王曉斌

(貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)

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區(qū)域約束混凝土軸心受壓中長(zhǎng)柱試驗(yàn)研究

王曉斌

(貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)

區(qū)域約束混凝土柱是在鋼筋約束混凝土研究的基礎(chǔ)上提出的一種新概念。區(qū)域約束混凝土柱改變了約束的機(jī)制，將傳統(tǒng)的整體約束變?yōu)檎w約束與區(qū)域約束相結(jié)合，它有效地提高了約束區(qū)域的混凝土柱強(qiáng)度及延性，使得區(qū)域約束混凝土具有與普通約束混凝土不同的受力特性及破壞特征。利用區(qū)域約束，在有效提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，可以使柱的變形能力更強(qiáng)，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能及安全度。

區(qū)域約束混凝土；約束機(jī)制；力學(xué)性能；破壞形態(tài)；抗震性能

約束混凝土研究旨在：在最需要的地方設(shè)置約束鋼筋。將約束鋼筋集中布置在受壓或剪壓區(qū)，以便更有效地提高該區(qū)域混凝土的強(qiáng)度及延性；以合理的方式布置約束鋼筋。有效的約束是由混凝土、縱向鋼筋及橫向箍筋共同實(shí)現(xiàn)的，縱向鋼筋的配置，橫向箍筋的形態(tài)及配箍率，鋼筋的強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度的比值都影響到約束的效果，因此，需要有合理的配置[5-8]。

區(qū)域約束混凝土是這樣實(shí)現(xiàn)的：將構(gòu)件截面劃分為若干小的區(qū)域，并在受壓區(qū)域設(shè)置由縱向鋼筋、橫向箍筋組成的鋼筋籠，而各個(gè)區(qū)域又由區(qū)域約束或普通箍筋連接起來(lái)，從而形成整體與區(qū)域約束結(jié)合的約束形式。區(qū)域約束混凝土柱子的配筋圖見圖1。

圖1　區(qū)域約束混凝土柱

由于配置或不配置區(qū)域約束鋼筋及區(qū)域約束鋼筋量配置的不同，使得各個(gè)區(qū)域的受約束程度不同。柱子在Ⅰ區(qū)(陰影范圍)，由于截面周邊箍筋量比Ⅱ區(qū)多，因此Ⅰ區(qū)的約束程度比Ⅱ區(qū)大，可以把其視為強(qiáng)約束區(qū)，相應(yīng)的，Ⅱ區(qū)為弱約束區(qū)。 區(qū)域約束是與整體約束相對(duì)應(yīng)的。比較圖2中區(qū)域約束(圖2a)及全截面約束(圖2b)，對(duì)于偏心受壓柱子，當(dāng)陰影部分為受壓區(qū)時(shí)，可以看見，同樣的約束箍筋配箍量，區(qū)域約束會(huì)有更強(qiáng)的約束效果。

圖2　區(qū)域約束與整體約束示意圖

區(qū)域約束混凝土在不顯著提高配筋率、配箍率及增加施工難度的情況下有效提高了約束區(qū)混凝土的強(qiáng)度及延性。由于采用區(qū)域約束的方法，使得構(gòu)件及截面的不同區(qū)域有不同的約束強(qiáng)度及延性，因此，合理利用這些性質(zhì)可以改變構(gòu)件的受力性能，以獲得期望的力學(xué)效果，本文僅對(duì)軸心受壓中長(zhǎng)柱進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

為研究?jī)煞N箍筋形式對(duì)約束混凝土柱的軸心受

力情況的影響，共制作試件3個(gè)，其中普通約束混凝土柱1個(gè)，區(qū)域約束混凝土柱2個(gè)，試驗(yàn)采用了截面為180 mm×180 mm，高度為1 400 mm的中長(zhǎng)柱，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，箍筋直徑取6，為保證配筋比率大致相等，普通約束混凝土縱筋直徑取12，區(qū)域約束混凝土縱筋直徑取10。

RCC柱箍筋采用小矩形箍筋和大矩形箍筋相結(jié)合，全部縱筋與箍筋共同工作，整體上是一個(gè)大柱，4個(gè)矩形箍筋分別配置在柱子四邊,將整個(gè)截面劃分成四個(gè)區(qū)域。箍筋與相應(yīng)區(qū)域縱筋共同工作，又分別形成四個(gè)小柱，稱為區(qū)域約束混凝土柱。

所有構(gòu)件的混凝土等級(jí)都為C30，測(cè)到的實(shí)際混凝土強(qiáng)度等級(jí)為25.9?？v筋和箍筋的屈服強(qiáng)度值分別為400 MPa和360 MPa，見表1～3。

表1　試件主要強(qiáng)度參數(shù)

表2試件編號(hào)及配筋表

柱子編號(hào)截面型式縱筋(Ⅲ級(jí))箍筋S(Ⅰ級(jí))備注CC-1121231Φ6C30混凝土RCC-1161030Φ6C30混凝土RCC-2161029Φ6C30混凝土

表3　試件截面及配筋

2　試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1普通約束混凝土試件的試驗(yàn)全過(guò)程和試驗(yàn)現(xiàn)象

CC-1是普通約束混凝土試件，箍筋間距為50 mm，CC-1裂縫出現(xiàn)得很早，在40～50 t之間柱端就出現(xiàn)了裂縫。在60～70 t之間，表層混凝土開始脫落，并很快退出工作，荷載增加到10～11 t之間，柱中部的撓度增加迅速，混凝土出現(xiàn)明顯的豎向裂縫，當(dāng)達(dá)到峰值荷載不久，縱筋開始屈服，荷載下降很快，最后試件破壞。

從CC-1破壞形態(tài)可以看出其破壞形態(tài)與中長(zhǎng)柱的破壞形態(tài)很相似：柱在加載初期就開始產(chǎn)生側(cè)向撓度，并且側(cè)向撓度隨著荷載的增加基本上呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)荷載加至極限荷載的70%以后，柱的撓度隨荷載開始偏離線性關(guān)系；當(dāng)荷載將要達(dá)到極限荷載時(shí)，柱的側(cè)向撓度急劇增大，最終由于側(cè)向撓度急劇增加喪失穩(wěn)定而破壞。另外，在試驗(yàn)中，為防止柱子端頭發(fā)生局部承壓破壞，采用柱端頭加密并焊接一塊鋼板，能有效地防止構(gòu)件端頭因局部承載力不足而造成的局壓破壞，是一種有效、簡(jiǎn)單、便捷的加固方法。

2.2區(qū)域約束混凝土試件的試驗(yàn)全過(guò)程和試驗(yàn)現(xiàn)象

為保證柱子的配筋率大致相等，RCC-1的箍筋間距為55 mm，RCC-2的箍筋間距為60 mm，RCC-1和RCC-2比CC-1裂縫出現(xiàn)得晚，在60～70 t之間才出現(xiàn)裂縫。裂縫發(fā)展也慢一些，在90 t 的時(shí)候，表層混凝土才開始脫落并退出工作。達(dá)到峰值荷載后，荷載下降較快，縱筋開始屈服，最后試件破壞。

從RCC-1和RCC-2的破壞形態(tài)，可以看出其破壞形態(tài)與CC-1的破壞形態(tài)差別很大：在試件的中部有明顯的破壞裂縫，縱筋鼓曲，混凝土壓碎。這說(shuō)明，區(qū)域約束混凝土試件的受力機(jī)理發(fā)生了改變，在約束弱的部位即試件中部先破壞，把試件分成了四個(gè)小柱，最后混凝土壓碎破壞。

從普通約束混凝土試件和區(qū)域約束混凝土試件的試驗(yàn)現(xiàn)象可以得到如下結(jié)論：在加荷初期，區(qū)域約束和普通約束柱現(xiàn)象大致相同。大約在50～60 t時(shí)，區(qū)域約束柱和普通約束柱都在中部和角部出現(xiàn)裂縫，區(qū)域約束柱比普通約束柱稍早。這是因?yàn)閰^(qū)域約束柱的鋼筋比較復(fù)雜，影響了外圍混凝土的澆筑質(zhì)量，且削弱了內(nèi)外混凝土的結(jié)合。隨著荷載的增加，裂縫數(shù)量和寬度不斷發(fā)展，并大約在60 ～70 t之間，表層混凝土開始脫落。總的說(shuō)來(lái)：荷載較小時(shí)，柱的全截面處于彈性階段，撓度隨荷載的變化基本上是線性的，隨著荷載的增大，柱截面的一部分將進(jìn)入彈塑性階段，曲線開始彎曲。當(dāng)加荷接近極限荷載時(shí)側(cè)向撓度突然增大，表明柱進(jìn)入縱向屈曲階段，最終因偏壓承載力不足而破壞。由于柱缺陷等因素具有隨機(jī)性，未施加荷載前不知其發(fā)生縱向彎曲的方向，但一旦施加荷載，發(fā)生縱向彎曲的方向已基本確定，因此強(qiáng)約束混凝土配筋柱的穩(wěn)定問(wèn)題實(shí)際上是一種極值點(diǎn)穩(wěn)定問(wèn)題。

在達(dá)到各自的峰值荷載后，區(qū)域約束和普通約束柱的現(xiàn)象開始不同。對(duì)于約束較小的普通約束柱CC-1，它們達(dá)到峰值荷載后，變形發(fā)展很快，承載力下降也很快，縱筋失穩(wěn)，混凝土大塊脫落，最后縱筋壓屈，試件破壞。對(duì)于區(qū)域約束混凝土柱，基本和普通約束混凝土相似，只是由于對(duì)混凝土的約束能力比普通強(qiáng)，因此，區(qū)域約束混凝土的二階效應(yīng)沒有普通混凝土的二階效應(yīng)明顯，縱筋屈服稍晚，構(gòu)件的承載力比普通的提高些。

3　區(qū)域約束混凝土中長(zhǎng)柱受力機(jī)理分析

柱子承載力為：

P=PS+PC

式中:PS為縱向鋼筋對(duì)承載力的貢獻(xiàn);

PC為混凝土及箍筋對(duì)承載力的貢獻(xiàn)。

由PC產(chǎn)生的應(yīng)力表示為PC/Ac，將其除以約束混凝土強(qiáng)度f(wàn)cc并與應(yīng)變?chǔ)臗C的比值建立關(guān)系，通過(guò)回歸分析，尋找適合的關(guān)系曲線，可以得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型，其表達(dá)式為

柱應(yīng)力應(yīng)變模型見圖3。

就普通約束混凝土而言，軸心受力時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為O-A-B段，沒有水平發(fā)展階段，這是區(qū)域約束混凝土與普通約束混凝土最大的區(qū)別。

圖3　柱應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型

4　結(jié)　語(yǔ)

1)區(qū)域約束混凝土柱有效地提高了混凝土強(qiáng)度、延性及抗震性能，同樣條件下能得出比普通混凝土更高的承載力，以體現(xiàn)區(qū)域約束混凝土的優(yōu)越性。

2)通過(guò)調(diào)整各約束區(qū)域的約束強(qiáng)度，可以獲得期望的破壞形態(tài)，從而獲得理想的耗能機(jī)制，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

3)區(qū)域約束混凝土柱施工簡(jiǎn)單，有利于推廣使用。

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Experimental Study on the Middle Long Concrete Column under the Range Constraint which has Axial Compression

WANGXiaobin

2016-06-20

王曉斌(1979—)，男，江蘇姜堰人，講師，從事混凝土性能研究工作。

TU375.3

A

1008-3707(2016)10-0001-03