蔣明慧 徐 成 楊玉榮

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽618000）

高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土壓彎構(gòu)件骨架曲線的影響因素

蔣明慧*徐 成 楊玉榮

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽618000）

為了研究高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的壓彎構(gòu)件性能，以高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土壓彎構(gòu)件試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了普通強(qiáng)度與高強(qiáng)箍筋在構(gòu)件破壞過程中，箍筋強(qiáng)度和箍筋間距對壓彎構(gòu)件骨架曲線的影響。研究結(jié)果不僅對高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土構(gòu)件的應(yīng)用推廣提供必要的試驗(yàn)參考，而且可以對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)較好的參考價(jià)值。

高強(qiáng)，箍筋，骨架曲線，影響因素

1 引 言

隨著對高強(qiáng)材料尤其是對高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土相關(guān)研究的不斷深入，其在工程領(lǐng)域的優(yōu)勢日趨凸顯，目前對高強(qiáng)材料的研究和應(yīng)用大多集中在高強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)受力鋼筋（縱向鋼筋），而對于起抗剪和約束作用的箍筋研究較少，尤其是在高強(qiáng)箍筋對高強(qiáng)混凝土抗震性能改善方面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠［1，2］。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于地震區(qū)，為了防止建筑物在地震作用下破壞，需要對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析。針對在我國大量采用的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)形式，鋼筋混凝土柱的抗震性能往往決定了整個(gè)建筑的安全性。許多研究者都嘗試采用不同的方法來提高建筑的抗震性能，取得了一定的效果。其中，采用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土的方法被認(rèn)為可以有效改善混凝土的脆性，提高其強(qiáng)度和延性，可使得結(jié)構(gòu)的抗震性能得到明顯的提高。

將同方向（拉或壓）加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，超過前一次加載最大應(yīng)力的區(qū)段平移相連后得到的曲線稱為骨架曲線。也可表述為滯回曲線上同向（拉或壓）各次加載的荷載極值點(diǎn)依次相連得到的包絡(luò)曲線稱為骨架曲線。骨架曲線是每次循環(huán)加載達(dá)到的水平力最大峰值的軌跡，能夠反映了出構(gòu)件受力與變形的各個(gè)不同階段及特性（強(qiáng)度、剛度、延性、耗能及抗倒塌能力等），也是確定恢復(fù)力模型中特征點(diǎn)的重要依據(jù)，這些都是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)［3，4］。

為了進(jìn)一步提高鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，提高箍筋對混凝土的約束效果，本文采用高強(qiáng)鋼筋做箍筋，針對高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土壓彎構(gòu)件的抗震性能，通過低周反復(fù)水平加載試驗(yàn)，研究高強(qiáng)箍筋高強(qiáng)混凝土柱的破壞過程中箍筋強(qiáng)度、間距和配箍率等因素對柱承載力和延性性能的影響。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 構(gòu)件的制作

本次試驗(yàn)共制作三組6個(gè)懸臂約束高強(qiáng)混凝土方柱，截面尺寸為250 mm×250 mm，柱高為1 200 mm，剪跨比為4.0，混凝土保護(hù)層厚度為20 mm。為防止柱頂部發(fā)生破壞，柱頂設(shè)置100 mm箍筋加密區(qū)，加密區(qū)箍筋間距為25 mm，柱下部設(shè)底座梁。設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級為C50，普通強(qiáng)度箍筋采用HRB400級熱軋鋼筋，高強(qiáng)箍筋屈服強(qiáng)度約為1 100 MPa；箍筋形式為一筆畫井字箍筋，端部設(shè)135°彎鉤，并深入核心混凝土內(nèi)部60mm；縱筋為12根直徑為12 mm的HRB400級熱軋鋼筋，均勻分布在截面四周邊，縱筋配筋率為2.36%?？紤]的影響因素主要包括箍筋強(qiáng)度、箍筋間距及配箍率，具體設(shè)計(jì)參數(shù)情況如下：

（1）箍筋強(qiáng)度：400 MPa和1100 MPa兩種。

（2）箍筋間距：以60 mm和80 mm為主，其他間距為42 mm和100 mm。

（3）軸壓比：軸壓比指柱（墻）的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱（墻）的全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比值，它反映了柱（墻）的受壓情況，本試驗(yàn)軸壓比為0.5。

試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。試件尺寸及配筋圖如圖1所示。

表1 試件詳細(xì)參數(shù)表Table 1 Param eters of specim en

圖1 試件尺寸及配筋圖（單位：mm）Fig.1 Specimen dimension and reinforcing bars layout（Unit：mm）

2.2 測試方案

加載過程中量測內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

（1）試件所受的水平荷載；

（2）各級荷載下柱頂?shù)乃轿灰疲?/p>

（3）柱根部的彎曲變形；

（4）箍筋和縱筋的應(yīng)變值。

加載裝置示意圖如圖2所示。試件在反復(fù)荷載作用下的滯回曲線，可以反映試件在反復(fù)受力過程中的變形特征、剛度退化以及能量消耗，是確定恢復(fù)力模型和進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析的依據(jù)。在試件柱頂設(shè)置一個(gè)位移計(jì)，用來測量柱頂在水平荷載作用下的水平位移，從而得到試件的荷載-位移曲線；在底座梁端部安裝一個(gè)位移計(jì)，以測量試件的整體水平滑移；在平行于水平加載方向的北側(cè)柱底部沿45°角方向布置2個(gè)位移計(jì)，用以測量試件柱底出現(xiàn)塑性變形后的剪切變形；在平行于水平加載方向的南側(cè)柱底部豎向布置2個(gè)位移計(jì)、垂直于水平加載方向的東西兩側(cè)柱底兩側(cè)分別布置1個(gè)位移計(jì)，用以測量柱根部的彎曲變形。為了測得箍筋及縱筋應(yīng)變，以便了解其屈服和破壞過程，在縱筋與箍筋上沿試件高度布置6道應(yīng)變片，如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)加載裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of loading device

圖3 鋼筋應(yīng)變片布置圖（單位：mm）Fig.3 Arrangement of strain gauges on rebar（Unit：mm）

試驗(yàn)過程中，所有數(shù)據(jù)均通過TDS-530數(shù)據(jù)采集儀自動采集，其中水平荷載和水平位移同時(shí)傳輸?shù)絏-Y函數(shù)記錄儀中，用來繪制P-Δ滯回曲線，以監(jiān)測整個(gè)試驗(yàn)的加載過程。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 破壞過程及形態(tài)

試驗(yàn)的試件因剪跨比相同，因此破壞過程和模式相似，只是隨著箍筋間距的和箍筋強(qiáng)度的變化而使試件裂縫的開展速度及破壞后承載力的下降略有不同。依據(jù)加載過程中控制因素的變化，試件的破壞過程大致可以分為以下兩個(gè)階段：

在荷載控制階段，混凝土開裂之前，試件處于彈性工作階段，其滯回曲線基本重合為一條直線，試件表面尚未出現(xiàn)裂縫；當(dāng)水平荷載增加至120 kN左右時(shí)，在垂直于水平加載方向的東、西兩側(cè)柱根部250 mm高度范圍的受拉區(qū)和平行于加載方向的南、北兩側(cè)柱根部邊緣相應(yīng)位置出現(xiàn)了個(gè)別細(xì)微的水平裂縫；當(dāng)水平荷載增加至140 kN～160 kN左右時(shí)，試件東、西兩側(cè)根部受拉區(qū)的水平裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展形成水平通縫，并有新的水平裂縫形成，試件南、北兩側(cè)部分水平裂縫開始斜向發(fā)展且角度逐漸增大并向柱中部延伸，柱根角部邊緣開始出現(xiàn)細(xì)而短的豎向受壓裂縫。試件屈服后，開始進(jìn)入位移控制的加載階段。

在位移控制階段，位移1Δy循環(huán)過程中，東西兩側(cè)的貫通裂縫逐漸增多，南北兩側(cè)的裂縫繼續(xù)向中部擴(kuò)展，角柱根部的受壓裂縫出現(xiàn)密集且開始沿柱身發(fā)展；位移2Δy循環(huán)過程中，裂縫開展趨于穩(wěn)定，柱根角部及東西兩側(cè)保護(hù)層開始小面積剝落；位移3Δy循環(huán)時(shí)，原有水平及豎向裂縫進(jìn)一步加寬，柱根部受壓區(qū)保護(hù)層出現(xiàn)局部壓碎和外崩現(xiàn)象，并伴有較明顯的“噼叭”聲；位移4Δy時(shí)，柱根部的保護(hù)層開始大面積剝落，東西兩側(cè)的最大縫寬已接近1 mm，南北兩側(cè)柱根部的斜裂縫走向接近45°，縱向鋼筋開始壓屈；位移5Δy循環(huán)時(shí)，東西兩側(cè)柱根部沿水平方向和南北兩側(cè)邊緣保護(hù)層大面積脫落；高強(qiáng)箍筋試件最終可達(dá)7Δy或8Δy，此時(shí)柱根部保護(hù)層已大部分脫落，鋼筋外露，但試件的豎向承載力仍較為平穩(wěn)，核心混凝土由于受到約束未見明顯破壞和壓碎，體現(xiàn)出良好的延性性能和抗倒塌能力。各試件最終破壞形態(tài)如圖4所示。

3.2 滯回性能及耗能能力分析

3.2.1箍筋強(qiáng)度

將試件荷載—位移滯回曲線每次循環(huán)的峰值點(diǎn)連接起來得到的包絡(luò)線稱為骨架曲線。它是每次循環(huán)的荷載—位移曲線達(dá)到的最大峰值點(diǎn)的軌跡，其性狀能較為明確地反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度、變形和延性等抗震性能。同時(shí)，骨架曲線還反映了構(gòu)件的屈服、峰值荷載以及極限等特征點(diǎn)。

圖5－圖7所示分別為箍筋強(qiáng)度對第一、二和三組構(gòu)件骨架曲線影響的對比分析圖。其中，圖5中的配箍率ρv＝1.75%～1.83%；圖6中的配箍率ρv＝2.28%～2.33%；圖7中的配箍率ρv＝1.70%。

圖4 試件破壞圖Fig.4 Specimen damage diagram

圖5 －圖7的圖形為實(shí)測高強(qiáng)箍筋混凝土試件的骨架曲線。由不同配箍率下試件的實(shí)測骨架曲線可以發(fā)現(xiàn)：在相近的配箍率下，由于高強(qiáng)箍筋的約束作用，在高軸壓比情況下高強(qiáng)混凝土柱的滯回曲線下降較為平緩，不會出現(xiàn)陡然下降的現(xiàn)象，高強(qiáng)箍筋約束混凝土柱的變形能力和延性性能優(yōu)于普通強(qiáng)度箍筋約束混凝土柱。同時(shí)，由無量綱骨架曲線對比可見：采用密配小直徑箍筋的試件，其曲線的下降段更加平緩，試件最大荷載之后的承載力衰減緩慢，變形能力增強(qiáng)，延性更好［5］。

圖5 箍筋強(qiáng)度對第一組構(gòu)件骨架曲線的影響Fig.5 Effect of stirrup strength on the skeleton curve of first component

圖6 箍筋強(qiáng)度對第二組構(gòu)件骨架曲線的影響Fig.6 Effect of stirrup strength on the skeleton curve of second component

圖7 箍筋強(qiáng)度對第三組構(gòu)件骨架曲線的影響Fig.7 Effect of stirrup strength on the skeleton curve of third component

3.2.2箍筋間距

圖8和圖9分別為高強(qiáng)箍筋和普通箍筋構(gòu)件箍筋間距對骨架曲線影響的對比分析圖，其中，圖8和圖9的圖形為實(shí)測試件的骨架曲線。由試件的實(shí)測骨架曲線和無量綱骨架曲線對比可見，其他條件相同時(shí)，箍筋間距較小的試件，骨架曲線下降較為緩慢，循環(huán)次數(shù)多，強(qiáng)度衰減慢，變形能力大。

圖10為具有相同箍筋間距不同箍筋強(qiáng)度試件H-1和N-2的骨架曲線對比圖，由無量綱骨架曲線可以明顯看出：高強(qiáng)箍筋試件H-1的延性性能明顯優(yōu)于普通強(qiáng)度箍筋試件N-2，由于高強(qiáng)箍筋的直徑更細(xì)，獲得更優(yōu)延性的同時(shí)高強(qiáng)箍筋的用鋼量更低，更加經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié) 論

（1）高強(qiáng)箍筋試件體現(xiàn)出良好的延性性能和抗倒塌能力。

圖8 高強(qiáng)箍筋試件箍筋間距對骨架曲線的影響Fig.8 The influence of high-strength stirrup spacing on skeleton curve

圖9 普通強(qiáng)度箍筋試件箍筋間距對骨架曲線的影響Fig.9 Influence of ordinary strength stirrup spacing on skeleton curve

圖10 相同箍筋間距不同箍筋強(qiáng)度對骨架曲線的影響Fig.10 Effect of same stirrup spacing and different stirrup strength on skeleton curve

（2）在相近的配箍率下，由于高強(qiáng)箍筋的約束作用，在高軸壓比情況下高強(qiáng)混凝土柱的滯回曲線下降較為平緩，不會出現(xiàn)陡然下降的現(xiàn)象，高強(qiáng)箍筋約束混凝土柱的變形能力和延性性能優(yōu)于普通強(qiáng)度箍筋約束混凝土柱。

（3）采用密配小直徑箍筋的試件，其曲線的下降段更加平緩，試件最大荷載之后的承載力衰減緩慢，變形能力增強(qiáng)，延性更好。

（4）相同箍筋間距不同箍筋強(qiáng)度的前提下，高強(qiáng)箍筋試件的延性性能明顯優(yōu)于普通強(qiáng)度箍筋試件，由于高強(qiáng)箍筋的直徑更細(xì)，獲得更優(yōu)延性的同時(shí)高強(qiáng)箍筋的用鋼量更低。

［1］ 閻石，肖瀟，張?jiān)还?高強(qiáng)鋼筋約束混凝土矩形柱的抗震性能試驗(yàn)研究［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，22（1）：7.Yan Shi，Xiao Xiao，Zhang Yueguo.High strength reinforced rectangular concrete columns confined with the experimental study on the seismic performance of［J］.Tournal of Shonyang Jianzhu University，（Natural Science Edition），2006，22（1）：7.（in Chinese）

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［6］ 蔣歡軍，胡玲玲.鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角與構(gòu)件變形的關(guān)系研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2011，27（6）：26-30.Jiang Huanjun，Hu Lingling.Study on relationship of reinforced concrete shear wall structure angle of floor displacement and deformation［J］.Structural Engineer，2011，27（6）：26-30.（in Chinese）

Factors Affecting Skeleton Bending Curve w ith High-strength Stirrup Confined Concrete

JIANG Minghui*XU Cheng YANG Yurong
（Sichuan Engineering Technical College，Deyang 618000，China）

In order to study the bending performance of high-strength concrete columns confined by high strength stirrup，the high-strength stirrup confined high strength concrete beam-column test is conchucted.the influence of stirrups and stirrup spacing on skeleton curvewith ordinary strength and high-strength stirrup component during failure process are studied.The research results not only provide the necessary theoretical basis for application of high-strength stirrup confined concrete，but also can give good reference value to the seismic design of reinforced concrete structure.

high-strength，stirrup，skeleton curve，influencing factors

2013－10－10

四川省建設(shè)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目*聯(lián)系作者，Email：minghni＠gina.com