箍筋约束混凝土柱受压性能研究

2021-01-09

山东农业大学学报（自然科学版） 2020年6期

三门峡职业技术学院建筑工程学院,河南三门峡472000

随着建筑工业和冶金行业的快速发展，我国已经逐渐提升了建筑用钢的品质和强度等级，摒弃了传统HRB255 以及HRB335 等碳素结构钢的使用，且近年来在建筑用钢产量与使用量不断提升的前提下，我国也在不断追赶世界发达国家高强度等级建筑用钢的步伐，逐渐开发出了HRB400、HRB500 以及更高等级的建筑用钢。近年来，国内外学者采用不同的方法来改进钢筋混凝土框架结构的变形能力，并取得了一定的成绩，研究结果表明，配有高强钢筋的混凝土柱的抗震性能可以得到提高[1,2]。已有的研究结果表明，在钢筋混凝土结构中配制高强度箍筋或者高强度纵筋等都可以极大提升整体建筑结构的抗震性能以及强度和延性等，但是关于高强度箍筋约束高强度混凝土方面的研究报道则相对较少，具体作用机理也不清楚[3,4]。在此基础上，本文通过对比高强箍筋和普通强度箍筋对混凝土的约束作用等，不仅可以对比出高强度箍筋在改善混凝土强度与延性、以及抗震性能方面的优势，还可以为后续开发节约型建筑用钢提供参考。

1 试验材料与方法

为了对比分析箍筋强度、箍筋形式和平均有效约束应力等对轴心受压性能的影响，以高强度箍筋和普通强度箍筋为钢筋混凝土柱用箍筋，设计了6 组约束混凝土棱柱体试件[5]。6 组约束混凝土棱柱体试件的尺寸为150×150×450 mm，使用C40 混凝土。试验过程中所需要考虑的试验参数和试验设计为：（1）箍筋屈服强度：400 MPa 和1100 MPa；（2）箍筋形式：单螺旋箍试件（Type A）和复合螺旋箍试件（Type B）；（3）箍筋间距：35 mm 和45 mm；（4）体积配箍率ρv：1.07%～3.62%。

6 组约束混凝土棱柱体试件的头部和尾部都加设间距15 mm 的长度90 mm 的箍筋加密区；在钢筋混凝土试件制备过程中，箍筋端部需要加工弯钩以加强对混凝土的约束。钢筋混凝土试件设计参数见表1（纵筋为Φ12 mm HRB335 钢筋）。

表1 试件设计一览表Table 1 Parameters of the specimen

在制备过程中，6 组约束混凝土棱柱体试件的制备方式都采用木模板立式振捣浇筑[6]。普通箍筋约束混凝土和高强箍筋约束混凝土试件分别浇筑，成型后进行标准养护。

2 试验结果与分析

2.1 箍筋屈服强度的影响

图1 为不同箍筋强度的钢筋混凝土试件的应力-应变曲线。从图1(a)中高强箍筋约束混凝土试件（HC-1A）的应力-应变曲线可知，增加箍筋强度可以使最大应力和延性都明显增加。图1(b)的应力-应变曲线中可见，普通箍筋的试件在到达极限承载力下迅速下降，而高强箍筋试件经历了较长时间才达到应力峰值，且在峰值应力后的曲线呈现缓慢下降的特征；对比分析图1（b）中普通箍筋和高强箍筋的应力-应变曲线可知，高强箍筋试件具有更高的极限承载能力，且高强箍筋试件延性要明显高于普通箍筋试件。从图1(c)和图1(d)的箍筋约束混凝土试件的应力-应变曲线可知，虽然箍筋的形式不同，但是高强度箍筋约束都可以增加试件的延性；此外，由于在满足设计强度的前提下，高强箍筋的直径可以更加细小，从而可以在很大程度上节省用钢量，达到瘦身和增加延性的双重效果[7,8]。

图1 箍筋约束混凝土试件的应力-应变曲线（箍筋屈服强度）Fig.1 Stress-strain curve of concrete specimen restrained by stirrups(Yield strength of stirrup)

2.2 体积配箍率的影响

图2 为不同体积配箍率试件的应力-应变曲线。由图形对比分析可知，对于单螺旋箍试件，当箍筋强度为400 MPa 时，体积配箍率为2.73%试件的极限承载能力和延性都要明显高于体积配箍率为2.12%试件（图2a）；当箍筋强度为1100 MPa 时，体积配箍率为1.91%试件的延性也要明显高于体积配箍率为1.49%试件（图2b）；当箍筋强度为652 MPa 时，体积配箍率为0.73%试件的延性也要明显高于体积配箍率为0.52%试件（图2c）；对于复合螺旋箍试件，箍筋强度为400 MPa 和1100 MPa时体积配箍率高的试件的最大应力和延性也都高于体积配箍率小的试件。由此可见，在箍筋形式一定前提下，箍筋体积配箍率对试件延性的影响与箍筋强度相似[9]，即都可以一定程度上提升箍筋约束混凝土试件的延性性能；约束混凝土随着体积配箍率的降低表现出明显的脆性[10]。此外，从图2(a)中可以看出，当配箍率下降到1.5%左右时，箍筋并不能对混凝土试件起到良好的约束作用，此时应该作为最低配箍率的配置条件，即为了保证约束混凝土具有足够的承载能力和延性，限制约束混凝土中的最小体积配箍率是必要的[11,12]。

图2 箍筋约束混凝土试件的应力-应变曲线（体积配箍率不同）Fig.2 Stress-strain curve of stirrup confined concrete specimen stress-strain curve of stirrup confined concrete specimen(Different volume stirrup ratios)

2.3 箍筋形式的影响

图3 为箍筋约束混凝土试件的应力-应变曲线，其中箍筋形式不同而配箍率相近。当体积配箍率在1.91%～1.94%和2.73%～2.76%时，配置复合螺旋箍试件的延性要明显高于配置单螺旋箍试件，且在低体积配箍率（1.91%～1.94%）条件下的复合螺旋箍试件的极限承载能力明显较高。综合而言，箍筋形式对约束混凝土的约束效果会产生明显影响，且复合螺旋箍的约束效果会相较于单箍更好。

2.4 箍筋间距的影响

箍筋间距是影响约束力大小和纵筋稳定性的重要因素[13]。图4 为不同箍筋间距试件的应力-应变曲线。由图形的对比分析可知：箍筋间距为35 mm（3 d，d 为纵筋直径）的试件的极限承载力和延性性能明显优于箍筋间距为45 mm（3.75 d）的试件；随着间距的增大，箍筋的约束效果减弱，混凝土的脆性性质趋于明显[14]。