区域约束混凝土发展简述

2015-10-21潘金和黄宗辉

建筑工程技术与设计 2015年8期

潘金和黄宗辉

【摘要】鉴于区域约束混凝土诸多的优越性，发展和研究区域约束混凝土具有至关重要的意义。本文对区域约束混凝土的截面构造、截面应力分布和关于区域约束混凝土的相关研究进行了简单介绍。

【关键词】区域约束混凝土；约束机制；承载力；抗震性能

0引言

在约束混凝土的发展过程中，为了适应不同的需求，人们提出了各种各样的约束方式。就矩形截面柱而言，传统的约束方式主要有螺旋箍筋约束、复合箍筋约束、井子箍筋约束等形式（图1）。对这些约束方式构件的分析发现，不管采用哪种配筋形式，就构件截面而言，约束强度最高的部位都在构件的核心区。采用这些约束方式，对于轴心构件来说是非常有利的，但实际工程中，真正的轴心受压构件很少，取而代之的是大量的偏心受压构件，对偏心受压构件，如果仍采用传统的约束方式，约束的有效性不足。为了解决偏心受压构件中混凝土约束强度利用不高的问题，提出了区域约束混凝土的概念。

图1 传统约束混凝土截面形式

1区域约束混凝土截面构造分析

图2为区域约束混凝土典型截面，从图中可以看出，区域约束混凝土的配筋形式与传统约束混凝土有着显著不同。按照区域约束配筋方式，在构件四角边缘的箍筋量为其他地方的二倍，因此角部区混凝土受到的约束要强，而其他地方受到的约束相对较弱。根据混凝土受到的约束强弱不同，我们将角部受到约束较强的区域I称为强约束区，而把中间约束相对较弱的区域II称为弱约束区。这样，整个构件截面就被划分成了强约束区、弱约束区和保护层。

由于将构件截面划分成了强弱约束区，II区约束混凝土的强度没有I区约束混凝土的强度高。在轴心受压的的情况下，当轴向力大小达到II区约束混凝土的强度时，II区混凝土开始破坏，构件的竖向承载力降低，侧向刚度也大大降低。但I区混凝土仍然保有较好的强度，从而形成以四个强约束区为主体的分体柱，在整体刚度大幅下降的同时，承载力不会显著下降。这也正是抗震所需要的。

2区域约束混凝土截面的受力分析

在箍筋约束的混凝土中，箍筋对混凝土的约束效果主要取决于箍筋的刚度和箍筋的自由长度。通过与传统的井字箍筋约束柱（图1a）进行比较我们可以发现：井字配箍柱箍筋由一个大方箍及两个小的矩形箍组成，大方箍各边的自由长度较大，其中部对混凝土的约束作用很小，而矩形箍有一个边的自由长度小，另一个边自由长度大，长度小的那个边对混凝土的约束较大，而另一边因为靠近截面中部，对约束基本上没有贡献；区域约束混凝土柱的箍筋则由四个矩形闭合箍筋组成，每个面包括一长边和边缘的两个短边，角部箍筋量大大于中间，因此角部混凝土受到的约束强，而中间部分混凝土受到的约束相对弱些。

图3 传统约束和区域约束混凝土截面应力分析

在弹性工作阶段，假设箍筋对混凝土的约束应力大小是箍筋抗弯刚度的函数，且箍筋只对封闭区域内混凝土产生约束作用。按此假定可以得到传统井字配箍形式和区域约束配箍形式对混凝土柱截面产生的应力分布图（图3）。由图中可以看出，区域约束混凝土柱的约束应力在柱角部最大，且分布较为均匀，能有效提高混凝土的约束强度，进而提高构件的承载能力。

在图3中，假设柱子在两种配箍形式下的轴向力相同，混凝土横向变形相同，箍筋型号和截面面积相同，则在传统井字筋约束中的1、2号箍筋产生的y方向的拉力为：

（2-1）

则柱子在传统井字箍筋约束下产生的横向约束合力为：

（2-2）

而区域约束的1、2号箍筋在y方向产生的拉力为：

（2-3）

则柱子在区域约束下产生的横向约束合力为：

（2-4）

可以看出，这说明在同等配箍率下，箍筋屈服前，区域约束混凝土柱的约束效率是传统井字箍筋约束柱的1.5倍。

3区域约束混凝土的相关研究

区域约束混凝土从提出开始到现在，以贵州大学曹新明为核心的区域约束混凝土研究团队已经做了大量的研究。迄今为止，已经做了区域约束混凝土轴心受压短柱实验、区域约束混凝土短梁抗剪实验、梁受弯实验、区域约束混凝土柱小偏心受压实验、钢筋区域约束混凝土和角钢区域约束混凝土柱往复荷载实验。

区域约束混凝土轴心受压短柱试验发现，传统井字箍约束混凝土柱在配箍率较低时，构件的破坏为脆性破坏，破坏时形成上下两个锥体，当配箍率较高时，破坏为剪压破坏，形成斜剪面。而区域约束混凝土柱，先是中间部分约束较弱的混凝土被压碎，形成分体柱，分体柱能在较低荷载作用下持续变形而不进一步破坏。