高强箍筋约束高强混凝土柱轴压性能

王小东，张启志，徐 健

(1. 驻马店市建设工程质量监督站,驻马店463000;2. 黄淮学院，驻马店463000; 3. 驻马店市顺达建设工程质量检测有限公司,驻马店463000)

随着我国建筑工业和建筑材料的快速发展，高强度混凝土和高强度钢材不断被研发出来并逐渐应用于钢筋混凝土结构建筑中[1]。对具有高烈度抗震设防区域，如何将高强建筑材料应用于钢混结构中，并最大限度减小或避免地震时框架结构发生破坏已成为混凝土结构设计关注的重点[2]。这主要是因为钢混结构建筑在地震作用时，普通强度钢筋不能对结构件形成有效约束，并使传统方箍结构形式的钢混构件过早破坏而导致抗震性能较差[3-4]。近年来，随着高强钢材的开发与应用，将高强箍筋应用于钢混结构并采用复合箍筋形式对混凝土进行约束，已望成为提升钢混结构承载力和延性性能的有效手段。目前，通过高强箍筋与高强混凝土的使用及箍筋形式的优化来增强钢混结构试件的轴压性能[5]，充分发挥高强箍筋和高强混凝土的优势方面的报道仍然较少，具体结构参数的作用规律也不清楚[6-7]。

在城市建筑固体废弃物总量不断提升和节能环保意识不断提升的背景下，如何将建筑固体废弃物进行资源化利用并代替普通混凝土形成钢管再生混凝土[8]，是非常值得研究的课题。实际应用过程中，与天然骨料混凝土相比，再生骨料混凝土会在力学性能和耐久性能上有所降低，而钢管再生混凝土则由于钢管的密封性而使耐久性及对核心混凝土的约束作用得到不同程度的改善[9-10]，这方面的研究将有助于建筑固体废弃物在实际建筑工程中的应用。然而，直到目前为止，在钢管混凝土结构的启发下衍生出来的钢管再生混凝土的研究多集中在钢管再生混凝土短柱的受压性能方面，对破坏形态和轴压性能影响，尤其在高强箍筋约束条件下的研究较少[11]。

本文开展了高强箍筋、高强混凝土及箍筋形式对高强箍筋约束高强混凝土短柱破坏形态和轴压性能影响研究。

1材料与试件制备

1.1试件设计

共设计了11组高强箍筋约束高强混凝土试件，试件参数如表1所列。

表1 高强箍筋约束高强混凝土试件参数Tab.1 Parameters of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

其中，配箍形式1为内圆外方(10组)；配箍形式2为内菱外方(1组)；混凝土强度设计分为C45、C50和C55 3种；箍筋屈服强度分为405，625，785 MPa 3种；箍筋间距分为60，70 mm 2种。高强箍筋约束高强混凝土试件的尺寸及配筋图如图1所示。箍筋为Φ=7 mm的预应力钢筋；纵向钢筋为Φ=12 mm的8根HRB400热轧钢筋；保护层厚度设计为25 mm；混凝土柱的上下部分设置有箍筋加密区，间距为30 mm。

1.2材料性能

采用木模立式浇筑的方式制备高强箍筋约束高强混凝土试件，其中，混凝土原料包括P42.5普通硅酸盐水泥、石灰石(最大粒径小于20 mm)、河沙、自来水、优质粉煤灰、硅灰和西卡325C型减水剂。混凝土的配合比和力学性能如表2列，混凝土试件的养护方式选用蒸汽养护[8]。混凝土的力学性能测试为3个100 mm×100 mm×100 mm试件的平均值，其中，fcu,100为抗压强度平均值；fc为轴心抗压强度换算值；Ec为混凝土弹性模量[9]。

1.3试验方案

采用ZCYJ-W10000kN型微机控制电液伺服压剪试验机进行加载，并用TDS-540型静态数据采集仪对加载过程中的变形和应变数据进行采集，轴向压力由力学传感器采集。每组试件加贴8个应变片，如图2所示。图3为高强箍筋约束高强混凝土试件的测量装置示意图。图3中，1为压剪机；2为顶板；3为加固用碳纤维复合材料；4为轴压试件；5为螺纹杆；6为位移计夹具；7为径向位移计；8为轴向位移计。初始加载阶段，利用前述的钢筋和混凝土的力学性能估算柱体峰值承载力[10]，根据GB/T 50152-2012《混凝土结构试验方法标准》进行预加载和加载，加载速率为100 kN·min-1，当试件的荷载达到峰值荷载的50%后，转变为位移控制，设定上升段和下降段速率分别为0.5， 0.1 mm·min-1。

图1 高强箍筋约束高强混凝土试件的尺寸及配筋Fig.1 Size and reinforcement of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

表2 混凝土的配合比和力学性能Tab.2 Mix proportion and mechanical properties of concrete

(a)Scenario 1

(b)Scenario 2 图2 高强箍筋约束高强混凝土试件的钢筋应变片布置图Fig.2 Arrangement of steel strain gauge of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

图3 高强箍筋约束高强混凝土试件的测量装置示意图Fig.3 Schematic diagram of measuring device of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

2试验结果与分析

表3为高强箍筋约束高强混凝土试件破坏过程的试验现象汇总，包括破坏时的裂缝形状、开裂时对应荷载、保护层剥落时对应荷载、峰值荷载和出现箍筋拉断时荷载。开裂时，对应荷载和峰值荷载最小的是1#试件，最大的是9#试件；保护层开始剥落对应载荷最小的是1#试件，最大的是7#试件；出现箍筋拉断时，荷载最小的是5#试件，最大的是2#试件；高强箍筋约束高强混凝土试件的核心混凝土的裂缝形状主要为H型和N型，破坏形态都为柱状压坏。

表3 高强箍筋约束高强混凝土试件破坏过程的试验现象Tab.3 Failure process of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

图4为2#/3#试件轴压破坏过程中的典型形貌特征。

(a)2#-cracking pattern

(c)3#-cracking form

(d)3#-core concrete failure

(e)3#-fracture of outer stirrup

(f)3#-fracture of inner stirrup图4 2#/3#试件轴压破坏过程中的典型形貌特征Fig.4 Typical morphology characteristics of specimens 2# and 3# during axial compression failure

轴压过程中，2#/3#试件的破坏都经历轴向变形随荷载线性增长的弹性阶段(此时柱身伴随有轻微声响)、弹塑性阶段和屈服阶段[11]。由图4(a)可见，当轴向力加载至约70%峰值荷载时，3#试件的柱体下部出现了宽度小于0.5 mm的裂缝；由图4(b)可见，随着轴向力继续增加，柱身周边竖向裂缝开始增多并呈对称分布特征，局部出现混凝土剥落；由图4(c)可见，当轴向力加载至80%峰值荷载时，柱身主裂缝宽度增大(约2 mm)并贯穿成一条主裂缝，保护层混凝土的裂缝演变成H型，而2#试件出现第一条裂缝后会在柱身产生贯穿的斜裂缝并演变为N型；由图4(b)和图4(d)可见，随着轴向力继续加大，2#和3#试件柱体的保护层逐渐剥落并伴随有“噼啪”声，核心混凝土开始出现破坏，且与3#试件相比，2#试件的内部箍筋断裂更早，3#试件在轴向力降低至峰值荷载90%时发生断裂；由图4(e)和图4(f)可见，随着轴向变形和位移的继续增大，核心混凝土逐渐出现多条纵向裂缝并伴随有箍筋拉断的响声，此时荷载曲线降幅较为明显；当荷载降低至峰值荷载50%以下时停止试验，核心混凝土仍较完整，外部方箍在轴压作用下被撑圆。其他9组高强箍筋约束高强混凝土试件的破坏形态也都为柱状压坏，试验结束后核心约束混凝土较为完整，复合箍筋的约束效果较好。

图5为试件的荷载-轴向应变曲线。表4为试件的轴压性能测试结果，分别列出了11组试件的轴压承载力Nt、核心混凝土峰值压应力σcc和峰值压应变εcc及核心混凝土极限压应力σcu和极限压应变εcu[12]。

(a)Stirrup ratio spacing

(b)Stirrup strength

(c)Concrete strength

(d)Stirrup form图5 试件的荷载-轴向应变曲线Fig.5 Load axial strain curve of high strength concrete specimens restrained by high strength stirrups

表4 试件的轴压性能Tab.4 Axial compressive properties of high strength concrete specimens

由图5可见，随着轴向应变的增加，11组试件在到达峰值荷载后都未出现荷载迅速降低的特征，而是出现了荷载平台。这主要是由于峰值荷载后高强箍筋仍对核心混凝土具有较好的约束作用[13]，使试件具有较好的承载能力和延性。由表4可知，对比3#和4#、7#和8#不同箍筋间距和箍筋配箍率的试件，箍筋间距越小，试件的Nt，σcc，εcc，σcu，εcu越高，即减小箍筋间距有助于提高试件的极限承载力；对比2#，3#，5#不同箍筋强度的试件可知，箍筋强度越大，试件Nt，σcc，εcc，σcu，εcu越高，即增加箍筋强度有助于提高试件的极限承载力；对比1#，3#，7#不同混凝土强度的试件可知，混凝土强度越大，试件的Nt，σcc越大，即增加混凝土强度有助于提高试件的极限承载力；对比3#，11#不同配箍形式的试件，内圆外方试件的Nt，σcc，εcc，σcu，εcu都要高于内菱外方的试件，即内圆外方的箍筋方式有助于提高试件的极限承载力。

表5为试件的约束效果提升系数测试结果。

表5 高强箍筋约束高强混凝土试件的约束效果提升系数Tab.5 Improvement coefficient of restraint effect of high strength stirrups on high strength concrete specimens

其中，Kc，Ks，Ku可表示为[14-15]

(1)

(2)

(3)

其中，fco和εco分别为素混凝土轴心抗压强度和峰值压应变；fcc为约束混凝土峰值应力；εcou为素混凝土的极限压应变[13]。

由表5可知，对比3#和4#，7#和8#不同箍筋间距的试件，箍筋间距越小，试件的Ks，Kc，Ku越大，即减小箍筋间距可增加峰值应变，提升高强箍筋对混凝土的约束效果；对比2#，3#，5#不同箍筋强度的试件可知，箍筋强度越大，试件的Ks，Kc，Ku越高，即增加箍筋强度有助于增加箍筋对核心混凝土的约束效果[16]，提高试件的延性；对比1#，3#，7#不同混凝土强度的试件，试件的Ks，Kc，Ku都随着混凝土强度升高而先增加后减小，素混凝土强度为C50时提升系数最大，虽然，更高强度混凝土试件的承载力更高，但脆性也更大、受压膨胀率更小[17]，高强箍筋约束混凝土柱的作用也会减弱；对比3#，11#不同配箍方式的试件可知，内圆外方试件的Ks，Kc，Ku都要高于内菱外方试件，这主要是因为内圆外方箍筋具有更大的核心混凝约束区面积，增强了对核心混凝土的约束作用[18]。综合而言，减小箍筋间距、提升箍筋强度和采用内圆外方箍筋方式都有助于提升试件的承载力并增加延性，从而增强框架柱结构在地震载荷作用下的可靠性。

3结论

1)11组试件的核心混凝土的裂缝形状都为H型或N型，破坏形态都为柱状压坏；当荷载降低至峰值荷载50%以下停止试验时，核心混凝土仍较完整，外部方箍在轴压作用下被撑圆。

2)箍筋间距越小或箍筋强度越高，试件的Nt，σcc，εcc，σcu，εcu都越大；混凝土强度越大，试件的Nt，σcc越大；内圆外方试件的Nt，σcc，εcc，σcu，εcu都要高于内菱外方的试件。减小箍筋间距、增加箍筋强度和混凝土强度都有助于提升试件的极限承载力，且内圆外方试件的极限承载力要高于内菱外方试件。

3)箍筋间距更小和箍筋强度越高，试件的Ks，Kc，Ku越大；试件的Ks，Kc，Ku都随着混凝土强度的升高而先增加后减小，素混凝土强度为C50时提升系数最大；内圆外方试件的Ks，Kc，Ku都要高于内菱外方试件。减小箍筋间距、增加箍筋强度和采用内圆外方箍筋形式都有助于提升试件的约束效果。