焊接環(huán)式箍筋約束高強(qiáng)砼柱裂縫開(kāi)裂

李升才，羅小慶，章炯

（華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 泉州 362021）

焊接環(huán)式箍筋約束高強(qiáng)砼柱裂縫開(kāi)裂

李升才，羅小慶，章炯

（華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 泉州 362021）

對(duì)6個(gè)輕型節(jié)能鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)柱的低周期反復(fù)加載試驗(yàn)研究，分析各構(gòu)件的延性、耗能性能、承載力，以及開(kāi)裂過(guò)程和裂縫發(fā)展規(guī)律.結(jié)果表明，在軸壓比相同時(shí)，高強(qiáng)混凝土柱的延性隨著含箍特征值的增大而增大；而在含箍率相同時(shí)，其延性隨軸壓比的提高而明顯下降，軸壓比對(duì)延性的影響比箍筋因素要顯著.柱的延性隨著軸壓比的增加而減小.使用高強(qiáng)度焊接環(huán)式箍筋，能有效改善高強(qiáng)混凝土柱的延性，特別是在較高軸壓比下，箍筋的作用更加明顯.

輕型節(jié)能鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)；開(kāi)裂過(guò)程；抗震性能；延性；軸壓比

高強(qiáng)混凝土具有強(qiáng)度高、自重輕、抗?jié)B抗凍性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地用于高層和大跨度工程中.但是，它存在著脆性大的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn).如果采用低強(qiáng)度箍筋，其約束能力有時(shí)不足以約束高強(qiáng)砼的橫向變形，如箍筋較早屈服，約束失效等.因此，如何提高高強(qiáng)砼結(jié)構(gòu)的抗震性能就成為了擴(kuò)展其應(yīng)用的關(guān)鍵［1］.國(guó)內(nèi)外有關(guān)箍筋約束砼的試驗(yàn)研究很多，可以看出箍筋對(duì)砼強(qiáng)度的提高，結(jié)構(gòu)延性的改善都有重要的作用［1］.輕型節(jié)能鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，是近年來(lái)研制和開(kāi)發(fā)的一種輕型、節(jié)能、抗震、經(jīng)濟(jì)、適用于多層及高層建筑的全新結(jié)構(gòu).本文主要研究適用于輕型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的，焊接環(huán)式箍筋約束高強(qiáng)砼柱的裂縫發(fā)展規(guī)律.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

制作6個(gè)混凝土（RC）柱試件，縮尺比例為1/2.圖1為試件的截面尺寸和配筋.構(gòu)造柱的截面尺寸為250mm×250mm，柱高1 000mm，水平力合力點(diǎn)位置距柱底825mm.以模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中剪跨比（λ）為3.3的鋼筋混凝土框架柱，柱中配4φ22mm縱向鋼筋，箍筋采用Ⅲ級(jí)鋼，箍筋的制作形式以焊接環(huán)式代替螺旋箍筋，箍筋內(nèi)箍、外箍全部搭接10d焊接.試件的相關(guān)參數(shù)，如表1所示.表1中，fcu，k為混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度；nk為軸壓比；N為軸向壓力.

圖1 試件尺寸及截面配筋（單位：mm）Fig.1 Cross-section size and reinforcement of specimen（unit：mm）

表1 試件參數(shù)表Tab.1 Specimen parameters

1.2 加載裝置

試驗(yàn)采用懸臂梁式加載方法［2-4］，柱端施加水平荷

載方式.試驗(yàn)中，試件的引申儀及位移計(jì)的布置方式，

如圖2所示.柱頂用一臺(tái)1 000kN的豎向千斤頂施加豎向荷載，千斤頂與反力大梁之間設(shè)置滑動(dòng)小車，可以隨柱頭的水平位移而滾動(dòng).柱端水平力由電液伺服加載系統(tǒng)（美國(guó)MTS公司）在柱頂端施加水平往復(fù)荷載，整個(gè)加載過(guò)程采用位移控制.

1.3 加載制度

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 101-1996《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》［5］，水平加載采用低周反復(fù)靜力加載（由電液伺服加載系統(tǒng)自動(dòng)加載）；數(shù)據(jù)由DH3816型靜態(tài)應(yīng)變儀（江蘇東華測(cè)試技術(shù)有限公司）采集系統(tǒng)自動(dòng)采集.具體加載制服和每級(jí)加載位移幅值，如圖3所示.圖3中：θ為轉(zhuǎn)角；n為循環(huán)次數(shù).屈服前試件處于彈性階段，殘余變形小，各位移幅值循環(huán)一次，屈服后位移幅值循環(huán)3次，直至試件承載力降至最大承載力的85％后停止加載.

圖3 加載制度示意圖Fig.3 Schematic diagram of loading system

圖2 加載裝置Fig.2 Loading setup

2 加載過(guò)程及現(xiàn)象分析

2.1 試件加載過(guò)程

在柱頂施加550kN軸壓力，并在試驗(yàn)程過(guò)中保持恒定.然后，由電液伺服加載系統(tǒng)施加水平往復(fù)荷載，加載制度為位移控制加載.各試件初裂荷載（Pini）及極限荷載（Plim），如表2所示.表2中：極限荷載為試驗(yàn)工程中達(dá)到的最大荷載.

表2 試件的初裂及極限荷載Tab.2 Initial crack load and ultimate load of specimen

2.2 試件開(kāi)裂過(guò)程分析

各試件的開(kāi)裂過(guò)程［6-8］，如圖4所示.

2.2.1 試件RC-1 當(dāng)加載到極限荷載的65％左右（即位移角為1/150rad），柱正面出現(xiàn)第1條斜裂縫；隨著荷載的來(lái)回往復(fù)，當(dāng)位移角為1/50rad循環(huán)時(shí)，柱的核心區(qū)斜裂縫增加向根部發(fā)展，并且開(kāi)始向柱的左右兩側(cè)延伸.同時(shí)，在柱反面出現(xiàn)豎向裂縫，左右兩面的根部有輕微的壓碎.鋼筋應(yīng)變數(shù)據(jù)顯示，鋼筋開(kāi)始屈服.

當(dāng)位移角為1/35～1/25rad，隨著荷載的循環(huán)，僅有少量新裂縫出現(xiàn)并加寬，并且柱反面根部的水平裂縫和豎向裂縫明顯的加寬，混凝土明顯的壓碎及剝落.當(dāng)位移角在1/20rad循環(huán)時(shí)，試件承載力開(kāi)始下降，約為試件最大荷載的98％，柱下端的混凝土保護(hù)層壓碎，剝落度增高.在1/15rad位移循環(huán)過(guò)程中，裂縫明顯的加寬，試件承載力略有降低，柱的根部混凝土沿柱角豎向剝落，主筋外露.

2.2.2 試件RC-2 當(dāng)加載到極限荷載的50％左右（即位移角為1/250rad）時(shí)，柱的正面下端出現(xiàn)第1條水平裂縫；當(dāng)位移角為1/150rad時(shí)，柱的正反面一側(cè)出現(xiàn)斜裂縫；當(dāng)位移角為1/100時(shí)，柱的正反面兩邊斜裂縫不斷的增加，裂縫向核心區(qū)發(fā)展.隨著荷載的來(lái)回往復(fù)，逐漸出現(xiàn)平行于對(duì)角線的斜向交叉裂縫，并向柱的左右兩面延伸.

當(dāng)位移為1/50rad循環(huán)時(shí)，柱核心區(qū)的裂縫只有少量的增加，數(shù)據(jù)顯示鋼筋開(kāi)始屈服；當(dāng)位移角為1/35～1/25rad循環(huán)時(shí)，主要斜裂縫開(kāi)始貫通，隨后裂縫為主裂縫增寬延伸，柱的根部混凝土破壞并發(fā)出聲響；當(dāng)位移角為1/35rad循環(huán)時(shí)，裂縫寬度增大，尤其是柱根部的豎向和水平裂縫明顯加寬，柱根部混凝土壓碎并剝落，柱的左右兩面混凝土開(kāi)始起皮.

當(dāng)位移角為1/25～1/20rad循環(huán)時(shí)，試件承載力開(kāi)始下降，約為試件最大荷載的88％，核心區(qū)的裂縫明顯的加寬，柱左右面的混凝土壓碎；在1/15rad位移循環(huán)過(guò)程中，試件承載力再次降低，裂縫繼續(xù)在增寬，柱四面根部混凝土沿柱角豎向剝落，主筋外露.

通過(guò)與試件RC-1對(duì)比，試件RC-2的配筋率低，軸壓比高，出現(xiàn)的第1條裂縫的時(shí)間比試件RC-1要早，裂縫發(fā)展較迅速，試件的破壞程度要大.由此可見(jiàn)，試件RC-2的延性比試件RC-1的延性差.

2.2.3 試件RC-3 當(dāng)加載到極限荷載的50％左右（即位移角為1/250rad）時(shí)，柱的正面出現(xiàn)第1條斜裂縫；隨著荷載的來(lái)回往復(fù)，裂縫發(fā)展的比較快，正反面的裂縫已經(jīng)向左右兩邊延伸；當(dāng)位移角為1/50rad循環(huán)時(shí)，裂縫增加比較少，柱角出現(xiàn)豎向裂縫，柱隨著荷載的循環(huán)過(guò)程中伴隨著響聲.在第3個(gè)循環(huán)，柱的根部的裂縫加寬，混凝土開(kāi)始起皮.此時(shí)，柱的縱筋開(kāi)始屈服.

當(dāng)位移角為1/35rad循環(huán)時(shí)，試件承載力開(kāi)始下降，約為最大荷載的98％，柱根部的混凝土被壓碎；當(dāng)位移角為1/25～1/20rad循環(huán)時(shí)，核心區(qū)的裂縫加寬，柱根部的豎向裂縫迅速加寬，試件承載力下降，剛度退化；當(dāng)位移角為1/15rad循環(huán)時(shí)，混凝土保護(hù)層沿柱角豎向剝落，壓碎帶明顯，主筋外露.

通過(guò)與試件RC-2對(duì)比，試件RC-3的配筋率低，軸壓比高，在同一位移角出現(xiàn)第1條裂縫.但是，試件RC-3裂縫發(fā)展的較試件RC-2迅速，試件的破壞程度要大.由此可見(jiàn)，試件RC-3的延性比試件RC-2的延性差.

2.2.4 試件RC-4 當(dāng)加載到極限荷載的50％左右（即位移角為1/250rad）時(shí)，柱的正反面出現(xiàn)水平裂縫；當(dāng)位移角為1/150～1/100rad時(shí)，柱的正面下端出現(xiàn)了豎向裂縫，正反面的斜裂縫增加，向柱的左面延伸；隨著荷載的來(lái)回往復(fù)，當(dāng)位移角為1/50rad的第1個(gè)循環(huán)時(shí)，裂縫繼續(xù)發(fā)展，向左右兩邊延伸；在第2次循環(huán)時(shí)，試件承載力開(kāi)始下降，約為最大荷載的95％，柱正面根部的豎向裂縫開(kāi)始加寬，右面的水平裂縫開(kāi)始貫通，混凝土開(kāi)始起皮并有輕微的壓碎，數(shù)據(jù)顯示柱的縱筋開(kāi)始屈服.

當(dāng)位移角為1/35循環(huán)時(shí)，試件承載力開(kāi)始下降，約為最大荷載的98％，柱核心區(qū)的裂縫寬度增加，尤其是柱根部的豎向裂縫明顯加寬，柱根部的混凝土壓碎并開(kāi)始剝落.在第1次和第3次循環(huán)過(guò)程中，混凝土剝落的高度一直在增大；當(dāng)位移角為1/25～1/20rad循環(huán)時(shí)，裂縫有少量的增加，而且裂縫的寬度也在增加，柱根部的混凝土從兩邊開(kāi)始向柱的中間壓碎并剝落；當(dāng)位移角為1/15rad循環(huán)時(shí)，試件的承載力有明顯的下降，裂縫寬度還在增加，柱正反面根部的混凝土大面積的壓潰剝落，剝落高度也明顯的增高，柱的縱筋和箍筋都外露.

通過(guò)與試件RC-1試件對(duì)比，配筋率相同，軸壓比大，試件RC-4出現(xiàn)裂縫的時(shí)間早，裂縫發(fā)展迅速，試件的承載力下降段早，破壞程度大.因此，軸壓比大的試件延性差.

2.2.5 試件RC-5 當(dāng)加載到極限荷載的48％左右（即位移角為1/250rad）時(shí)，柱的正面右邊出現(xiàn)水平裂縫；當(dāng)位移角為1/150rad時(shí)，柱正反面兩邊均出現(xiàn)斜裂縫，柱反面的斜裂縫沿著柱的左面水平延伸；當(dāng)位移角為1/100rad時(shí)，斜裂縫向中間發(fā)展比較緩慢，柱反面和右面交接處均出現(xiàn)豎向裂縫，正面有一條水平裂縫向右面水平延伸.

隨著荷載的來(lái)回往復(fù)，當(dāng)位移角為1/50rad循環(huán)時(shí)，裂縫繼續(xù)增加，并向左右兩邊延伸，柱正面的斜裂縫和右面的水平裂縫貫通，反面根部的豎向裂縫寬度明顯的增寬；在第2次循環(huán)時(shí)，試件承載力開(kāi)始下降，約為最大荷載的96％，柱右面根部的裂縫明顯加寬，混凝土開(kāi)始起皮并有輕微的壓碎，數(shù)據(jù)顯示柱的縱筋開(kāi)始屈服.

當(dāng)位移角為1/35rad循環(huán)時(shí)，試件的承載力開(kāi)始下降，約為最大荷載的98％，柱核心區(qū)的裂縫有少量的增加，而且寬度同時(shí)增大，尤其是柱正反面根部?jī)山堑幕炷翂核椴㈤_(kāi)始剝落；當(dāng)位移角為1/25～1/20rad循環(huán)時(shí)，裂縫有少量的增加，而且裂縫的寬度也在增加，柱正反面根部的混凝土從兩邊開(kāi)始向柱的中間壓碎并剝落，柱左右兩面根部的混凝土也壓碎并剝落；當(dāng)位移角為1/15rad循環(huán)時(shí)，試件的承載力有明顯的下降，裂縫寬度還在增加，柱四面根部的混凝土大面積的壓碎剝落，剝落高度也明顯的增高，柱的縱筋和箍筋都外露.

通過(guò)與試件RC-2，RC-4對(duì)比，配筋率相同，軸壓比大，試件RC-5出現(xiàn)裂縫的時(shí)間早，裂縫發(fā)展迅速，試件的承載力明顯下降，破壞程度大，剝落度高.因此，軸壓比大，配筋率小的試件延性差.

2.2.6 試件RC-6 當(dāng)加載到極限荷載的46％左右（即位移角為1/250rad）時(shí)，柱的反面出現(xiàn)第1條水平裂縫；隨著荷載的來(lái)回往復(fù)，當(dāng)位移角為1/150rad時(shí)，柱的正反兩面出現(xiàn)少量的斜裂縫；當(dāng)位移角為1/100rad時(shí)，正反兩面斜裂縫繼續(xù)增加，從兩邊向中間發(fā)展，同時(shí)向左右兩面水平延伸；而當(dāng)位移角為1/50rad時(shí)，斜裂縫進(jìn)一步的增加，柱的正面左下角和右面均出現(xiàn)豎向裂縫，而且右面的混凝土開(kāi)始起皮并有輕微的剝落.

當(dāng)位移角為1/35rad循環(huán)時(shí)，試件承載力開(kāi)始下降，約為最大荷載的94％，裂縫有少量的增加.在第1個(gè)循環(huán)時(shí)，柱的縱筋開(kāi)始屈服，核心區(qū)斜裂縫在加寬，尤其是柱的四個(gè)角的豎向裂縫和左右面水平裂縫明顯加寬；在第2次和第3次循環(huán)時(shí)，裂縫還在繼續(xù)增寬，柱四個(gè)角和左右的混凝土壓碎并剝落；當(dāng)位移角為1/25～1/20rad循環(huán)時(shí)，裂縫的寬度一直在增大，柱正反面根部的混凝土從兩邊開(kāi)始向中間壓碎并剝落，而且柱的四角的剝落度比1/35rad循環(huán)時(shí)的高度明顯的增高，左右兩面的混凝土進(jìn)一步的壓碎；當(dāng)位移角為1/15rad循環(huán)時(shí)，試件的承載力繼續(xù)下降，約為最大荷載的85％，柱根部的混凝土大面積壓潰，主筋和箍筋外露.

通過(guò)與試件RC-3，RC-5對(duì)比，配筋率相同，軸壓比大，試件RC-6出現(xiàn)裂縫的時(shí)間早，裂縫發(fā)展迅速，試件的承載力下降段早，破壞程度大.因此，軸壓比大，配筋率小的試件延性差.

圖4 柱核心區(qū)正反面裂縫分布Fig.4 Distribution of cracks on front and rear sides in core area of column

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)焊接環(huán)式箍筋約束高強(qiáng)砼柱開(kāi)裂過(guò)程，以及裂縫發(fā)展規(guī)律的試驗(yàn)及分析，對(duì)其抗震性能可得到以下3點(diǎn)結(jié)論.

（1）箍筋率及軸壓比是影響輕型鋼-砼組合結(jié)構(gòu)柱抗震性能的重要因素.柱的延性隨著軸壓比的增加而減小.如3組試件RC-1和RC-4，RC-2和RC-5，RC-3和RC-6，在配筋率相同，軸壓比不同的情況下，RC-1，RC-2，RC-3柱的開(kāi)裂破壞程度，明顯比RC-4，RC-5，RC-6要小很多，正好說(shuō)明在軸壓比小的情況下，柱延性要好.

（2）試件RC-1與試件RC-6對(duì)比，試件RC-1的配筋率比試件RC-6的配筋率高，而軸壓比卻小.柱在低周反復(fù)荷載作用下，RC-6柱的開(kāi)裂和破壞程度明顯要大，柱的承載力明顯降低.說(shuō)明，當(dāng)軸壓比偏高時(shí)，如果配筋率低，則構(gòu)件的承載力降低，剛度退化快，延性較差.

（3）使用高強(qiáng)度焊接環(huán)式箍筋，能有效改善高強(qiáng)混凝土柱的延性，特別是在較高軸壓比下，箍筋的作用更加明顯.在軸壓比相同時(shí)，高強(qiáng)混凝土柱的延性隨著含箍特征值的增大而增大，在含箍率相同時(shí)，其延性隨著軸壓比的提高而明顯下降，軸壓比對(duì)延性的影響比箍筋因素要顯著.

［1］丁煥龍，姜維山，郝際平.高強(qiáng)箍筋約束混凝土柱變形性能研究［C］//宋玉普，等.現(xiàn)代混凝土基本理論及工程應(yīng)用.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［3］李俊華.低周期反復(fù)荷載作用下型鋼高強(qiáng)混凝土柱受力性能研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2005.

［4］林明強(qiáng).高強(qiáng)型鋼混凝土柱的研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

［5］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ 101-1996建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

［6］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ 138-2001型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［7］郭經(jīng)峰，李升才.焊接復(fù)合箍筋柱蜂窩梁組合節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂過(guò)程及裂縫發(fā)展規(guī)律［C］//宋玉普，等.現(xiàn)代混凝土基本理論及工程應(yīng)用.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［8］馮永偉.高強(qiáng)混凝土高強(qiáng)連續(xù)復(fù)合螺旋箍筋柱的抗剪性能研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

Cracks in High-Strength Concrete Columns with Ring Welded Stirrups

LI Sheng-cai，LUO Xiao-qing，ZHAN GJiong
（College of Civil Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China）

The experiment of the six energy-saving light-steel concrete composite structures is carried out under the low cyclic loading，to analyze the ductility，energy dissipation，load carrying capacity and crack.The main results show：on condition of constant axial compression ratio，the ductility of high-strength reinforced concrete columns increases with increasing the stirrup characteristic value；on condition of constant stirrup characteristic value，the ductility decreases with increasing constant axial compression ratio；the influence of axial compression ratio on the ductility is greater than that of stirrup.Ring welded stirrup with high strength can improve the ductility of column with high strength concrete.Especially for the higher axial compression ratio，the role of stirrups is more obvious.

energy-saving light-steel concrete；composite structure；cracking process；seismic performance；ductility；axial compression ratio

TU 375

A

1000-5013（2010）04-0458-05

（責(zé)任編輯：黃仲一 英文審校：方德平）

2009-05-23

李升才（1960-），男，教授，主要從事結(jié)構(gòu)抗震工程的研究.E-mail：lsc50605@hqu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50948036）；廈門(mén)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（3502Z20073035）