高强钢筋混凝土柱小偏心受压性能试验研究

马立成，史庆轩,2，王 朋,2，王秋维,2

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西，西安 710055；2.西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室，陕西，西安 710055)

近年来，我国建筑业发展面临结构调整和转型升级的挑战，普通钢筋混凝土材料已难以满足重载、大跨以及超高层结构实现节能减排的发展需求。因此，推动高强钢筋和高强混凝土的应用，已成为我国建筑业发展的重要目标之一[1-4]。

美国和新西兰等国家已推广应用600 MPa 级及以上的高强钢筋[5-6]，而中国《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)[7]中钢筋强度等级最高仅为500 MPa 级热轧带肋钢筋。在我国，制约高强钢筋广泛应用的主要原因，除高强钢筋的研发和生产问题外，与高强钢筋相适应的结构设计理论仍不成熟也有很大程度的影响，甚至一些观念还阻遏了高强钢筋的推广应用[8]。现阶段，江苏天舜金属材料集团有限公司已成功生产出HTRB630 级高强钢筋，且已被纳入我国有关标准[9]，但针对HTRB630 级钢筋混凝土构件的受力性能和理论分析研究不足，相关工程应用鲜见报道。目前，国内学者针对高强钢筋混凝土柱抗震性能进行了大量的试验研究[10-17]，但有关高强钢筋混凝土柱小偏心受压性能试验研究较少，高强钢筋潜在的强度优势在混凝土柱中能否充分发挥仍未定论。李义柱[18]、张建伟等[19]、戎贤等[20]进行了有关600 MPa级钢筋混凝土柱小偏心受压性能的试验研究，结果表明：小偏心受压柱挠度较小，破坏较突然，无明显预兆，脆性破坏特征明显，且小偏心受压试件的变形能力受箍筋间距及其屈服强度影响较大。事实上，高轴压比作用下，钢筋混凝土柱易呈现小偏心受压破坏，可见，对高强钢筋混凝土柱小偏心受压性能的研究应予以重视。

鉴于上述分析，本研究结合课题组前期高强箍筋约束混凝土的研究成果[21]，采用高强箍筋提升高强钢筋混凝土柱的变形能力。通过HTRB630级高强钢筋混凝土方形截面柱的小偏心受压性能试验，分析其破坏过程、破坏形态、承载能力等；在试验研究的基础上，澄清HTRB630 级钢筋受压强度发挥的定量问题。考虑箍筋对混凝土的约束作用，提出HTRB630 级钢筋混凝土柱小偏心受压承载力计算公式，以期为该类构件的正截面承载力计算和规范修订时提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

试件尺寸及配筋如图1 所示，柱的截面尺寸350 mm×350 mm，设计混凝土强度等级为C50，纵向钢筋采用HTRB630 级钢筋，箍筋采用1100 MPa级高强箍筋。试件设计考虑的因素主要有配筋率、配箍率、箍筋间距和荷载偏心距。各试件设计一览表见表1。为加强箍筋对混凝土的约束作用，箍筋形式为“一笔画”井字复合箍筋；为便于偏心加载，柱端设置牛腿，并进行箍筋加密，以防止柱端先于测试区破坏；所有试件均采取平卧振捣方式浇筑，钢筋骨架及模板如图2 所示。

表1 试件主要设计参数Table 1 Main design parameters of the specimens

图1 试件尺寸、配筋及测点布置 /mmFig.1 Details of column specimens and layout of the strain gauges

图2 试件制作Fig.2 Configuration of the specimens

1.2 材料力学性能

钢筋力学性能试验方法按文献[22]中的相关规定进行，每种规格钢筋预留3 个标准试样，试验结果的平均值见表2。

表2 钢筋力学性能Table 2 Mechanical properties of reinforcements

试件浇筑混凝土时，预留6 个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 的标准立方体试块，与试件在同一条件下养护，测得混凝土标准立方体抗压强度的平均值为48 MPa，可求得混凝土轴心受压强度平均值为31.06 MPa。

1.3 试验装置和加载制度

试验在西安建筑科技大学结构与抗震实验室进行，采用20 000 kN 液压伺服压力试验机，加载装置如图3 所示。为便于偏心距控制，在端部设置刀口支座。

图3 试验加载装置Fig.3 Schematic view and photo of the test setup

所有试件均采用单调位移控制进行分级缓慢加载，每级加载位移为1 mm。为便于观察试件损伤演化过程并确保每一级荷载下试件的损伤能够充分发展，每级位移加载结束，间隔3 min～5 min观察试验现象。正式加载前，预加载100 kN，确保试件单向偏心受压且数据采集稳定可靠。然后卸载，为保证试件稳定，卸载至30 kN，进行正式加载。当试件承载力明显下降，达到破坏状态时，停止加载，测试结束。

1.4 测试内容

测试内容主要包括钢筋应变测试，试件竖向和横向位移测试。在试件中部的3 道箍筋上布置应变片，每道箍筋设置7 个应变片；同样，纵筋也布置3 道应变片。详细的测点布置及对应的应变片编号如图1 所示。沿柱高方向对称布置5 个水平位移计，测量试件不同位置的侧向挠度；在对应偏心方向两侧面分别布置2 个竖向位移计，以测量试件的竖向变形；在垂直于偏心方向的一侧布置3 个竖向位移计，便于测量试件的弯曲变形。具体的位移计布置如图4 所示。

图4 试件位移计布置 /mmFig.4 Layout of the LVDTs

2 试件破坏现象和破坏形态

试验加载初期，荷载较小，没有明显的可观现象；当荷载增加至约峰值荷载的30%时，试件受拉侧出现微小横向裂缝，随着荷载增加，已有横向裂缝延伸，裂缝宽度增大，新的横向裂缝不断涌现；当荷载增加至约峰值荷载的80%时，试件受压侧出现微小竖向裂缝，进一步加载，受压侧竖向裂缝沿柱高方向延伸，裂缝数量增多，宽度变大，受拉侧横向裂缝进一步延伸；当荷载增加至峰值荷载时，试件侧向挠曲变形肉眼可观，受压侧竖向裂缝数量进一步增加，混凝土保护层局部起皮掉渣，受拉侧水平裂缝基本贯通，裂缝数量基本不再增加；随着轴向位移进一步增加，试件侧向挠曲明显，受拉侧横向裂缝绕过试件角部向受压侧延伸，受压侧混凝土保护层呈板状翘起，角部保护层混凝土剥落，钢筋外露，受荷过程中伴随着混凝土破坏发出的“咔嚓”声。最终破坏形态如图5 所示。由图可以看出，所有试件均呈现小偏心受压破坏。

图5 试件的破坏形态Fig.5 Failure modes of the specimens

3 试验结果及分析

3.1 荷载-挠度关系曲线

试件的实测荷载-半高处挠度曲线对比如图6所示。由图6 可知，加载初期，试件半高处挠度随着荷载增大呈线性增长，处于弹性工作状态；当荷载增加至约峰值荷载的80%时，由于保护层混凝土裂缝数量增多，试件刚度略有下降；峰值荷载后，受压侧混凝土保护层剥落，受拉侧横向裂缝变宽，试件刚度由正值变为负值，荷载进入下降段，但由于箍筋对核心混凝土提供了有效的约束作用，延缓了核心混凝土强度衰减速率，试件承载力下降缓慢。

3.2 荷载-钢筋应变关系曲线

试件的实测荷载-半高处纵筋应变关系曲线如图7 所示。加载初期，纵筋与混凝土共同承受竖向荷载，钢筋应变随着荷载增加呈线性增长；加载中期，部分保护层混凝土退出工作，荷载增长速度减缓，钢筋应变随着荷载增加呈非线性增长；加载后期，大部分保护层混凝土退出工作，核心混凝土软化，截面中性轴偏向受压侧，试件承载力基本不再增加，钢筋应变迅速增长。

图7 荷载-纵筋应变关系曲线Fig.7 Load-strain of longitudinal bars

当荷载达到峰值承载力时，所有试件的5 号、6 号、7 号纵筋应变超过了屈服应变，受压侧保护层混凝土脱落，1 号、2 号、3 号纵筋应变没有达到屈服应变，试件的破坏模式为典型的小偏心受压破坏。在最初加载阶段，受拉侧1 号、2 号、3 号纵筋应变出现负值的主要原因是，所有试件均为小偏压受荷，当荷载较小时，试件处于全截面受压状态，故出现了压应变。不难发现，试件的8 号纵筋应变在峰值荷载前呈现压应变，峰值荷载后压应变随着荷载增加而减小，最后甚至呈现拉应变。究其原因，峰值荷载前，截面中性轴处于1 号与8 号纵筋之间，试件没有明显的损伤，中性轴位置基本保持不变，8 号纵筋处于受压状态，因此呈现压应变，峰值荷载后，混凝土软化，中性轴沿偏心方向远离8 号纵筋，其压应变随着中性轴偏离而减小，最终由压应变转为拉应变。对比试件PZ5 和其他试件可知，在初始受荷阶段，受拉侧纵筋出现压应变的现象随荷载偏心距的增大而减弱。

纵筋应变测试结果表明，HTRB630 级钢筋混凝土柱在小偏心受荷作用下，受压侧钢筋强度优势能够充分发挥，且有一定的塑性变形能力，可用于钢筋混凝土小偏心受压构件配筋设计。

试件的实测荷载-半高处箍筋应变关系曲线如图8 所示。由图8 可知，试件承载力达到峰值时，箍筋均未屈服，但箍筋为核心混凝土提供了有效的约束作用，有助于延缓承载力衰减，提升小偏心受压构件的变形性能。

图8 荷载-箍筋应变关系曲线Fig.8 Load-strain of transverse bars

3.3 参数分析

1) 配筋率

由图6(a)可知，提高配筋率，能够明显增加试件的初始刚度。其原因是，增加配筋率，初始受荷时，在相同荷载作用下，高配筋率试件的受拉侧钢筋应变较小，试件刚度增加。然而，峰值荷载后，曲线的下降段没有明显变化，这是因为，加载后期，试件的变形能力主要受混凝土变形控制。当然，试件PZ6(纵筋配筋率为1.96%)与试件PZ1(纵筋配筋率为1.50%)相比，其承载力提高了6.92%。

2) 偏心距

由图6(b)可知，增大偏心距，试件的承载力明显减小。通过全曲线分析可以发现，在峰值承载力前，偏心距大的试件刚度退化较快，而下降段刚度退化较缓慢。其原因是，偏心距增大，截面相对受压区高度减小，在相同荷载作用下，偏心距大的试件受拉侧钢筋应变较大，试件刚度退化较快，而峰值荷载后，偏心距大的试件受压侧混凝土破坏较晚，故峰值后刚度退化缓慢。

3) 配箍率

由图6(c)可知，随着配箍率增加，试件的承载力提高，试件PZ4 与试件PZ3 相比，承载力提高了8.44%，而试件PZ3 和试件PZ2 相比，承载力仅提高了2.82%，但在一定程度上提升了试件的变形能力。可见，提高配箍率能够保证箍筋给核心混凝土提供有效的约束作用，从而提高了混凝土抗压强度，延缓了核心混凝土强度衰减速率，使得试件荷载-半高处挠度曲线更为平缓。但配箍率超过1.50%时，其对承载力的影响并不明显。

4) 箍筋间距

由图6(d)可知，在配箍率相差不大的情况下，密配小直径箍筋较疏配大直径箍筋承载力高，下降段更为平缓。其主要原因是，减小箍筋间距，削弱了箍筋约束混凝土的弓弦效应[23]，使核心混凝土在柱高方向得到了良好的约束，改善了试件的受力性能。

3.4 小偏心受压正截面承载力计算

3.4.1 荷载-弯矩关系曲线

为了评估现行规范对HTRB630 级钢筋混凝土小偏心受压柱的正截面承载力计算方法的适用性，采用XTRACT 纤维截面分析软件，输入与现行规范相一致的材料本构，求得荷载-弯矩关系曲线如图9 所示。由图可知，现行规范低估了HTRB630级钢筋混凝土小偏心受压柱正截面承载力。

图9 偏心受压柱荷载-弯矩关系曲线Fig.9 Load-bending moment interaction of eccentrically compressed column

事实上，试验结果表明箍筋对试件承载力有明显影响，因此，需要考虑箍筋对核心混凝土的约束，给出HTRB630 级钢筋混凝土小偏心受压柱的正截面承载力计算方法。参照Mander 箍筋约束混凝土本构，按文献[24]对Mander 本构进行修正。修正的原因是，Mander 本构按箍筋的屈服强度来计算约束混凝土强度，而本文选用高强箍筋，试件承载力达到峰值时，箍筋未屈服。修正计算式如下：

式中：fcc、fco分别为约束混凝土与非约束混凝土的轴心抗压强度；k2为有效约束系数；bc为核心混凝土边长；s为箍筋间距；sl为相邻纵筋间距；ρsv为体积配箍率；fyv为箍筋屈服强度。

将修正后的箍筋约束混凝土本构输入XTRACT纤维截面分析软件，求得荷载-弯矩关系曲线如图9 所示。由图9 可知，计算结果与试验值较为接近，且偏于保守。其中，计算结果高估了试件PZ2的承载力，其原因是，试件PZ2 配箍率较高，但箍筋对混凝土强度提高有限，式(1)高估了约束混凝土强度。为此，当1100 MPa 级箍筋配箍率超过1.50%时，建议式(1)按照1.50%考虑。按照1.50%考虑后，其余参数不变，求得约束混凝土强度fcc为58.36 MPa，承载力试验值与计算值之比为1.03。

3.4.2 承载力计算方法

基于XTRACT 纤维截面分析软件，考虑箍筋对核心混凝土的约束作用，可较为准确地求得HTRB630 级钢筋混凝土柱小偏心受压承载力，但纤维截面分析不便于工程设计，有必要给出便于工程应用的承载力计算方法。为此，考虑箍筋对核心混凝土的约束作用，由式(1)和式(2)求得箍筋约束混凝土强度后，可参照《混凝土结构设计规范》[7]计算HTRB630 级钢筋混凝土小偏心受压柱正截面承载力。计算简图如图10 所示，计算式如下：

图10 小偏心受压柱截面应力-应变简图Fig.10 Stress-strain diagram of the columns section under small eccentric loading

计算结果见表3。由表3 可知，计算结果与试验值较接近，且偏于保守，Nue/Nuc平均值为1.09，变异系数为0.033。3.2 节表明：HTRB630 级钢筋受压应力达到了实测屈服强度，式(5)～式(8)中εcu取0.0033，基于平截面假定，求得＞595 MPa。

表3 峰值荷载试验值与计算值比较Table 3 Comparison of calculated and experimental values of bearing capacity

4 结论

通过6 根高强钢筋混凝土方形截面柱的小偏心受压试验，分析了配筋率、配箍率、箍筋间距和荷载偏心距等因素对试件破坏过程、破坏形态和变形能力的影响，所得结论如下：

(1) HTRB630 级钢筋混凝土小偏心受压柱与普通钢筋混凝土小偏心受压柱的破坏形态基本相同，受压区HTRB630 级钢筋能够达到屈服强度，且塑性变形能够充分发挥。

(2) 提高1100 MPa 级箍筋的配箍率，可提升HTRB630 级钢筋混凝土柱小偏心受压承载力；当配箍率超过1.50%时，对试件承载力提高不明显，但能在一定程度上改善试件的变形能力。

(3) 考虑1100 MPa 级箍筋对核心混凝土的约束，提出的HTRB630 级钢筋混凝土柱小偏心受压承载力计算方法能够较为准确地预估试件承载力，且偏于保守，可为该类构件正截面设计和规范修订时提供参考；为保证箍筋能够给混凝土提供足够的约束作用，箍筋间距不应超过80 mm。