高强箍筋约束高强混凝土压弯构件骨架曲线的影响因素

蒋明慧 徐 成 杨玉荣

（四川工程职业技术学院，德阳618000）

高强箍筋约束高强混凝土压弯构件骨架曲线的影响因素

蒋明慧*徐 成 杨玉荣

（四川工程职业技术学院，德阳618000）

为了研究高强箍筋约束高强混凝土柱的压弯构件性能，以高强箍筋约束高强混凝土压弯构件试验为基础，研究了普通强度与高强箍筋在构件破坏过程中，箍筋强度和箍筋间距对压弯构件骨架曲线的影响。研究结果不仅对高强箍筋约束高强混凝土构件的应用推广提供必要的试验参考，而且可以对钢筋混凝土结构的抗震设计较好的参考价值。

高强，箍筋，骨架曲线，影响因素

1 引 言

随着对高强材料尤其是对高强钢筋和高强混凝土相关研究的不断深入，其在工程领域的优势日趋凸显，目前对高强材料的研究和应用大多集中在高强混凝土和高强受力钢筋（纵向钢筋），而对于起抗剪和约束作用的箍筋研究较少，尤其是在高强箍筋对高强混凝土抗震性能改善方面的研究还远远不够［1，2］。钢筋混凝土框架结构广泛应用于地震区，为了防止建筑物在地震作用下破坏，需要对结构的抗震性能进行分析。针对在我国大量采用的钢筋混凝土框架结构及其他结构形式，钢筋混凝土柱的抗震性能往往决定了整个建筑的安全性。许多研究者都尝试采用不同的方法来提高建筑的抗震性能，取得了一定的效果。其中，采用高强钢筋和高强混凝土的方法被认为可以有效改善混凝土的脆性，提高其强度和延性，可使得结构的抗震性能得到明显的提高。

将同方向（拉或压）加载的应力-应变曲线中，超过前一次加载最大应力的区段平移相连后得到的曲线称为骨架曲线。也可表述为滞回曲线上同向（拉或压）各次加载的荷载极值点依次相连得到的包络曲线称为骨架曲线。骨架曲线是每次循环加载达到的水平力最大峰值的轨迹，能够反映了出构件受力与变形的各个不同阶段及特性（强度、刚度、延性、耗能及抗倒塌能力等），也是确定恢复力模型中特征点的重要依据，这些都是衡量结构抗震性能的重要指标［3，4］。

为了进一步提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能，提高箍筋对混凝土的约束效果，本文采用高强钢筋做箍筋，针对高强箍筋约束高强混凝土压弯构件的抗震性能，通过低周反复水平加载试验，研究高强箍筋高强混凝土柱的破坏过程中箍筋强度、间距和配箍率等因素对柱承载力和延性性能的影响。

2 试验材料与方法

2.1 构件的制作

本次试验共制作三组6个悬臂约束高强混凝土方柱，截面尺寸为250 mm×250 mm，柱高为1 200 mm，剪跨比为4.0，混凝土保护层厚度为20 mm。为防止柱顶部发生破坏，柱顶设置100 mm箍筋加密区，加密区箍筋间距为25 mm，柱下部设底座梁。设计混凝土强度等级为C50，普通强度箍筋采用HRB400级热轧钢筋，高强箍筋屈服强度约为1 100 MPa；箍筋形式为一笔画井字箍筋，端部设135°弯钩，并深入核心混凝土内部60mm；纵筋为12根直径为12 mm的HRB400级热轧钢筋，均匀分布在截面四周边，纵筋配筋率为2.36%。考虑的影响因素主要包括箍筋强度、箍筋间距及配箍率，具体设计参数情况如下：

（1）箍筋强度：400 MPa和1100 MPa两种。

（2）箍筋间距：以60 mm和80 mm为主，其他间距为42 mm和100 mm。

（3）轴压比：轴压比指柱（墙）的轴压力设计值与柱（墙）的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值，它反映了柱（墙）的受压情况，本试验轴压比为0.5。

试件设计参数见表1。试件尺寸及配筋图如图1所示。

表1 试件详细参数表Table 1 Param eters of specim en

图1 试件尺寸及配筋图（单位：mm）Fig.1 Specimen dimension and reinforcing bars layout（Unit：mm）

2.2 测试方案

加载过程中量测内容包括以下几个方面：

（1）试件所受的水平荷载；

（2）各级荷载下柱顶的水平位移；

（3）柱根部的弯曲变形；

（4）箍筋和纵筋的应变值。

加载装置示意图如图2所示。试件在反复荷载作用下的滞回曲线，可以反映试件在反复受力过程中的变形特征、刚度退化以及能量消耗，是确定恢复力模型和进行非线性地震反应分析的依据。在试件柱顶设置一个位移计，用来测量柱顶在水平荷载作用下的水平位移，从而得到试件的荷载-位移曲线；在底座梁端部安装一个位移计，以测量试件的整体水平滑移；在平行于水平加载方向的北侧柱底部沿45°角方向布置2个位移计，用以测量试件柱底出现塑性变形后的剪切变形；在平行于水平加载方向的南侧柱底部竖向布置2个位移计、垂直于水平加载方向的东西两侧柱底两侧分别布置1个位移计，用以测量柱根部的弯曲变形。为了测得箍筋及纵筋应变，以便了解其屈服和破坏过程，在纵筋与箍筋上沿试件高度布置6道应变片，如图3所示。

图2 试验加载装置示意图Fig.2 Schematic diagram of loading device

图3 钢筋应变片布置图（单位：mm）Fig.3 Arrangement of strain gauges on rebar（Unit：mm）

试验过程中，所有数据均通过TDS-530数据采集仪自动采集，其中水平荷载和水平位移同时传输到X-Y函数记录仪中，用来绘制P-Δ滞回曲线，以监测整个试验的加载过程。

3 试验结果与分析

3.1 破坏过程及形态

试验的试件因剪跨比相同，因此破坏过程和模式相似，只是随着箍筋间距的和箍筋强度的变化而使试件裂缝的开展速度及破坏后承载力的下降略有不同。依据加载过程中控制因素的变化，试件的破坏过程大致可以分为以下两个阶段：

在荷载控制阶段，混凝土开裂之前，试件处于弹性工作阶段，其滞回曲线基本重合为一条直线，试件表面尚未出现裂缝；当水平荷载增加至120 kN左右时，在垂直于水平加载方向的东、西两侧柱根部250 mm高度范围的受拉区和平行于加载方向的南、北两侧柱根部边缘相应位置出现了个别细微的水平裂缝；当水平荷载增加至140 kN～160 kN左右时，试件东、西两侧根部受拉区的水平裂缝进一步扩展形成水平通缝，并有新的水平裂缝形成，试件南、北两侧部分水平裂缝开始斜向发展且角度逐渐增大并向柱中部延伸，柱根角部边缘开始出现细而短的竖向受压裂缝。试件屈服后，开始进入位移控制的加载阶段。

在位移控制阶段，位移1Δy循环过程中，东西两侧的贯通裂缝逐渐增多，南北两侧的裂缝继续向中部扩展，角柱根部的受压裂缝出现密集且开始沿柱身发展；位移2Δy循环过程中，裂缝开展趋于稳定，柱根角部及东西两侧保护层开始小面积剥落；位移3Δy循环时，原有水平及竖向裂缝进一步加宽，柱根部受压区保护层出现局部压碎和外崩现象，并伴有较明显的“噼叭”声；位移4Δy时，柱根部的保护层开始大面积剥落，东西两侧的最大缝宽已接近1 mm，南北两侧柱根部的斜裂缝走向接近45°，纵向钢筋开始压屈；位移5Δy循环时，东西两侧柱根部沿水平方向和南北两侧边缘保护层大面积脱落；高强箍筋试件最终可达7Δy或8Δy，此时柱根部保护层已大部分脱落，钢筋外露，但试件的竖向承载力仍较为平稳，核心混凝土由于受到约束未见明显破坏和压碎，体现出良好的延性性能和抗倒塌能力。各试件最终破坏形态如图4所示。

3.2 滞回性能及耗能能力分析

3.2.1箍筋强度

将试件荷载—位移滞回曲线每次循环的峰值点连接起来得到的包络线称为骨架曲线。它是每次循环的荷载—位移曲线达到的最大峰值点的轨迹，其性状能较为明确地反映结构或构件的强度、变形和延性等抗震性能。同时，骨架曲线还反映了构件的屈服、峰值荷载以及极限等特征点。

图5－图7所示分别为箍筋强度对第一、二和三组构件骨架曲线影响的对比分析图。其中，图5中的配箍率ρv＝1.75%～1.83%；图6中的配箍率ρv＝2.28%～2.33%；图7中的配箍率ρv＝1.70%。

图4 试件破坏图Fig.4 Specimen damage diagram

图5 －图7的图形为实测高强箍筋混凝土试件的骨架曲线。由不同配箍率下试件的实测骨架曲线可以发现：在相近的配箍率下，由于高强箍筋的约束作用，在高轴压比情况下高强混凝土柱的滞回曲线下降较为平缓，不会出现陡然下降的现象，高强箍筋约束混凝土柱的变形能力和延性性能优于普通强度箍筋约束混凝土柱。同时，由无量纲骨架曲线对比可见：采用密配小直径箍筋的试件，其曲线的下降段更加平缓，试件最大荷载之后的承载力衰减缓慢，变形能力增强，延性更好［5］。

图5 箍筋强度对第一组构件骨架曲线的影响Fig.5 Effect of stirrup strength on the skeleton curve of first component

图6 箍筋强度对第二组构件骨架曲线的影响Fig.6 Effect of stirrup strength on the skeleton curve of second component

图7 箍筋强度对第三组构件骨架曲线的影响Fig.7 Effect of stirrup strength on the skeleton curve of third component

3.2.2箍筋间距

图8和图9分别为高强箍筋和普通箍筋构件箍筋间距对骨架曲线影响的对比分析图，其中，图8和图9的图形为实测试件的骨架曲线。由试件的实测骨架曲线和无量纲骨架曲线对比可见，其他条件相同时，箍筋间距较小的试件，骨架曲线下降较为缓慢，循环次数多，强度衰减慢，变形能力大。

图10为具有相同箍筋间距不同箍筋强度试件H-1和N-2的骨架曲线对比图，由无量纲骨架曲线可以明显看出：高强箍筋试件H-1的延性性能明显优于普通强度箍筋试件N-2，由于高强箍筋的直径更细，获得更优延性的同时高强箍筋的用钢量更低，更加经济。

4 结 论

（1）高强箍筋试件体现出良好的延性性能和抗倒塌能力。

图8 高强箍筋试件箍筋间距对骨架曲线的影响Fig.8 The influence of high-strength stirrup spacing on skeleton curve

图9 普通强度箍筋试件箍筋间距对骨架曲线的影响Fig.9 Influence of ordinary strength stirrup spacing on skeleton curve

图10 相同箍筋间距不同箍筋强度对骨架曲线的影响Fig.10 Effect of same stirrup spacing and different stirrup strength on skeleton curve

（2）在相近的配箍率下，由于高强箍筋的约束作用，在高轴压比情况下高强混凝土柱的滞回曲线下降较为平缓，不会出现陡然下降的现象，高强箍筋约束混凝土柱的变形能力和延性性能优于普通强度箍筋约束混凝土柱。

（3）采用密配小直径箍筋的试件，其曲线的下降段更加平缓，试件最大荷载之后的承载力衰减缓慢，变形能力增强，延性更好。

（4）相同箍筋间距不同箍筋强度的前提下，高强箍筋试件的延性性能明显优于普通强度箍筋试件，由于高强箍筋的直径更细，获得更优延性的同时高强箍筋的用钢量更低。

［1］ 阎石，肖潇，张曰果.高强钢筋约束混凝土矩形柱的抗震性能试验研究［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），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）

［2］ 蔡銮，徐栋.钢筋混凝土双向偏心受力截面非线性分析［J］.结构工程师，2012，28（1）：55-59.Cai Luan，Xu Dong.Nonlinear analysis for reinforced concrete sections under biaxially eccentric loads［J］.Structural Engineer，2012，28（1）：55-59.（in Chinese）

［3］ Ishii Takumi.Overview and application of steelmaterial for high-rise building［R］.JFE Technical Report，2009.No.14.

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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

四川省建设厅科技计划项目*联系作者，Email：minghni＠gina.com