高強箍筋約束混凝土的抗震性能研究

張 縝，周仁戰(zhàn)

（蚌埠學院 土木與水利工程學院，安徽 蚌埠233000）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程的快速推進和人們對居住需求的提高，國內(nèi)建筑施工量在近年來迅猛提高，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)綜合性能的要求也呈現(xiàn)逐年提升的趨勢.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的主要結(jié)構(gòu)材料，箍筋起著連接受力主筋和受壓區(qū)混筋骨架的作用［1］，可以滿足斜截面抗剪強度的要求.然而，傳統(tǒng)的箍筋強度較低，在往復周期性荷載作用下，箍筋對混凝土的約束作用較差，抗震性能較低［2］.隨著材料科學與冶金工程技術(shù)的發(fā)展，近年來，采用先進熱處理方法已經(jīng)具備生產(chǎn)高強度級別箍筋的能力，但是對于高強度箍筋約束混凝土的抗震性能方面的研究較少［3-5］.本文考察了不同強度級別的箍筋材料在低周往復荷載作用下的力學性能，其結(jié)果有助于提高高強箍筋在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，并有助于提升建筑結(jié)構(gòu)抗震性能.

1 試驗材料與方法

本文共設(shè)計了5 種箍筋混凝土柱，編號分別為A16-10-100（簡稱A）、A16-7.5-100（簡稱B）、A22-7.5-100（簡稱C）、B16-12-150（簡稱D）和B16-9.5-150（簡稱E），試件參數(shù)如表1 所示，其中，箍筋序列中的AR和B分別表示550級鋼筋和335級鋼筋，箍筋混凝土柱的軸壓比都為0.9.

表1 箍筋混凝土柱的試件參數(shù)

箍筋混凝土柱使用的混凝土為C30硅酸鹽混凝土，箍筋混凝土柱的配置示意圖如圖1所示，分別列出了柱平面、梁截面、立面和柱截面配筋情況.

圖1 箍筋混凝土柱的配置示意圖

根據(jù)GB/T 50152-2012 標準制備了混凝土立方體試塊，得到立方體抗壓強度標準值為31.6 MPa、圓柱體抗壓強度標準值為25 MPa、軸心抗壓強度標準值為21.18 MPa、軸心抗壓強度設(shè)計值為15.16 MPa.根據(jù)GB/T 228.1-2010標準對所使用的鋼筋進行室溫拉伸性能測試，550級鋼筋的抗拉強度為640 MPa、彈性模量為1.9×105N/mm2，335 級鋼筋的抗拉強度為545 MPa、屈服強度為395 MPa、彈性模量為2.02×105N/mm2.

圖2 為箍筋混凝土柱的加載裝置示意圖.加載過程中試件A、試件B、試件C、試件D 和試件E 的豎向荷載分別施加1 338，1 338，1 338，986，986 kN；水平加載以20 kN為極差進行循環(huán)加載［6］，當箍筋混凝土柱屈服后轉(zhuǎn)為位移加載，直至承載力下降到峰值荷載的85%以下，停止對箍筋混凝土柱進行加載.

圖2 箍筋混凝土柱的加載裝置示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

對5 組試件進行了低周循環(huán)荷載作用下的加載，圖3 為箍筋混凝土柱的破壞形態(tài)，分別列出了典型試件D 和試件E 的破壞形貌.在低周往復加載過程中，試件D 的水平位移加載至3 mm 和8 mm 時，柱身底部開始出現(xiàn)水平裂縫和豎向裂縫，并隨著水平位移增加出現(xiàn)水平裂縫變寬、擴展，豎向裂縫擴展并伴隨局部脫落，當位移增加至45 mm時柱體發(fā)出噼里啪啦的響聲，在加載至75 mm時出現(xiàn)混凝土大面積脫落和局部縱筋斷裂.試件E 的水平位移加載至3 mm 和8 mm 時，柱身底部開始出現(xiàn)水平裂縫和豎向裂縫，且隨著加載試驗的進行，水平裂縫逐漸變寬、擴展并在水平位移達到10 mm時形成貫通裂縫，在水平位移增加至20 mm時出現(xiàn)斜裂縫和局部脫落，當水平位移為50 mm時形成混凝土剝落現(xiàn)象并可見箍筋，在加載至70 mm時縱筋斷裂、根部區(qū)域混凝土大面積脫落.對比分析可知，在低周往復加載試驗過程中，試件D 和試件E 的箍筋混凝土柱都在根部區(qū)域發(fā)生了破壞，整體呈現(xiàn)彎曲破壞特征.相對而言，試件E的柱體表面裂紋數(shù)量較多、裂縫寬度較大，底部混凝土碎化更加嚴重，局部可見箍筋裸露的現(xiàn)象；試件D的柱體表面裂紋較少，未見明顯斜向裂紋.

圖3 箍筋混凝土柱的破壞形態(tài)

為了研究箍筋混凝土柱的抗震性能，應(yīng)用X-Y函數(shù)記錄儀記錄了箍筋混凝土柱的滯回曲線，如圖4所示.

圖4 箍筋混凝土柱的滯回曲線

由圖4可知，5組箍筋混凝土試件的滯回曲線形狀較為相似，都是以坐標原點為對稱的滯回曲線；在較小的荷載下，滯回曲線中的滯回環(huán)面積較小，曲線中所表示的卸載和加載曲線基本重合，表明這個過程中的箍筋混凝土試件并沒有產(chǎn)生較大的耗能［7］，整體試件的剛度仍然處于較高的水平；隨著對箍筋混凝土試件施加荷載的增大，5組箍筋混凝土試件的滯回曲線中的滯回環(huán)面積逐漸增加，整體呈現(xiàn)非線性增長的特征，對應(yīng)在破壞形態(tài)上則會表現(xiàn)為柱體部分不斷出現(xiàn)裂紋，且滯回環(huán)面積越大則裂縫寬度會增加；在滯回曲線遠離坐標原點的過程中，如果柱體裂縫不能閉合則表明此時的箍筋混凝土試件的剛度降低，繼續(xù)增加荷載會使得滯回環(huán)出現(xiàn)捏合形態(tài)，這主要與試件中的箍筋與混凝土起到協(xié)同作用有關(guān)［8］.對比試件A和試件B可知，在其他參數(shù)相同的情況下，使用較小直徑的高強箍筋的滯回曲線并沒有發(fā)生明顯改變；當縱筋配筋率從1.42%增加至2.59%時，試件C 的水平橫載相較低縱筋配筋率的試件B 增大了約24%.對于試件D和試件E，二者的滯回曲線較為相似，但由于相較于試件A和試件B的箍筋間距增大，荷載值和位移值有所降低.

進一步對箍筋混凝土柱的骨架曲線進行測試，結(jié)果如圖5所示.從骨架曲線中，可以對比分析5組不同試件在荷載作用下的變形特征.雖然試件A、試件B、試件C、試件D 和試件E 的骨架曲線形狀相似，都是由滯回曲線上滯回環(huán)峰值點連接得到的［9］，但是各試件的最大位移和峰值荷載存在明顯差異.對于試件A，峰值荷載約為275 kN，位移約90 mm；對于試件B，峰值荷載約為258 kN，位移約80 mm；對于試件C，峰值荷載約為325 kN，位移約80 mm；對于試件D，峰值荷載約為205 kN，位移約65 mm；對于試件E，峰值荷載約為195 kN，位移約65 mm.從骨架曲線上看，開始階段位移的增加會使得荷載線性增加，而隨著位移的逐漸增大，骨架曲線中不斷出現(xiàn)剛度退化線性［10］，箍筋混凝土試件慢慢進入屈服階段；當箍筋混凝土試件到達峰值荷載后，柱體部分開始出現(xiàn)明顯破壞特征.因此，提高縱筋配筋率會使得箍筋混凝土柱的峰值荷載增加，同時，箍筋混凝土柱會出現(xiàn)偏心加載特征.

圖5 箍筋混凝土柱的滯回曲線

為了對比5 組試件的抗震性能，將5 組試件的骨架曲線進行了對比，圖6 為箍筋混凝土柱的骨架曲線對比分析圖.從截面積相同的試件A、試件B和試件C的骨架曲線對比圖中可知，試件A和試件B的骨架曲線較為相似，峰值荷載較為接近，表明箍筋混凝土試件在低周循環(huán)荷載作用下的承載能力和延性相當，采用550 級高強箍筋替代直徑更大的335 級箍筋不會對箍筋混凝土試件的承載性能產(chǎn)生明顯影響，可以在實際施工工程中應(yīng)用.而箍筋配箍率更高的試件B的極限承載力相較試件A更小，這主要是因為箍筋配筋率的增加會使箍筋間距增大而降低對箍筋混凝土的約束作用［11］，造成承載力有所減小.此外，將試件C 與試件A 和試件B 的骨架曲線進行對比分析可知，增加縱筋配筋率的試件C 的峰值荷載更大，這說明箍筋混凝土試件中提高縱筋配筋率可以一定程度上提高試件的極限承載力.對比分析試件D 和試件E的骨架曲線可知，二者的骨架曲線形狀與試件A、試件B和試件C相似，即在加載過程中都存在彈性變形、屈服和剛度退化階段［12］，但是試件D和試件E的峰值荷載相對較小.

圖6 箍筋混凝土柱的骨架曲線對比

3 結(jié)論

采用豎向加載和橫向位移控制的方法，分析了低周循環(huán)荷載作用下不同箍筋配筋率和縱筋配筋率的箍筋混凝土柱的滯回曲線和骨架曲線，結(jié)論如下：

（1）隨著施加荷載的增大，5 組箍筋混凝土試件的滯回曲線的滯回環(huán)面積逐漸增加，整體呈現(xiàn)非線性增長的特征，對應(yīng)在破壞形態(tài)上則表現(xiàn)為柱體部分裂紋不斷增多，且滯回環(huán)面積越大裂縫寬度越寬.

（2）試件A、試件B、試件C、試件D 和試件E 的峰值荷載分別為275，258，325，205，195 kN；試件D 和試件E的峰值荷載相較試件A、B和C有所減小，這主要與箍筋混凝土柱的截面尺寸不同有關(guān).

（3）采用550級高強箍筋替代直徑更大的335級箍筋不會對箍筋混凝土試件的承載性能產(chǎn)生明顯影響；增加縱筋配筋率的試件C的峰值荷載更大，表明箍筋混凝土試件中提高縱筋配筋率可以一定程度上提高試件的極限承載力.