箍筋約束高強(qiáng)混凝土軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究①

魏公濤

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092)

0 引言

從1903年considere發(fā)現(xiàn)螺旋箍筋可以有效約束混凝土開(kāi)始，箍筋約束混凝土的研究已有一百多年的歷史.1929年 Richart[1]根據(jù)螺旋箍筋約束圓柱體試件的試驗(yàn)結(jié)果提出了箍筋約束對(duì)峰值強(qiáng)度的影響公式，其后 kent＆Park[2]、Sargin[3]等人紛紛進(jìn)行了試驗(yàn)研究并提出了箍筋約束效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?20 世紀(jì) 80 年代，Sheikh[4]、Mander[5]等人提出有效約束系數(shù)來(lái)考慮有效約束面積，從而統(tǒng)一了不同配箍形式和截面形式的影響;80年代中期以后，Yong[6]、Cusson[7]和 Saatcioglu[8]等人對(duì)于箍筋約束高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了研究，并提出了一些模型.國(guó)內(nèi)的研究始于20世紀(jì)80年代，張秀琴、過(guò)鎮(zhèn)海[9]等人進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，并提出了約束模型;90年代后期以后，關(guān)萍[10]、史慶軒[11]等人對(duì)于高強(qiáng)混凝土的箍筋約束進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究.通過(guò)諸多的研究，箍筋約束可以明顯的提高混凝土的軸壓力學(xué)性能，包括峰值強(qiáng)度和延性，尤其對(duì)于下降段延性較差的高強(qiáng)混凝土，采用箍筋約束來(lái)提高其延性具有重要的意義.

隨著對(duì)于混凝土材料及結(jié)構(gòu)的研究，一方面，混凝土材料及結(jié)構(gòu)的非線性被越來(lái)越深入的認(rèn)識(shí)，并且隨著有限元理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性分析成為現(xiàn)實(shí)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土材料更充分的利用;另一方面，隨著結(jié)構(gòu)分析越來(lái)越精細(xì)化和材料性能的充分利用，隨機(jī)性的影響體現(xiàn)的越來(lái)越明顯，深入認(rèn)識(shí)混凝土材料的隨機(jī)性及其在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中的漲落對(duì)于充分利用混凝土強(qiáng)度和合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有著深遠(yuǎn)的影響.

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)旨在研究箍筋約束對(duì)于混凝土單軸受壓力學(xué)性能的影響，包括對(duì)峰值強(qiáng)度和延性的提高以及對(duì)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€隨機(jī)性的影響.試件截面為150mm*150mm，高度為400mm，箍筋內(nèi)側(cè)距試件外邊緣為18mm，箍筋形式為普通方箍，直徑為6mm，強(qiáng)度為HRB400，沿試件周邊均勻配置8根縱筋，直徑為12mm，強(qiáng)度為HRB335，試件截面示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 截面示意圖

試件配箍情況列于表1.

表1 試件配箍表

備注:L，M，H:低、中、高配箍率試件，核心混凝土取為箍筋內(nèi)側(cè)部分.

圖2 軸壓試驗(yàn)照片

本試驗(yàn)在MTS815液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)照片及壓壞試件照片分別見(jiàn)圖2和(a)高配箍率試件(b)中等配箍率試件(c)素混凝土試件

圖3 試件壓壞照片

圖3，試驗(yàn)中素混凝土試件在出現(xiàn)裂縫后突然破壞，承載力迅速降低，一條斜向主裂縫幾乎貫通整個(gè)試件，見(jiàn)圖3(c)，而配箍試件則會(huì)在箍筋的約束下承載力逐漸下降，最后出現(xiàn)較明顯剪切變形，見(jiàn)圖3(a)(b).試驗(yàn)中配箍試件會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)承載峰值，第一個(gè)峰值達(dá)到后保護(hù)層開(kāi)始出現(xiàn)裂縫、剝落，此部分混凝土承載力迅速降低導(dǎo)致整個(gè)試件承載力下降，此時(shí)核心混凝土在箍筋約束下承載力依舊在上升，出現(xiàn)第二個(gè)承載峰值，此時(shí)核心混凝土承載力亦達(dá)到峰值.從試驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看，箍筋約束，即使是約束效率最低的普通方箍，對(duì)于后續(xù)延性的提高也很明顯.試驗(yàn)后期部分箍筋被拉斷，縱筋被壓屈，見(jiàn)圖4.

圖4 破壞試件細(xì)部照片

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 核心混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€計(jì)算方法

配箍試件由于配有箍筋，對(duì)于混凝土有約束作用，故可以得到完整的全曲線.試件應(yīng)變見(jiàn)下式:

其中，Xsum為試驗(yàn)機(jī)總位移，Xadd為試驗(yàn)機(jī)附加位移，L為試件高度，均為400mm高.

核心混凝土應(yīng)力計(jì)算見(jiàn)下式:

其中，F(xiàn)sum為試件承受的總荷載，σsl，Asl為分別為縱筋應(yīng)力和縱筋總面積，σcr，Acr為分別為混凝土保護(hù)層應(yīng)力和保護(hù)層面積，Acor為核心混凝土面積.

2.2 素混凝土試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)測(cè)試了四個(gè)素混凝土試件的全曲線指標(biāo)，四個(gè)素混凝土試件尺寸均為150*150*400，在MTS815液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軸壓，得到峰值強(qiáng)度和峰值點(diǎn)應(yīng)變列于表2.

表2 素混凝土試驗(yàn)結(jié)果

將表2中參數(shù)均值代入全曲線方程中得到素混凝土全曲線參數(shù)，平均全曲線見(jiàn)圖5.公式(3)中保護(hù)層采用此全曲線.

圖5 素混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€

2.3 低、中、高配箍率試件結(jié)果及分析

本試驗(yàn)得到5個(gè)低配箍率試件結(jié)果，5個(gè)中配箍率試件結(jié)果，7個(gè)高配箍率試件結(jié)果，根據(jù)2.1節(jié)中的公式得到核心混凝土全曲線見(jiàn)圖6.

圖6 約束混凝土試驗(yàn)全曲線

求得平均全曲線見(jiàn)圖7，并將全曲線關(guān)鍵參數(shù)的約束影響結(jié)果示于表3和圖8.

表3 箍筋約束對(duì)于全曲線關(guān)鍵參數(shù)影響表

注:ε0.5:下降段降到50% 峰值強(qiáng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變;延性參數(shù)表達(dá)式為 ε0.5/εcc.

圖7 不同配箍率試件全曲線

圖8 全曲線關(guān)鍵參數(shù)受約束影響趨勢(shì)圖

圖9 應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差－應(yīng)變圖

得到試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差－應(yīng)變曲線見(jiàn)圖9.

從圖7、表3和圖8中可以明顯看到，箍筋約束對(duì)于高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的提高非常明顯，當(dāng)配箍率從1.1%提高到3.4%時(shí)，峰值強(qiáng)度提高了47%，延性提高了76%，這說(shuō)明利用箍筋約束改善高強(qiáng)混凝土延性是可行的.

從圖6中可以看出箍筋約束對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的離散性影響也十分明顯，隨著應(yīng)變?cè)龃螅x散性減小，說(shuō)明隨著箍筋約束變強(qiáng)，混凝土材料本身的隨機(jī)性減小;從圖9中看出，當(dāng)配箍率從1.1%提高到3.4%時(shí)，其峰值從 8.95MPa 降低到 6.52Mpa，且后續(xù)段高配箍率試件的離散性明顯小于低配箍率試件.從直觀上分析，箍筋約束阻止了素混凝土試驗(yàn)中一出現(xiàn)微裂縫便迅速貫穿為較大裂縫的行為，使裂縫出現(xiàn)更為均勻，進(jìn)而逐漸形成一條斜向的剪切帶，這種延性破壞模式比脆性破壞模式隨機(jī)性更小.

3 結(jié)論

(1)箍筋約束能明顯的提升高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，包括峰值強(qiáng)度和延性，而延性的提高對(duì)于高強(qiáng)混凝土而言具有重要意義.

(2)箍筋約束可以明顯減小混凝土力學(xué)性能的隨機(jī)性，全曲線下降段處在一個(gè)隨約束增大而變窄的帶狀區(qū)域.

[1]F.E.Richart，A.Brandtzaegand R.L.Brown.The Failure of Plain and Spirally Reinforced Concrete in Compression[J].University of Illinois Engineering Experimental Station，Bulletin，NO.190，1929，74pp.

[2]D.C.Kent and R.Park.Flexural Members with Confined Concrete[J].Journal of Structural Division，1971，97(ST7):1969－1990.

[3]M.Sargin，S.K.Ghosh and V.K.Hander.Effects of Lateral Reinforcement upon Strength and Deformation of Concrete[J].Magazine of Concrete Research，1971，23(75－76):99－110.

[4]Sheikh S.A.，Uzumeri S.M.Analytical Model for Concrete Confinement in Tied Columns[J].Journal of Structural Division，ASCE，1982，108(ST102):2703－2722.

[5]Mander，Priestley M.J.N.and R.Park.Theoretical Stress－Strain Model for Confined Concrete[J].Journal of Structural engineering，1988，114(8):1804－1826.

[6]Yong Y.K.，Nour M.G.and Nawy E.G.Behavior of Laterally Confined High－ Strength Concrete under Axial Loads[J].Struct.Engrg.，ASCE，1988，114(2):332－ 351.

[7]Cusson D.and Paultre P..Stress－ Strain Model for Confined High－ Strength concrete[J].Struct.Engrg.，ASCE，1995，121(3):468– 477.

[8]Saatcioglu M.and Razvi S.R.Confinement Modelfor High－Strength Concete[J].J.Struct.Engin.，ASCE，1999，125(3):281－289.

[9]張秀琴，過(guò)鎮(zhèn)海，王傳志.反復(fù)荷載下箍筋約束混凝土的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€方程[J].工業(yè)建筑，1985，12:16－20.

[10]關(guān)萍，王清湘，趙國(guó)藩.高強(qiáng)約束混凝土應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，1997，27(11):26－29.

[11]史慶軒，楊坤，劉維亞，張興虎，姜維山.高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土軸心受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2012，29(1):141－149.