得到了不同程度的增加，幅度在13% ～87%之间;由最大应力对应的峰值应变、最大应力85%时对应的应变及最大应力50%时对应的应变可以看出，试件达到极限承载力前后应变发展较大。

表2 约束混凝土应力应变值Table 2 The value of stress and strain of confined concrete

3.3 普通箍筋与高强箍筋的应力分析

混凝土短柱中箍筋的应力(应变)大小非常重要，因为它说明了箍筋强度的发挥水平、箍筋的约束效率。因此，试验中在柱子中部500 mm高度范围内的箍筋上粘贴了应变片。图6为试件实测箍筋应变与试件侧向位移角之间的关系曲线，图中坐标横轴表示试件侧向位移角，纵轴表示箍筋应变，水平线代表箍筋的屈服应变，两条竖直线分别代表构件达到极限承载力和极限变形。

图6(a)-(f)分别对应试件 A-1、A-2、B-1、B-2、C-1、C-2受剪状态下的应变与位移角间的关系。由图对比可知，对于箍筋约束高强混凝土短柱，侧移角为1.5%时，试件承载力接近峰值点，该过程中相应箍筋应变开始明显增长，当试件承载力达到峰值点时，普通强度箍筋绝大部分已经屈服，而高强箍筋的应变大部分在 0.15% ～0.4%之间，并未屈服;此后，随着试件侧移角进一步增大，箍筋应变增长迅速，当侧移角达到2.5%左右时，普通强度箍筋试件由于绝大部分箍筋屈服从而达到极限状态;由于高强箍筋的强度优势，大部分箍筋达不到屈服，箍筋对混凝土的约束较好，可以有效防止裂缝的开展，提高了短柱的变形能力，当侧移角达到3.5%左右时，试件达到极限状态;极限状态之后，箍筋上的应变片几乎都破坏，无法继续测量。

由以上分析可知，采用高强箍筋约束高强混凝土可以达到比较好的约束效果，高强箍筋的强度优势可以保证箍筋在构件破坏之前不发生屈服，有较高的安全储备。

3.4 纵筋的应力分析

图7为试件部分试件实测纵筋应变与试件侧向位移角之间的关系曲线。图7(a)与图7(b)分别为试件A-1与A-2的应变-位移角曲线。由图可知，当试件承载力接近峰值点时，大部分纵筋的应变在1.0% ～1.5%之间，随着试件侧移角的增加，纵筋的应变逐渐增大，当试件达到极限变形时，纵筋的应变达到2.0%左右，由于试件发生的是剪切粘结破坏，所以纵筋并未屈服。对于配置有高强箍筋的试件A-2，极限变形时的侧移角明显高于配置普通箍筋的试件A-1。在配有相同纵筋的情况下，高强箍筋高强混凝土短柱的极限位移明显大于配置普通箍筋的混凝土柱，变形能力

更强。在提高柱延性方面，箍筋的作用主要是提高抗剪能力，形成约束混凝土从而提高混凝土强度和延性，以及约束纵筋防止其压屈失稳[8-9]。

图6 受剪状态下箍筋应变图Fig.6 Stirrup strain diagram under shear state

图7 纵筋应变图Fig.7 Strain diagram with longitudinal reinforcement

4 结论

(1)与普通箍筋约束柱相比，高强箍筋约束柱的试件的峰值应力和峰值应变都得到了不同程度的提高。

(2)箍筋强度和配箍率均对滞回曲线有显著的影响，相同配箍率情况下，采用高强箍筋的试件荷载循环次数明显多于普通强度箍筋试件，滞回曲线饱满，峰值荷载后曲线下降较为缓慢，强度衰减慢，变形能力大。

(3)用高强箍筋约束高强混凝土可以达到比较好的约束效果，高强箍筋的强度优势可以保证箍筋在构件破坏之前不发生屈服，有较高的安全储备。

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