螺旋箍筋混凝土短柱低速冲击作用实验研究

闫 艳，周锡武 *，王 波，郭沫锋

（佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山 528225）

螺旋箍筋柱以其优良的构造性能与抗冲击性能，正广泛应用于各种建筑，因此研究螺旋箍筋约束混凝土的冲击破坏性能对建筑物的抗冲击设计具有重大意义。对于螺旋箍筋构件静态力学研究［1-4］和约束混凝土的应力应变关系研究［5-9］，前辈们做了很多理论分析。王刚［10］进行了钢筋混凝土柱抗落石撞击试验研究，研究落石撞击对钢筋混凝土柱的损伤影响，并提出实用的抗撞击处理措施。顾乡［11］以G213线川主寺至汶川路灾后复建工程中一桥梁为研究背景，采用显示动力分析方法,研究落石冲击作用下桥梁墩柱的动态响应、损伤规律及其剩余承载力和桥墩受损后的通行能力评估。张曰果等［12］研究了高强度螺旋箍筋约束下的高强混凝土圆柱的延性性能与其影响参数之间的关系，编制了配有高强钢筋的高强混凝土圆柱延性性能的非线性分析程序,对影响其延性的主要参数——轴压比、体积配箍率、箍筋强度、纵筋配筋率等参数的影响规律进行数值分析，揭示该类构件的位移延性系数与其影响参数之间的关系。任晓丹［13］等研究了不同加载速率下的箍筋约束混凝土力学性能，发现混凝土单轴受压性能会受到配箍率、应变率和混凝土强度等级三者的共同影响。湖南大学张怀安［14］和孙晓逊［15］探究了落锤轴向冲击作用下CFRP-螺旋箍筋复合约束混凝土的抗冲击性能。讨论了FRP 约束混凝土构件和螺旋箍筋约束混凝土构件的性能特点，在此基础上提出了FRP-螺旋箍筋复合约束混凝土构件。

1 试验概述

1.1 试验设计

本试验设计了10 根不同箍筋间距和直径的钢筋混凝土短柱，试件设计参数见表1。试件长为1 000 mm，直径为340 mm，保护层厚度为25 mm，试件混凝土为本地生产C40 混凝土，箍筋采用Ⅰ级热轧钢筋HPB300，纵筋采用Ⅲ级热轧钢筋HRB335，材料参数见表2。

表1 试件设计参数

表2 材料性能

1.2 试验方案

本试验在佛山科学技术学院超高落锤试验室进行，采用图1 示意的最新型超高落锤试验机加载。试验落锤质量为780 kg，将落锤提升至0.5 m，对每根试件依次进行9 次等高度轴向冲击试验，通过改变冲击次数实现不同冲击能量的输入。

图1 落锤冲击试验装置

冲击时试件被竖直放在钢制圆环底座内，底座只起安全防护作用，不对试件产生任何约束，底座用螺栓固定在地面钢板上。为防止试件受冲击力后反弹，试件顶部用绳子栓紧固定。将冲击锤头与试件轴线物理对中，试验中保持锤头中心与试件中心在一条直线上。本试验采集的数据包括冲击力时程曲线、钢筋应变时程曲线和试件表面裂缝发展。其中，冲击力由锤头的压力传感器进行测量。

2 试验结果与分析

不同箍筋间距和直径的螺旋箍筋试件的冲击力时程曲线对比如图2～3 所示，为方便比较，将每次冲击开始时间定为0 时。从图2 中可以看到，箍筋直径相同时，螺旋箍筋在低速轴向冲击荷载作用下的冲击力时程曲线基本相同。而箍筋间距相同时，试件轴向冲击力时程曲线变化较大，说明螺旋箍筋直径对轴向冲击力的影响大于螺旋箍筋的间距对其的影响，如图3 所示。从落锤接触撞击到反弹卸载，此时柱还未来得及变形，冲击力主要由柱的刚性平衡。冲击力峰值后续时程曲线为冲击柱构件震荡期曲线，配筋率越大，震荡越强烈。

图2 箍筋直径不同时试件冲击力时程曲线

图3 箍筋间距不同时试件冲击力时程曲线

由表3 可以看出，冲击力峰值与短柱静载极限承载力呈正比关系，即F=αN，与普通箍筋约束混凝土相比，本试验条件下螺旋箍筋将短柱的冲击承载力平均提高了33%，说明螺旋箍筋能大大提高了短柱的冲击承载力。

表3 螺旋箍筋短柱试件冲击力峰值

图4a 与图4b 对比可知，箍筋直径-冲击力峰值曲线斜率均大于箍筋间距-冲击力峰值曲线，说明螺旋箍筋的直径对冲击承载力的影响大于螺旋箍筋的间距对其的影响，且当螺旋箍筋的直径越大时，箍筋间距对冲击承载力的影响越小。由图4c 可知，冲击力峰值随着配箍率增大呈二次线性增大，在配箍率较大（1.94%～2.91%）时，斜率较小，冲击力随配箍率增大幅度较小；在配箍率较小（0.68%～1.83%）时，斜率较大，冲击力随配箍率增大幅度较大。由此可得，随着螺旋箍筋配箍率的增大，配箍率对试件冲击力峰值的影响减弱。

图4 不同配箍方式-冲击力峰值曲线

3 结论

本文通过试验、理论分析相结合的方法，详细分析了9 根不同配箍率螺旋箍筋混凝土短柱在冲击荷载作用下的冲击力，研究不同短柱配箍形式对螺旋箍筋约束混凝土短柱冲击力的影响，得到以下结论：1）螺旋箍筋的直径对冲击承载力的影响大于螺旋箍筋间距对其的影响，且当螺旋箍筋的直径越大时，箍筋间距对冲击承载力的影响越小。2）冲击力峰值随着配箍率增大呈一次线性增大，在配箍率较大（1.94%～2.91%）时，配箍率增大对冲击力峰值影响较小；在配箍率较小（0.68%～1.83%）时，配箍率增大对冲击力峰值影响较大。