区域约束混凝土轴心受压中长柱试验研究

王晓斌

(贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550001)



区域约束混凝土轴心受压中长柱试验研究

王晓斌

(贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550001)

区域约束混凝土柱是在钢筋约束混凝土研究的基础上提出的一种新概念。区域约束混凝土柱改变了约束的机制，将传统的整体约束变为整体约束与区域约束相结合，它有效地提高了约束区域的混凝土柱强度及延性，使得区域约束混凝土具有与普通约束混凝土不同的受力特性及破坏特征。利用区域约束，在有效提高混凝土强度的同时，可以使柱的变形能力更强，从而提高结构的抗震性能及安全度。

区域约束混凝土；约束机制；力学性能；破坏形态；抗震性能

约束混凝土研究旨在：在最需要的地方设置约束钢筋。将约束钢筋集中布置在受压或剪压区，以便更有效地提高该区域混凝土的强度及延性；以合理的方式布置约束钢筋。有效的约束是由混凝土、纵向钢筋及横向箍筋共同实现的，纵向钢筋的配置，横向箍筋的形态及配箍率，钢筋的强度与混凝土强度的比值都影响到约束的效果，因此，需要有合理的配置[5-8]。

区域约束混凝土是这样实现的：将构件截面划分为若干小的区域，并在受压区域设置由纵向钢筋、横向箍筋组成的钢筋笼，而各个区域又由区域约束或普通箍筋连接起来，从而形成整体与区域约束结合的约束形式。区域约束混凝土柱子的配筋图见图1。

图1　区域约束混凝土柱

由于配置或不配置区域约束钢筋及区域约束钢筋量配置的不同，使得各个区域的受约束程度不同。柱子在Ⅰ区(阴影范围)，由于截面周边箍筋量比Ⅱ区多，因此Ⅰ区的约束程度比Ⅱ区大，可以把其视为强约束区，相应的，Ⅱ区为弱约束区。 区域约束是与整体约束相对应的。比较图2中区域约束(图2a)及全截面约束(图2b)，对于偏心受压柱子，当阴影部分为受压区时，可以看见，同样的约束箍筋配箍量，区域约束会有更强的约束效果。

图2　区域约束与整体约束示意图

区域约束混凝土在不显著提高配筋率、配箍率及增加施工难度的情况下有效提高了约束区混凝土的强度及延性。由于采用区域约束的方法，使得构件及截面的不同区域有不同的约束强度及延性，因此，合理利用这些性质可以改变构件的受力性能，以获得期望的力学效果，本文仅对轴心受压中长柱进行试验研究。

1　试验模型

为研究两种箍筋形式对约束混凝土柱的轴心受

力情况的影响，共制作试件3个，其中普通约束混凝土柱1个，区域约束混凝土柱2个，试验采用了截面为180 mm×180 mm，高度为1 400 mm的中长柱，混凝土强度等级为C30，箍筋直径取6，为保证配筋比率大致相等，普通约束混凝土纵筋直径取12，区域约束混凝土纵筋直径取10。

RCC柱箍筋采用小矩形箍筋和大矩形箍筋相结合，全部纵筋与箍筋共同工作，整体上是一个大柱，4个矩形箍筋分别配置在柱子四边,将整个截面划分成四个区域。箍筋与相应区域纵筋共同工作，又分别形成四个小柱，称为区域约束混凝土柱。

所有构件的混凝土等级都为C30，测到的实际混凝土强度等级为25.9。纵筋和箍筋的屈服强度值分别为400 MPa和360 MPa，见表1～3。

表1　试件主要强度参数

表2试件编号及配筋表

柱子编号截面型式纵筋(Ⅲ级)箍筋S(Ⅰ级)备注CC-1121231Φ6C30混凝土RCC-1161030Φ6C30混凝土RCC-2161029Φ6C30混凝土

表3　试件截面及配筋

2　试验现象

2.1普通约束混凝土试件的试验全过程和试验现象

CC-1是普通约束混凝土试件，箍筋间距为50 mm，CC-1裂缝出现得很早，在40～50 t之间柱端就出现了裂缝。在60～70 t之间，表层混凝土开始脱落，并很快退出工作，荷载增加到10～11 t之间，柱中部的挠度增加迅速，混凝土出现明显的竖向裂缝，当达到峰值荷载不久，纵筋开始屈服，荷载下降很快，最后试件破坏。

从CC-1破坏形态可以看出其破坏形态与中长柱的破坏形态很相似：柱在加载初期就开始产生侧向挠度，并且侧向挠度随着荷载的增加基本上呈线性增长。当荷载加至极限荷载的70%以后，柱的挠度随荷载开始偏离线性关系；当荷载将要达到极限荷载时，柱的侧向挠度急剧增大，最终由于侧向挠度急剧增加丧失稳定而破坏。另外，在试验中，为防止柱子端头发生局部承压破坏，采用柱端头加密并焊接一块钢板，能有效地防止构件端头因局部承载力不足而造成的局压破坏，是一种有效、简单、便捷的加固方法。

2.2区域约束混凝土试件的试验全过程和试验现象

为保证柱子的配筋率大致相等，RCC-1的箍筋间距为55 mm，RCC-2的箍筋间距为60 mm，RCC-1和RCC-2比CC-1裂缝出现得晚，在60～70 t之间才出现裂缝。裂缝发展也慢一些，在90 t 的时候，表层混凝土才开始脱落并退出工作。达到峰值荷载后，荷载下降较快，纵筋开始屈服，最后试件破坏。

从RCC-1和RCC-2的破坏形态，可以看出其破坏形态与CC-1的破坏形态差别很大：在试件的中部有明显的破坏裂缝，纵筋鼓曲，混凝土压碎。这说明，区域约束混凝土试件的受力机理发生了改变，在约束弱的部位即试件中部先破坏，把试件分成了四个小柱，最后混凝土压碎破坏。

从普通约束混凝土试件和区域约束混凝土试件的试验现象可以得到如下结论：在加荷初期，区域约束和普通约束柱现象大致相同。大约在50～60 t时，区域约束柱和普通约束柱都在中部和角部出现裂缝，区域约束柱比普通约束柱稍早。这是因为区域约束柱的钢筋比较复杂，影响了外围混凝土的浇筑质量，且削弱了内外混凝土的结合。随着荷载的增加，裂缝数量和宽度不断发展，并大约在60 ～70 t之间，表层混凝土开始脱落。总的说来：荷载较小时，柱的全截面处于弹性阶段，挠度随荷载的变化基本上是线性的，随着荷载的增大，柱截面的一部分将进入弹塑性阶段，曲线开始弯曲。当加荷接近极限荷载时侧向挠度突然增大，表明柱进入纵向屈曲阶段，最终因偏压承载力不足而破坏。由于柱缺陷等因素具有随机性，未施加荷载前不知其发生纵向弯曲的方向，但一旦施加荷载，发生纵向弯曲的方向已基本确定，因此强约束混凝土配筋柱的稳定问题实际上是一种极值点稳定问题。

在达到各自的峰值荷载后，区域约束和普通约束柱的现象开始不同。对于约束较小的普通约束柱CC-1，它们达到峰值荷载后，变形发展很快，承载力下降也很快，纵筋失稳，混凝土大块脱落，最后纵筋压屈，试件破坏。对于区域约束混凝土柱，基本和普通约束混凝土相似，只是由于对混凝土的约束能力比普通强，因此，区域约束混凝土的二阶效应没有普通混凝土的二阶效应明显，纵筋屈服稍晚，构件的承载力比普通的提高些。

3　区域约束混凝土中长柱受力机理分析

柱子承载力为：

P=PS+PC

式中:PS为纵向钢筋对承载力的贡献;

PC为混凝土及箍筋对承载力的贡献。

由PC产生的应力表示为PC/Ac，将其除以约束混凝土强度fcc并与应变εCC的比值建立关系，通过回归分析，寻找适合的关系曲线，可以得到应力应变关系模型，其表达式为

柱应力应变模型见图3。

就普通约束混凝土而言，轴心受力时的应力应变关系为O-A-B段，没有水平发展阶段，这是区域约束混凝土与普通约束混凝土最大的区别。

图3　柱应力应变关系模型

4　结　语

1)区域约束混凝土柱有效地提高了混凝土强度、延性及抗震性能，同样条件下能得出比普通混凝土更高的承载力，以体现区域约束混凝土的优越性。

2)通过调整各约束区域的约束强度，可以获得期望的破坏形态，从而获得理想的耗能机制，提高结构抗震性能。

3)区域约束混凝土柱施工简单，有利于推广使用。

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Experimental Study on the Middle Long Concrete Column under the Range Constraint which has Axial Compression

WANGXiaobin

2016-06-20

王晓斌(1979—)，男，江苏姜堰人，讲师，从事混凝土性能研究工作。

TU375.3

A

1008-3707(2016)10-0001-03