张 缜，周仁战

（蚌埠学院 土木与水利工程学院，安徽 蚌埠233000）

0 引言

随着城镇化和工业化进程的快速推进和人们对居住需求的提高，国内建筑施工量在近年来迅猛提高，对钢筋混凝土结构综合性能的要求也呈现逐年提升的趋势.钢筋混凝土结构中的主要结构材料，箍筋起着连接受力主筋和受压区混筋骨架的作用［1］，可以满足斜截面抗剪强度的要求.然而，传统的箍筋强度较低，在往复周期性荷载作用下，箍筋对混凝土的约束作用较差，抗震性能较低［2］.随着材料科学与冶金工程技术的发展，近年来，采用先进热处理方法已经具备生产高强度级别箍筋的能力，但是对于高强度箍筋约束混凝土的抗震性能方面的研究较少［3-5］.本文考察了不同强度级别的箍筋材料在低周往复荷载作用下的力学性能，其结果有助于提高高强箍筋在钢筋混凝土结构中的应用，并有助于提升建筑结构抗震性能.

1 试验材料与方法

本文共设计了5 种箍筋混凝土柱，编号分别为A16-10-100（简称A）、A16-7.5-100（简称B）、A22-7.5-100（简称C）、B16-12-150（简称D）和B16-9.5-150（简称E），试件参数如表1 所示，其中，箍筋序列中的AR和B分别表示550级钢筋和335级钢筋，箍筋混凝土柱的轴压比都为0.9.

表1 箍筋混凝土柱的试件参数

箍筋混凝土柱使用的混凝土为C30硅酸盐混凝土，箍筋混凝土柱的配置示意图如图1所示，分别列出了柱平面、梁截面、立面和柱截面配筋情况.

图1 箍筋混凝土柱的配置示意图

根据GB/T 50152-2012 标准制备了混凝土立方体试块，得到立方体抗压强度标准值为31.6 MPa、圆柱体抗压强度标准值为25 MPa、轴心抗压强度标准值为21.18 MPa、轴心抗压强度设计值为15.16 MPa.根据GB/T 228.1-2010标准对所使用的钢筋进行室温拉伸性能测试，550级钢筋的抗拉强度为640 MPa、弹性模量为1.9×105N/mm2，335 级钢筋的抗拉强度为545 MPa、屈服强度为395 MPa、弹性模量为2.02×105N/mm2.

图2 为箍筋混凝土柱的加载装置示意图.加载过程中试件A、试件B、试件C、试件D 和试件E 的竖向荷载分别施加1 338，1 338，1 338，986，986 kN；水平加载以20 kN为极差进行循环加载［6］，当箍筋混凝土柱屈服后转为位移加载，直至承载力下降到峰值荷载的85%以下，停止对箍筋混凝土柱进行加载.

图2 箍筋混凝土柱的加载装置示意图

2 试验结果与分析

对5 组试件进行了低周循环荷载作用下的加载，图3 为箍筋混凝土柱的破坏形态，分别列出了典型试件D 和试件E 的破坏形貌.在低周往复加载过程中，试件D 的水平位移加载至3 mm 和8 mm 时，柱身底部开始出现水平裂缝和竖向裂缝，并随着水平位移增加出现水平裂缝变宽、扩展，竖向裂缝扩展并伴随局部脱落，当位移增加至45 mm时柱体发出噼里啪啦的响声，在加载至75 mm时出现混凝土大面积脱落和局部纵筋断裂.试件E 的水平位移加载至3 mm 和8 mm 时，柱身底部开始出现水平裂缝和竖向裂缝，且随着加载试验的进行，水平裂缝逐渐变宽、扩展并在水平位移达到10 mm时形成贯通裂缝，在水平位移增加至20 mm时出现斜裂缝和局部脱落，当水平位移为50 mm时形成混凝土剥落现象并可见箍筋，在加载至70 mm时纵筋断裂、根部区域混凝土大面积脱落.对比分析可知，在低周往复加载试验过程中，试件D 和试件E 的箍筋混凝土柱都在根部区域发生了破坏，整体呈现弯曲破坏特征.相对而言，试件E的柱体表面裂纹数量较多、裂缝宽度较大，底部混凝土碎化更加严重，局部可见箍筋裸露的现象；试件D的柱体表面裂纹较少，未见明显斜向裂纹.

图3 箍筋混凝土柱的破坏形态

为了研究箍筋混凝土柱的抗震性能，应用X-Y函数记录仪记录了箍筋混凝土柱的滞回曲线，如图4所示.

图4 箍筋混凝土柱的滞回曲线

由图4可知，5组箍筋混凝土试件的滞回曲线形状较为相似，都是以坐标原点为对称的滞回曲线；在较小的荷载下，滞回曲线中的滞回环面积较小，曲线中所表示的卸载和加载曲线基本重合，表明这个过程中的箍筋混凝土试件并没有产生较大的耗能［7］，整体试件的刚度仍然处于较高的水平；随着对箍筋混凝土试件施加荷载的增大，5组箍筋混凝土试件的滞回曲线中的滞回环面积逐渐增加，整体呈现非线性增长的特征，对应在破坏形态上则会表现为柱体部分不断出现裂纹，且滞回环面积越大则裂缝宽度会增加；在滞回曲线远离坐标原点的过程中，如果柱体裂缝不能闭合则表明此时的箍筋混凝土试件的刚度降低，继续增加荷载会使得滞回环出现捏合形态，这主要与试件中的箍筋与混凝土起到协同作用有关［8］.对比试件A和试件B可知，在其他参数相同的情况下，使用较小直径的高强箍筋的滞回曲线并没有发生明显改变；当纵筋配筋率从1.42%增加至2.59%时，试件C 的水平横载相较低纵筋配筋率的试件B 增大了约24%.对于试件D和试件E，二者的滞回曲线较为相似，但由于相较于试件A和试件B的箍筋间距增大，荷载值和位移值有所降低.

进一步对箍筋混凝土柱的骨架曲线进行测试，结果如图5所示.从骨架曲线中，可以对比分析5组不同试件在荷载作用下的变形特征.虽然试件A、试件B、试件C、试件D 和试件E 的骨架曲线形状相似，都是由滞回曲线上滞回环峰值点连接得到的［9］，但是各试件的最大位移和峰值荷载存在明显差异.对于试件A，峰值荷载约为275 kN，位移约90 mm；对于试件B，峰值荷载约为258 kN，位移约80 mm；对于试件C，峰值荷载约为325 kN，位移约80 mm；对于试件D，峰值荷载约为205 kN，位移约65 mm；对于试件E，峰值荷载约为195 kN，位移约65 mm.从骨架曲线上看，开始阶段位移的增加会使得荷载线性增加，而随着位移的逐渐增大，骨架曲线中不断出现刚度退化线性［10］，箍筋混凝土试件慢慢进入屈服阶段；当箍筋混凝土试件到达峰值荷载后，柱体部分开始出现明显破坏特征.因此，提高纵筋配筋率会使得箍筋混凝土柱的峰值荷载增加，同时，箍筋混凝土柱会出现偏心加载特征.

图5 箍筋混凝土柱的滞回曲线

为了对比5 组试件的抗震性能，将5 组试件的骨架曲线进行了对比，图6 为箍筋混凝土柱的骨架曲线对比分析图.从截面积相同的试件A、试件B和试件C的骨架曲线对比图中可知，试件A和试件B的骨架曲线较为相似，峰值荷载较为接近，表明箍筋混凝土试件在低周循环荷载作用下的承载能力和延性相当，采用550 级高强箍筋替代直径更大的335 级箍筋不会对箍筋混凝土试件的承载性能产生明显影响，可以在实际施工工程中应用.而箍筋配箍率更高的试件B的极限承载力相较试件A更小，这主要是因为箍筋配筋率的增加会使箍筋间距增大而降低对箍筋混凝土的约束作用［11］，造成承载力有所减小.此外，将试件C 与试件A 和试件B 的骨架曲线进行对比分析可知，增加纵筋配筋率的试件C 的峰值荷载更大，这说明箍筋混凝土试件中提高纵筋配筋率可以一定程度上提高试件的极限承载力.对比分析试件D 和试件E的骨架曲线可知，二者的骨架曲线形状与试件A、试件B和试件C相似，即在加载过程中都存在弹性变形、屈服和刚度退化阶段［12］，但是试件D和试件E的峰值荷载相对较小.

图6 箍筋混凝土柱的骨架曲线对比

3 结论

采用竖向加载和横向位移控制的方法，分析了低周循环荷载作用下不同箍筋配筋率和纵筋配筋率的箍筋混凝土柱的滞回曲线和骨架曲线，结论如下：

（1）随着施加荷载的增大，5 组箍筋混凝土试件的滞回曲线的滞回环面积逐渐增加，整体呈现非线性增长的特征，对应在破坏形态上则表现为柱体部分裂纹不断增多，且滞回环面积越大裂缝宽度越宽.

（2）试件A、试件B、试件C、试件D 和试件E 的峰值荷载分别为275，258，325，205，195 kN；试件D 和试件E的峰值荷载相较试件A、B和C有所减小，这主要与箍筋混凝土柱的截面尺寸不同有关.

（3）采用550级高强箍筋替代直径更大的335级箍筋不会对箍筋混凝土试件的承载性能产生明显影响；增加纵筋配筋率的试件C的峰值荷载更大，表明箍筋混凝土试件中提高纵筋配筋率可以一定程度上提高试件的极限承载力.