配置HRB600E高强钢筋的混凝土柱抗震性能试验研究

戎贤 杜金 陈晨曦 常伟峰 张健新

摘要：HRB600E钢筋是一种新型高强度钢筋，为改善矩形柱抗震性能并推广HRB600E级高强钢筋的应用，本文通过对6个配置HRB600E钢筋的不同轴压比、钢筋强度和纵筋配筋率的混凝土矩形柱进行低周往复荷载试验，得到试件的滞回曲线、骨架曲线和纵筋应变曲线。对比分析高强钢筋混凝土柱的破坏特征、滞回特性、骨架曲线、刚度退化等抗震性能指标。研究结果表明：配置HRB600E高强钢筋混凝土柱破坏特征与配置普通钢筋混凝土柱相似;通过减小轴压比或增加钢筋强度均能改善配置HRB600E高强钢筋试件的滞回特性，减缓刚度退化，提高试件的抗震性能;配置高强钢筋的构件与高强混凝土配合使用时受力性能更优。

关键词：HRB600E钢筋;框架柱;轴压比;纵筋率;抗震性能

中图分类号：TU375.3   文献标志码：A   文章编号：

Abstract： HRB600E bar is a new type of high-strength reinforcing bar. For improving the seismic performance of rectangular columns and popularizing the application of HRB600E bar， the reversed cyclic loading test for different coaxial compression ratio， reinforcement strength and longitudinal reinforcement ratio is carried out for the six high strength reinforced concrete column with HRB600E bars. The hysteric curve，skeleton curve，longitudinal reinforcement strain curve of specimen under low cyclic reversed loading were obtained. The failure characteristics， hysteresis characteristics， skeleton curves and stiffness degradation of high strength reinforced concrete columns are analyzed. The results showed that the failure characteristics of the high strength reinforced concrete column with HRB600E are similar to the normal reinforced concrete column. Reducing the axial compression ratio or increasing the reinforcement strength can improve the hysteresis characteristics of high strength reinforced concrete columns with HRB600E bars. The seismic performance of the specimen can be improved by reducing stiffness degradation. The mechanical behavior of the high strength reinforced concrete columns is better when used with high strength concrete.

Keyword： HRB600E bars; Frame column; Axial compression ratio; longitudinal reinforcement ratio; Seismic performance

0引言

HRB600E钢筋具有强度高、安全储备量大的特点，是一种经济、高效的新型钢筋[1-2]。国外学者OUSALEM[3]等，RAUTENBERG[4]等， TOKGOZS[5]等，KARAYANNIS[6]等做了许多关于配置高强钢筋结构体系的各类试验研究及分析，实验结果表明，在混凝土柱中采用高强钢筋可在一定程度上提高试件延性性能，减小残余变形，降低耗能，在一定程度上减少箍筋用量。

当前，国内也进行了配置600MPa高强钢的筋混凝土柱的试验研究[7-12]，戎贤 [13-14]对配置HRB600高强箍筋的T形柱和十字形柱进行抗震试验研究，试验结果配置该钢筋的混凝土异形柱具有良好的承载能力和变形能力，同时增加钢筋的配箍率可在一定程度上提高试件的变形能力，增强构件的延性性能。苏俊省[15]和王君杰[16]分别对配置HRB335、HRB500E、HRB600钢筋的混凝土柱进行低周反复试验的抗震性能差异。从纵筋强度、箍筋强度及混凝土强度三个因素分析其对试件抗震性能的影响。结果表明：相比配置普通钢筋的混凝土柱，配置了高强钢筋的混凝土柱的抗震性能相近，但采用HRB600級钢筋能够在一定程度上减少钢筋用量，降低能耗。

现阶段实行的《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）中虽已列入HRB500钢筋，但未列入HRB600钢筋[17]。高强钢筋应用技术水平与国外还有也有显著差距。为改善矩形柱抗震性能并对HRB600E钢筋进行进一步推广应用，本文对配置HRB600E钢筋的混凝土矩形柱试件进行低周往复荷载试验，研究其抗震性能并分析轴压比、钢筋强度和纵筋配筋率对试件抗震性能影响。

1试验概况

1.1 试件设计

试验以轴压比、钢筋强度和纵筋率为变化参数，共设计制作6个混凝土矩形柱试件。试件柱高1200mm，截面尺寸为300mm×300mm，保护层厚度为20mm，试件设计参数如表1所示，试件的几何尺寸及配筋如图1所示。为避免强剪力的影响，试件剪跨比λ均为3.5，该试验采用C50混凝土，试验前期测量混凝土立方体抗壓强度，实测平均值为51.5MPa，根据《混凝土结构试验方法标准》（GB/T50512-2012）计算得混凝土轴心抗压强度值为33.1MPa，对应其弹性模量34.8GPa。试件中钢筋的力学性能如表2所示。

1.2加载装置及制度

该试验采用拟静力加载制度，试验加载装置和加载程序见如图2所示。

基于《建筑抗震试验规程》（JGJ/T 101-2015），本次实验方案采用力-位移混合控制的加载方式。试验在开始时首先按照表1在混凝土柱柱顶施加相应的轴力，屈服荷载试验值为钢筋第一次达到屈服时施加的荷载值，此时对应的位移为试验屈服位移，在力控制阶段分3～5次加载使得试件屈服。当试件达到屈服后由力控制转向位移控制并进行下一个阶段的加载，此阶段以屈服位移的整数倍数进行逐级加载，每次加载时，荷载循环三次，当试验荷载降为本次试验的峰值荷载的85%以下时，终止试验，认为试件破坏。

2试件破坏特征

各个试件的裂缝开展与破坏情况基本一致，试件的裂缝开展及破坏形态如图3所示。

对比各个试件破坏特征可以发现：各试件破坏形态均为弯曲破坏。加载试件首先在受拉区距柱底50～100mm处产生细微的水平受弯裂缝;随着荷载的增加，构件裂缝不断增加并形成贯通裂缝，并向非加载面延伸，钢筋屈服后试件出现残余变形，裂缝进一步扩展，位移控制时，柱底混凝土受压起皮，柱脚开始被压裂;随后，纵筋位置对应的构件表面发生沿纵筋方向的竖向裂缝，并沿纵筋逐渐向上延伸，混凝土逐渐被压碎，混凝土保护层剥落，钢筋外露，试件达到破坏。

通过对C-F1、C-F2、C-F3三个试件的对比可知，轴压比较大的试件开裂和塑性铰产生的相对较晚，裂缝开展更为缓慢，承载力相对提升，但混凝土压碎情况更为严重，表明增大轴压比可以提高骨料的咬合性能并在一定程度上推迟裂缝的产生和发展，但构件破坏形态加重。

通过对试件C-F2、C-M1、C-M2三个试件对比可知，随着钢筋强度的增加试件达到屈服的荷载和位移增加，裂缝宽度增大且数量增多，混凝土压碎的更加严重，但是破坏位移稍有减小。

通过对试件C-F2、C-ZJ两个试件对比可知，随着试件纵筋配筋率的增加，破坏时钢筋与混凝土之间出现裂缝较早，混凝土破坏严重，为了防止发生粘结破坏，建议限制构件配置高强钢筋时的纵筋配筋率。

3试验结果分析

3.1滞回特性

各试件根据试验得到试件的水平荷载-柱顶位移曲线如图4所示。

分析滞回曲线反映出配置高强钢筋的矩形截面柱具有以下特点：

（1）各试件的滞回曲线均呈现梭形。在试验加载初期，试件处于弹性阶段，对应的滞回曲线近似呈现线性关系，残余变形较小，耗能较小。试件加载至屈服时，试验加载方式由力控制转到由位移控制，试件的变形不断增大，滞回曲线逐步趋近饱满，同时表现出明显的非线性趋势，耗能增强，承载力有所提高。

（2）通过对C-F1、C-F2、C-F3三个试件对比可知，当轴压比逐步增加时，单次循环的耗能能力有所增加，循环次数减少，试件的延性降低。

（3）通过对C-M1、C-M2、C-F2三个试件对比可知，随着钢筋强度的提高，滞回滞回环循环次数减少，试件的承载力有所上升。

（4）通过对C-F2、C-ZJ三个试件对比可知 ，提高纵筋率，试件的承载力明显提高，变形能力有所增加，滞回环更加饱满。

3.2位移和延性分析

各试件的屈服状态、峰值状态和破坏状态所对应的荷载、位移及位移延性系数如表3所示。因在试验位移加载阶段，当试验荷载降为峰值荷载的85%以下时，即认为试件破坏。故试件破坏状态下的荷载即为0.85倍的峰值荷载，此时对应的位移值为破坏位移。

将各试件的承载力、位移及延性进行比较，可以得出以下结论：

（1）各试件的位移延性系数均值都达到3以上，表明配置HRB600E钢筋混凝土柱具有较好的变形能力。

（2）通过对C-F1、C-F2、C-F3三个试件对比可知，随着轴压比的增加，竖向约束作用增强，改善了骨料咬合作用，同时使试件的受压区高度增加，试件承载力提高，C-F3比C-F1的峰值荷载增大了30.6%，但是试件C-F1、C-F2、C-F3的破坏位移分别为55.69mm、44.87mm、39.39mm，位移延性系数分别为4.60、3.65、3.61，表明轴压比增加，试件开裂荷载和承载力增大，延性降低。

（3）通过对C-M1、C-M2、C-F2三个试件对比可知，随着钢筋强度的提高，试件C-F2的峰值荷载比C-M1、C-M2分别增大27.6%、10.9%，试件C-F2的位移延性系数比C-M1、C-M2分别减少17.2%、1.4%。表明高强钢筋可以增加试件的承载力，但是延性性能有所降低。

（4）通过对C-F2、C-ZJ两个试件对比可知，提高纵筋率，试件C-ZJ的峰值荷载比C-F2提高了29.7%，破坏位移增加了9.1%，位移延性系数减少了15.9%，表明增加配筋率可以增加试件的承载力，但是延性性能减低。

分析滞回曲线反映出配制高强钢筋的矩形截面柱具有以下特点：

（1）在试验加载初期，骨架曲线近似相同，斜率最大，随着加载的不断进行，试件受拉区出现开裂，进而裂缝不断开展，试件进入弹塑性工作阶段，骨架曲线斜率减小，直到试件达到极限承载状态，随后表现出明显的刚度和强度退化特征。此外各试件骨架曲线总体较为对称，在破坏阶段，负向加载时荷载下降较为迅速，曲线下降速率较为一致。

（2）通过对C-F1、C-F2、C-F3三个试件对比可知，相较于高轴压比试件，低轴压比构件强度退化明显较晚，说明轴压比较低的时间累积损伤发展相对较慢，相对有利于抗震。

（3）通过对C-M1、C-M2、C-F2三个试件对比可知，试件的峰值荷载随钢筋强度的提高而增大，进而提高了试件的承载力，试件的初始刚度有所增加，但是会相应的降低延性。

（4）通过对C-F2、C-ZJ两个试件对比可知，提高试件的配筋率，承载力会有明显提高，曲线上升和下降段更加陡峭。

3.4刚度退化

各试件刚度退化曲线如图6所示。

对比分析图6各试件的刚度退化曲线可知：

（1）试验中各个试件的刚度退化曲线呈现明显的非线性变化且对称性相对而完好。试验加载初期曲线斜率较大，呈现出陡峭的趋势。当试验加载至屈服之后刚度退化速率有所降低，加载至峰值之后，材料塑性变形累计，刚度退化曲线斜率降低，趋势趋于平缓。

（2）通过对C-F1、C-F2、C-F3三个试件对比可知，随着轴压比增大，试件竖向约束逐步加大，高轴压比试件的初始刚度有显著增强，但轴压比大的试件刚度退化速率有所较快，混凝土的压碎更为严重，不利于结构抗震。

（3）通过对C-M1、C-M2、C-F2三个试件对比可知，提高钢筋强度，试件的初始刚度基本无影响，但钢筋强度越高刚度退化速率有所减缓。

（4）通过对C-F2、C-ZJ两个试件对比可知，提高纵筋配筋率会使得试件的初始刚度有明显增大，配置HRB600E钢筋的试件在负向刚度退化率下降得到减缓，但延性相对较小。

3.5耗能能力

试验中各个试件的等效黏滞阻尼比—位移曲线如图7所示。

分析上图各条曲线可知：

（1）所有试样的等效粘滞阻尼系数先减小后增大，然后逐渐增大。在试验加载初期，试样现弹性状态，裂纹开展不多。弹性面积的增加显然大于滞回环面积的增加，故在试验初期等效粘滞阻尼比-位移曲线表现出下降趋势，当试验加载至屈服阶段及以后时，裂缝不断发展，塑性损伤不断增加，耗能增加，故曲线不断上升。

（2）通过对C-F1、C-F2、C-F3三个试件对比可知，随着试验的轴压比不断增加，高轴压比构件在加载后期，其塑性性能无法得到足够的发挥，试验加载到破坏荷载时试件耗能能力有所提升。

（3）通过C-M1，C-M2、C-F2的对比可知，提高钢筋强度试件C-F2的等效黏滞阻尼比低于试件C-M1和C-F1的曲线，表明钢筋强度的提升使试件的耗能能力下降。

（4）通过C-F2、C-ZJ两个试件对比可知，试验中C-ZJ配筋率较大，纵筋直径较大，与混凝土之间的粘结作用减小，相较与试件C-F2，试件C-ZJ的耗能能力有所降低。

4 结论

通过对6个配置HRB600E钢筋混凝土柱进行低周反复荷载试验研究，得出如下结论：

（1）试验中各试件的位移延性系数均值都达到3以上，满足延性要求。配置HRB600E级箍筋的试件表现出良好的变形能力，并且在同等条件下，配置HRB600E级纵筋的试件达到屈服时，荷载和位移有所增加，对应试件滞回环形状相对饱满，其骨架曲线和刚度退化曲线总体较为对称，刚度退化减缓，试件的抗震能力显著提高。

（2）增加配置HRB600E钢筋混凝土柱的轴压比，承载力增大，总耗能能力略有提升，但刚度退化的速率加快，延性降低。

（3）增加配置HRB600E钢筋混凝土柱的纵筋配筋率，混凝土压溃严重，骨架曲线上升和下降段更加陡峭，承载能力提高，变形能力增加，耗能能力降低。

5 現阶段研究对比

在国家大力提倡节能减排、绿色环保的时代背景下，普通强度钢筋作为土木工程建设用钢主材的状况已无法满足建设发展的需要，现阶段许多科研单位及院校对配置600MPa钢筋的混凝土柱有所研究。刘彬[18]对配置HRB600箍筋的混凝土短柱进行实验，研究表明密配高强箍筋的混凝土短柱在高轴压比下具有良好的延性，八角箍筋和井字箍筋比矩形箍筋的抗震性能更优;张建伟[19]对配置HRB600级钢筋高强混凝土柱的轴心受压力学性研究，结果表明：随着混凝土强度等级的提高，HRB600级钢筋高强混凝土柱的承载力明显提高;增大配箍率，可以提高柱的承载力和延性，并给出HRB600级钢筋的抗压强度值取500MPa时有足够的安全储备。张萍[7]研究了轴压比对配置HRB600钢筋作为箍筋混凝土柱抗震性能的影响，研究认为随着轴压比的增大，试件抗震性能将变差。戎贤 [13-14]对配置HRB600高强箍筋的T形柱和十字形柱进行抗震试验研究，结果表明增加钢筋的配箍率可在一定程度上提高试件的变形能力，增强构件的延性性能。

研究发现，现阶段多数研究为对600MPa钢筋作为箍筋配置在混凝土柱，或配置600MPa钢筋的异形柱实验研究。本试验对轴压比的研究影响，和现有研究结论一致：配置高强钢筋可使得构件承载力增大，延性降低。试验将600MPa钢筋应用在结构中常见的矩形柱中，并在研究基础上增加了与现常用钢筋型号的对比，并增加纵筋配筋率的影响因素。结果表明增加配筋率后虽可提高承载力，但极限位移减小，残余刚度较大，耗能能力降低，建议对配置高强钢筋时的纵筋配筋率再加以限制。

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（編辑：胡玲）