箍筋约束混凝土局部受力试验分析

赖俊钢

（广西路建工程集团有限公司，广西南宁 530001）

0 引言

我国在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》中明确提出“加强建设现代化基础设施体系”。公路桥梁作为交通体系中至关重要的一部分，近年来迅速发展。但随着桥梁跨度的不断增大，相关项目也出现了一系列新的技术问题，对桥梁结构也有了更加严格的要求。对于混凝土桥梁局部受力结构，我国学者进行了很多研究且已有一些成果得以推广应用［1-2］，杨波等［3］对钢纤维混凝土局部承压问题进行了研究，并提供相关计算公式。随着结构形式和材料的发展，邱明红等［4］提出超高性能混凝土（UHPC）局部承压承载力计算方法，为国内UHPC桥梁结构设计规范的编制提供了参考。倪洪将等［5］对比分析了不同加载区域和偏载位置下的混凝土力学性能。肖飞等［6］采用双重环箍的箍筋形式进行局部承压的模拟分析，得出双重环箍的桩柱具有更好的延性和承载力，更利于施工。

混凝土桥梁局部受力结构是通过局部受力区域将荷载传递至支撑结构，然而局部受力区域下的混凝土承受较高的应力会造成桥梁结构变形。通常，采用螺旋箍筋或者焊接网片约束混凝土，通过螺旋箍筋或焊接网片使局部受力区域下的混凝土形成约束混凝土，提高混凝土的强度和刚度。钢筋混凝土结构的局部受力区域的应力应变分布散乱、变形协调困难，因此通常需要将其作为单独隔离体计算受力情况，而目前使用计算机数值分析方法较为复杂。基于此，本文拟通过试验对箍筋约束混凝土局部受力情况进行分析，找出影响混凝土桥梁局部承载力的主要因素，为局部受力结构的设计和计算分析提供思路。

1 局部受力试验

鉴于混凝土局部受力结构在使用年限中会承受多种类型的力，包括拉力、压力、剪切力和扭力等，受力情况复杂，因此本文针对局部受力结构的受压和受剪2 种受力情况进行试验研究。试验设置如下：①试验的试件规格选择150 mm×150 mm×150 mm 的立方体，其中内置的箍筋采用2 种方式，即矩形螺旋箍筋和矩形箍筋。②选择C60 标号的混凝土材料、直径为6 mm 的高强度钢筋和HRB500 热轧带肋钢筋，其中钢筋抗拉强度不低于1 860 MPa。③一共设计3组试验，分别为A 组、B 组和C 组，其中每组试验7 个试件。在试验过程中，对每组试件的筋强度、配箍率和箍筋类型进行设置，每组试验的箍筋间距从最初的2 cm 逐渐增加到8 cm，而配筋率也从最初的1.38%逐渐降至0.25%。A 组和B 组试验采用矩形螺旋箍筋，其中A 组试验的抗拉强度为1 860 MPa，而B组试验的抗拉强度为630 MPa，C 组试验采用矩形箍筋，其抗拉强度为1 860 MPa。试件编号及参数设计见表1。

表1 试件编号及参数设计

1.1 局部受压试验

进行局部受压试验时，主要采用圆柱体刚性模型模拟箍筋约束混凝土的局部受压情况，该模型通过模拟混凝土在箍筋约束下的受力情况，帮助研究人员开展局部受压试验。试验中使用万能材料试验机辅助加载，通过控制位移的加载方式，确保施加荷载的稳定性，当试件被加载至完全受损时，局部承载力的大小为局部受压的极限承载力。试验中箍筋约束混凝土的局部受压模拟如图1所示，其中Q表示轴向压力，h表示试件的高度，b表示试件的宽度。

图1 箍筋约束混凝土的局部受压模拟

1.2 局部受剪试验

混凝土桥梁的局部受压结构被破坏时，主要表现为劈裂破坏和剪切破坏2 种形式。然而，当前对混凝土桥梁的局部受压结构的受剪承载力试验的研究较少。因此，为确保试验数据的科学性和可信度，在进行局部受压结构受剪试验时，主要采用箍筋约束混凝土构件进行剪切试验。通过对箍筋强度、箍筋形式和箍筋配筋率3个参数进行数据研究和分析，总结受剪极限承载力的变化规律，为后续受剪结构试验提供数据参考和依据。剪切试验步骤按照本文“1.1”章节中的试验方法进行，混凝土桥梁的局部受压结构的加载实验过程如图2所示。

图2 混凝土桥梁的局部受压结构的加载实验过程

2 结果分析与讨论

2.1 局部受压试验结果

表2为不同变量下局部受力结构的局部受压极限承载力大小，从表2中的数据可以分析得出，当箍筋的螺距从20 mm 增加至80 mm 时，1 860 MPa 螺旋箍筋的强度从296.64 MPa 逐渐下降至128.33 MPa；HRB500 螺旋箍筋的强度从171.46 MPa 逐渐下降至87.04 MPa；1 860 MPa 矩形箍筋的强度从301.24 MPa逐渐下降至134.99 MPa。以上结果说明：随着螺距的不断增加，3种箍筋的强度均逐渐下降。其中，当箍筋的螺距从20 mm 变为30 mm 时，1 860 MPa 螺旋箍筋强度降低了60.62 MPa；HRB500 螺旋箍筋强度降低了37.24 MPa；1 860 MPa 矩形箍筋强度降低了64.13 MPa，3 种箍筋的局部受压极限承载力均大幅度下降。

表2 局部受压极限承载力试验值

图3 为局部受压承载力试验结果。通过对图3 中的箍筋约束混凝土局部受压承载力试验结果进行分析，得出以下结论。

图3 局部受压承载力试验结果

（1）结合表2 中数据的发现，矩形箍筋约束混凝土构件的局部受压极限承载能力较好，与矩形螺旋箍筋约束混凝土试件相比，两者之间的承载能力差距较小。

（2）如果选择矩形箍筋作为箍筋的形式，并且箍筋强度为1 860 MPa 时，箍筋约束混凝土构件的局部受力极限承载力约是HRB500 螺旋箍筋约束混凝土构件的承载能力的1.5倍。

（3）分析图3 可以发现，箍筋约束混凝土构件的局部受压极限承载力与配筋率呈线性正比关系。当配筋强度相同时，线性方程的斜率越大，箍筋的强度越高，意味着其承载能力越大，特别是当配筋强度达到1 860 MPa 时，箍筋约束混凝土构件的承载能力增长显著，增长速度最快。

2.2 局部受剪试验结果

表3 为不同变量下箍筋约束混凝土局部受力结构的局部受剪极限承载力试验值，从表3中的数据分析得出，当螺距从20 mm 增加到80 mm 时，1 860 MPa螺旋箍筋的强度从601.3 MPa逐渐下降到333.6 MPa，HRB500 螺旋箍筋的强度从450.2 MPa 逐渐下降到249.8 MPa，1 860 MPa 矩形箍筋的强度从610.2 MPa逐渐下降到328.4 MPa。以上结果说明，无论采用哪种类型的箍筋，随着其螺距的不断增加，抗剪承载力不断降低。

表3 局部受剪极限承载力试验值

根据图4 中的箍筋约束混凝土局部受剪承载力试验结果，可以得出以下结论。

图4 局部受剪承载力试验结果

（1）当钢筋的强度达到1 860 MPa 时，与螺旋箍筋约束混凝土构件相比，采用矩形箍筋的约束混凝土构件的局部受剪承载力高出约1/3。因此，矩形箍筋的约束混凝土在局部受剪承载力方面的表现更出色。

（2）如果配筋率相同，相比HRB500螺旋箍筋约束混凝土构件，1 860 MPa螺旋箍筋约束混凝土构件的局部受剪承载力高出约1/4，说明高强度的1 860 MPa螺旋箍筋在局部受剪承载力方面具有明显的优势。

（3）图4 为局部受剪承载力试验结果。根据图4可知，箍筋约束混凝土构件的局部受剪承载力与配筋率成正比关系，斜率越大，即配筋率越高，钢筋强度越高，承载力也随之增强。

2.3 工程应用建议

结合本次试验结果和研究人员的施工经验，针对箍筋约束混凝土构件局部受力结构强度低的问题，本文提出提高局部受力结构整体强度的建议。首先，针对混凝土钢筋结构，在选择钢筋材料时应考虑选用高强度的钢筋材料，提升钢筋混凝土的约束能力和强度，增强局部受力结构的抵抗能力，最大限度地降低局部受力结构受损的可能性，提高建筑物受力区域的稳定性和安全性。其次，在相同结构强度的条件下，除了选择高强度的钢筋材料，还应该相应地减小钢筋率，不仅有助于提高混凝土浇筑的效率，还能够在确保浇筑质量的同时降低材料成本，实现经济效益和结构性能的平衡。

3 结语

本文针对箍筋约束混凝土结构的受压和受剪性能进行试验研究，得出关键性结论如下：①在受压方面，局部受力结构的受压极限承载力与配筋率呈正比关系。当配筋强度相同时，线性方程的斜率越大，钢筋的强度越高，结构的承载能力提高越快。②矩形箍筋约束混凝土试件相对于螺旋箍筋试件具有更高的承载能力，能提高受力结构的受压性能。③在受剪方面，局部受力结构的受剪承载力包括混凝土抗剪承载力和箍筋抗剪承载力，通过采用高强度的箍筋配置，可以显著提高结构的抗剪承载力。矩形箍筋相对于螺旋箍筋可以使箍筋约束混凝土试件的受剪承载力提高约35%。④当配筋率相同时，HRB500 螺旋箍筋约束混凝土构件相对于1 860 MPa螺旋箍筋约束混凝土构件的局部受剪承载力略低，表明配筋率与局部受压和受剪承载力都呈线性正比关系，并且高强度的钢筋配置可显著提高结构的承载能力。