低配筋空心短柱承载能力及工程应用研究

郑建安

摘要：文章设计了含4根钢筋的低配筋空心短柱并进行试验研究，分析箍筋间距的变化对构件承载力等力学性能的影响。结果表明：（1）试样在加载前期表现为弹性变形，破坏形式主要分为端部V型破坏或中心剪切破坏;（2）箍筋数量与承载力成正相关，但是当箍筋数量达到一定量时，极限承载力趋于稳定;（3）实际工程可以结合承载能力与材料成本等方面综合考虑箍筋的用量。

关键词：超高性能混凝土;低配筋;空心构件;承载能力;箍筋

0 引言

根據相关研究发现，混凝土等受压构件的抗压强度主要控制因素为材料本身的强度和构件形状特性。材料本身强度的研究在过去几十年已经取得较为显著的成就[1-2]，大跨度和高层建筑促使着超高性能混凝土的快速诞生，其抗压强度在外掺剂等辅助作用下能达到200 MPa以上[3-4]。由于超高性能混凝土具有强度高、延性高等优异的性能，使得其使用范围大幅扩展，在材料性能得到提高的同时，为了节约材料和美化外观，构件的形状也在逐步得到改进[5-6]，如构件越来越轻薄或截面由实心改为空心等。

受传统思想的束缚，超高性能混凝土构件最初的设计形式多为实心状，经过相关研究发现，在钢管超高混凝土实心构件中，减少钢筋和箍筋的用量，并不会影响结构的使用性能，还能节约大量的成本[7-8]。桥梁等建筑中空心截面构件与钢管和FRP等材料结合使用能充分发挥材料的性能[9-10]，且加入较高含量的钢纤维后，材料的延性能得到巨大提升，此时去掉钢套、降低钢筋和箍筋用量不仅不会影响材料性能，还能提高施工的便捷性。

目前对于钢管超高混凝土空心构件，关于减少钢筋和箍筋的用量对构件性能产生的影响研究还很少见，本文设计含4根钢筋的低配筋空心短柱研究箍筋间距的变化对构件承载力等力学性能的影响，为实际工程提供理论支撑。

1 试验设计

1.1 试样设计

用于测量低配筋空心短柱承载力试验采用的空心短柱截面尺寸为200 mm×200 mm、壁厚为30 mm、高度为800 mm，中空段高度为600 mm，两端各有100 mm的含箍筋实心段。试验共设置三组试样，试样的结构参数如表1所示。

为了更加深入地了解低配筋空心短柱的性能，在试验开始之前，对本次试验所用的超高性能混凝土的基本力学性能进行测试。制作3个立方体试样和6个两种尺寸的棱柱体试样分别测量材料的抗压强度、弹性模量和抗折强度，结果显示其抗压强度、抗折强度和弹性模量分别为115 MPa、28 MPa和43 GPa。本次试样所用的材料配比如表2所示。在该配比基础上，加入体积比为2%的钢纤维，其长度为8 mm，直径为0.12 mm。

1.2 试验方案设计

将内外模板和钢筋笼布置好以后进行试样浇筑。钢筋笼是由钢筋和箍筋通过钢丝绑扎而成，试样浇筑完成后，进行常规养护96 h后脱模，继续养护至28 d，在试样轴线位置上贴应变片，用于测量在轴向荷载作用下试样的变形和轴向应变。应变片位置及编号如图1所示。

将试样放置在YAW-10000F压力机上进行抗压试验。根据极限承载力理论计算，设置压力机的档位为5 MN，保证将试样放置在中心后进行预加载，然后进行分级加载，每级荷载大小为10%P（P为极限荷载），加载速率为180 kN·min-1，每级荷载加载时间持续120 s，当加载至90%P时，采用位移控制加载速率，速率设置为0.05 mm·min-1，直到试样完全破坏后停止加载（见图1）。

2 试验结果分析

2.1 破坏过程及应变分析

A1组试样形态在加载到50%P之前基本没有变化，当加载到60%P这一过程中，试样端部出现掉渣和碎屑压缩发声的现象;继续加载至70%P过程中，试样端部开始出现肉眼可见的微小裂纹;当加载到90%P时，裂纹数量明显增多，且逐渐向试样中心竖向扩展;当加载至P时，试样发出爆裂声，压力机读数快速下降，试样端部出现较为明显的V型破坏，如图1所示。这个时候试样虽然明显破坏，但是仍然保持完整性，并未脱落。A2组试样的破坏形态与A1组试样大致相同，区别在于端部出现裂纹的时间相对延后，试样最终破坏时，端部的裂纹数量明显增加。

A3组试样破坏的过程与A1组和A2组试样有所区别，主要在于加载至80%P时，试样的端部和中部偏上一点的位置均出现了许多微小裂纹，当加载至P时，试样中部出现一条较为明显的倾斜裂纹。

三组试样的轴向应变随着荷载的增加而变化的情况如图2所示。从图中可以看出，当加载到达70%P之前，试样的变形主要是弹性变形，当试样破坏时，轴向应变的范围在25×10-3～30×10-3。在相同应变下，A1组试样荷载最小，A3组试样荷载最大，A2组试样居中，说明试样抵抗变形的能力为A3>A2>A1。A3组试样应变片S2和S4的曲线未从原点出发，表明加载开始一段时间后该位置才开始产生变形。

2.2 极限承载力分析

空心短柱混凝土试样承载力P的计算公式如式（1）所示。

将截面面积取为全截面面积时，极限荷载理论计算值为2 342 kN。极限荷载与截面面积之比表示极限应力，三组试样的极限应力试验值与计算值如表3所示。从表中可以看出，由于理论计算时，未考虑不同箍筋间距的影响，因此三种组别试样的极限应力和极限荷载理论值均相同，但是三组试样的极限荷载实测值差别较大，A1组试样低于50%的理论值，而A3组试样与理论值十分接近，其大小关系为A3>A2>A1，与荷载-应变曲线图中的结果相一致，表明箍筋的增加对于提高低配筋空心短柱的极限承载力具有显著的效果。

2.3 箍筋间距分析

为了更加清晰地分析箍筋数量对试样承载能力的影响，对A1组试样中空段试验区域（长度为600 mm）配制不同数量的箍筋，测得试样的极限承载能力与箍筋数量的关系如图3所示。从图中可以看出，极限承载能力随着箍筋数量的增加而增加，当箍筋数量从0增加到6根的时候，极限承载力增加较小;当箍筋数量从6根增加到12根的时候，极限承载力增加非常明显;当箍筋数量超过12根以后，极限承载力上升基本停止，此时相对于未加入箍筋时，极限承载力上升了27.5%。从图中还可以看出，当箍筋数量处于6到12根时，上升的速率最大，说明存在一个最佳的箍筋数量区间，使得极限承载力效果最佳，实际工程中应该考虑经济成本与材料承载能力的综合性价比最高的箍筋数量配制。

2.4 工程应用分析

从以上的试验结果显示，低配筋空心短柱在合理地选择箍筋数量后能发挥出很好的承载能力，完全可以满足工程需求，且在很大程度上节约了材料和经济成本。箍筋数量存在一个最佳区域，若构件尺寸相似情况下，范围为50～100 mm时，即箍筋数量为6～12根时为最佳。该结果能为类似工程提供理论支撑。

3 结语

本文对低配筋空心短柱试样进行试验研究，结果表明：试样在加载前期表现为弹性变形，破坏形式主要分为端部V型破坏或中心剪切破坏;箍筋数量与承载力成正相关，但是当箍筋数量达到一定量时，极限承载力趋于稳定;箍筋数量的最佳区域可以通过空心段长度与箍筋间距进行计算。在最佳箍筋配比下低配筋空心短柱能很好地满足工程需求。

参考文献：

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