鄭建安

摘要：文章設(shè)計(jì)了含4根鋼筋的低配筋空心短柱并進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析箍筋間距的變化對(duì)構(gòu)件承載力等力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：（1）試樣在加載前期表現(xiàn)為彈性變形，破壞形式主要分為端部V型破壞或中心剪切破壞;（2）箍筋數(shù)量與承載力成正相關(guān)，但是當(dāng)箍筋數(shù)量達(dá)到一定量時(shí)，極限承載力趨于穩(wěn)定;（3）實(shí)際工程可以結(jié)合承載能力與材料成本等方面綜合考慮箍筋的用量。

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土;低配筋;空心構(gòu)件;承載能力;箍筋

0 引言

根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土等受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度主要控制因素為材料本身的強(qiáng)度和構(gòu)件形狀特性。材料本身強(qiáng)度的研究在過去幾十年已經(jīng)取得較為顯著的成就[1-2]，大跨度和高層建筑促使著超高性能混凝土的快速誕生，其抗壓強(qiáng)度在外摻劑等輔助作用下能達(dá)到200 MPa以上[3-4]。由于超高性能混凝土具有強(qiáng)度高、延性高等優(yōu)異的性能，使得其使用范圍大幅擴(kuò)展，在材料性能得到提高的同時(shí)，為了節(jié)約材料和美化外觀，構(gòu)件的形狀也在逐步得到改進(jìn)[5-6]，如構(gòu)件越來越輕薄或截面由實(shí)心改為空心等。

受傳統(tǒng)思想的束縛，超高性能混凝土構(gòu)件最初的設(shè)計(jì)形式多為實(shí)心狀，經(jīng)過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在鋼管超高混凝土實(shí)心構(gòu)件中，減少鋼筋和箍筋的用量，并不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的使用性能，還能節(jié)約大量的成本[7-8]。橋梁等建筑中空心截面構(gòu)件與鋼管和FRP等材料結(jié)合使用能充分發(fā)揮材料的性能[9-10]，且加入較高含量的鋼纖維后，材料的延性能得到巨大提升，此時(shí)去掉鋼套、降低鋼筋和箍筋用量不僅不會(huì)影響材料性能，還能提高施工的便捷性。

目前對(duì)于鋼管超高混凝土空心構(gòu)件，關(guān)于減少鋼筋和箍筋的用量對(duì)構(gòu)件性能產(chǎn)生的影響研究還很少見，本文設(shè)計(jì)含4根鋼筋的低配筋空心短柱研究箍筋間距的變化對(duì)構(gòu)件承載力等力學(xué)性能的影響，為實(shí)際工程提供理論支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣設(shè)計(jì)

用于測(cè)量低配筋空心短柱承載力試驗(yàn)采用的空心短柱截面尺寸為200 mm×200 mm、壁厚為30 mm、高度為800 mm，中空段高度為600 mm，兩端各有100 mm的含箍筋實(shí)心段。試驗(yàn)共設(shè)置三組試樣，試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

為了更加深入地了解低配筋空心短柱的性能，在試驗(yàn)開始之前，對(duì)本次試驗(yàn)所用的超高性能混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。制作3個(gè)立方體試樣和6個(gè)兩種尺寸的棱柱體試樣分別測(cè)量材料的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗折強(qiáng)度，結(jié)果顯示其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量分別為115 MPa、28 MPa和43 GPa。本次試樣所用的材料配比如表2所示。在該配比基礎(chǔ)上，加入體積比為2%的鋼纖維，其長(zhǎng)度為8 mm，直徑為0.12 mm。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

將內(nèi)外模板和鋼筋籠布置好以后進(jìn)行試樣澆筑。鋼筋籠是由鋼筋和箍筋通過鋼絲綁扎而成，試樣澆筑完成后，進(jìn)行常規(guī)養(yǎng)護(hù)96 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d，在試樣軸線位置上貼應(yīng)變片，用于測(cè)量在軸向荷載作用下試樣的變形和軸向應(yīng)變。應(yīng)變片位置及編號(hào)如圖1所示。

將試樣放置在YAW-10000F壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。根據(jù)極限承載力理論計(jì)算，設(shè)置壓力機(jī)的檔位為5 MN，保證將試樣放置在中心后進(jìn)行預(yù)加載，然后進(jìn)行分級(jí)加載，每級(jí)荷載大小為10%P（P為極限荷載），加載速率為180 kN·min-1，每級(jí)荷載加載時(shí)間持續(xù)120 s，當(dāng)加載至90%P時(shí)，采用位移控制加載速率，速率設(shè)置為0.05 mm·min-1，直到試樣完全破壞后停止加載（見圖1）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞過程及應(yīng)變分析

A1組試樣形態(tài)在加載到50%P之前基本沒有變化，當(dāng)加載到60%P這一過程中，試樣端部出現(xiàn)掉渣和碎屑?jí)嚎s發(fā)聲的現(xiàn)象;繼續(xù)加載至70%P過程中，試樣端部開始出現(xiàn)肉眼可見的微小裂紋;當(dāng)加載到90%P時(shí)，裂紋數(shù)量明顯增多，且逐漸向試樣中心豎向擴(kuò)展;當(dāng)加載至P時(shí)，試樣發(fā)出爆裂聲，壓力機(jī)讀數(shù)快速下降，試樣端部出現(xiàn)較為明顯的V型破壞，如圖1所示。這個(gè)時(shí)候試樣雖然明顯破壞，但是仍然保持完整性，并未脫落。A2組試樣的破壞形態(tài)與A1組試樣大致相同，區(qū)別在于端部出現(xiàn)裂紋的時(shí)間相對(duì)延后，試樣最終破壞時(shí)，端部的裂紋數(shù)量明顯增加。

A3組試樣破壞的過程與A1組和A2組試樣有所區(qū)別，主要在于加載至80%P時(shí)，試樣的端部和中部偏上一點(diǎn)的位置均出現(xiàn)了許多微小裂紋，當(dāng)加載至P時(shí)，試樣中部出現(xiàn)一條較為明顯的傾斜裂紋。

三組試樣的軸向應(yīng)變隨著荷載的增加而變化的情況如圖2所示。從圖中可以看出，當(dāng)加載到達(dá)70%P之前，試樣的變形主要是彈性變形，當(dāng)試樣破壞時(shí)，軸向應(yīng)變的范圍在25×10-3～30×10-3。在相同應(yīng)變下，A1組試樣荷載最小，A3組試樣荷載最大，A2組試樣居中，說明試樣抵抗變形的能力為A3>A2>A1。A3組試樣應(yīng)變片S2和S4的曲線未從原點(diǎn)出發(fā)，表明加載開始一段時(shí)間后該位置才開始產(chǎn)生變形。

2.2 極限承載力分析

空心短柱混凝土試樣承載力P的計(jì)算公式如式（1）所示。

將截面面積取為全截面面積時(shí)，極限荷載理論計(jì)算值為2 342 kN。極限荷載與截面面積之比表示極限應(yīng)力，三組試樣的極限應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值如表3所示。從表中可以看出，由于理論計(jì)算時(shí)，未考慮不同箍筋間距的影響，因此三種組別試樣的極限應(yīng)力和極限荷載理論值均相同，但是三組試樣的極限荷載實(shí)測(cè)值差別較大，A1組試樣低于50%的理論值，而A3組試樣與理論值十分接近，其大小關(guān)系為A3>A2>A1，與荷載-應(yīng)變曲線圖中的結(jié)果相一致，表明箍筋的增加對(duì)于提高低配筋空心短柱的極限承載力具有顯著的效果。

2.3 箍筋間距分析

為了更加清晰地分析箍筋數(shù)量對(duì)試樣承載能力的影響，對(duì)A1組試樣中空段試驗(yàn)區(qū)域（長(zhǎng)度為600 mm）配制不同數(shù)量的箍筋，測(cè)得試樣的極限承載能力與箍筋數(shù)量的關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出，極限承載能力隨著箍筋數(shù)量的增加而增加，當(dāng)箍筋數(shù)量從0增加到6根的時(shí)候，極限承載力增加較小;當(dāng)箍筋數(shù)量從6根增加到12根的時(shí)候，極限承載力增加非常明顯;當(dāng)箍筋數(shù)量超過12根以后，極限承載力上升基本停止，此時(shí)相對(duì)于未加入箍筋時(shí)，極限承載力上升了27.5%。從圖中還可以看出，當(dāng)箍筋數(shù)量處于6到12根時(shí)，上升的速率最大，說明存在一個(gè)最佳的箍筋數(shù)量區(qū)間，使得極限承載力效果最佳，實(shí)際工程中應(yīng)該考慮經(jīng)濟(jì)成本與材料承載能力的綜合性價(jià)比最高的箍筋數(shù)量配制。

2.4 工程應(yīng)用分析

從以上的試驗(yàn)結(jié)果顯示，低配筋空心短柱在合理地選擇箍筋數(shù)量后能發(fā)揮出很好的承載能力，完全可以滿足工程需求，且在很大程度上節(jié)約了材料和經(jīng)濟(jì)成本。箍筋數(shù)量存在一個(gè)最佳區(qū)域，若構(gòu)件尺寸相似情況下，范圍為50～100 mm時(shí)，即箍筋數(shù)量為6～12根時(shí)為最佳。該結(jié)果能為類似工程提供理論支撐。

3 結(jié)語

本文對(duì)低配筋空心短柱試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：試樣在加載前期表現(xiàn)為彈性變形，破壞形式主要分為端部V型破壞或中心剪切破壞;箍筋數(shù)量與承載力成正相關(guān)，但是當(dāng)箍筋數(shù)量達(dá)到一定量時(shí)，極限承載力趨于穩(wěn)定;箍筋數(shù)量的最佳區(qū)域可以通過空心段長(zhǎng)度與箍筋間距進(jìn)行計(jì)算。在最佳箍筋配比下低配筋空心短柱能很好地滿足工程需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mo Alkaysi，Sherif El-Tawil. Factors affecting bond development between Ultra High Performance Concrete（UHPC）and steel bar reinforcement[J/OL]. Construction and Building Materials，2017（3）.

[2]Huanghuang Huang，Xiaojian Gao，Linshan Li，et al. Improvement effect of steel fiber orientation control on mechanical performance of UHPC[J/OL]. Construction and Building Materials，2018（188）.

[3]高緒明.鋼纖維對(duì)超高性能混凝土性能影響的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.

[4]徐 朦.多種鋼纖維對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能影響的比較研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[5]Yeqing LI. Structure Design and Application of UHPC in Corrosive Environment[C]. 中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)、中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院.第九屆水泥混凝土國(guó)際會(huì)議論文摘要集.中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)、中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院：中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)，2017.

[6]陳寶春，楊 簡(jiǎn)，黃卿維，等.超高性能混凝土形狀與尺寸效應(yīng)分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，47（3）：391-397.

[7]楊丙文，黎雅樂.鋼筋對(duì)超高強(qiáng)度混凝土梁受力性能的影響[J].特種結(jié)構(gòu)，2017，34（2）：71-74.

[8]吳佳佳.鋼-UHPC輕型組合橋梁結(jié)構(gòu)華夫橋面板的基本性能[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2016.

[9]鄧宗才，劉少新，王海忠，等.四種FRP管約束UHPC軸壓特性的試驗(yàn)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，41（5）：728-734.

[10]鄧宗才，劉少新.FRP管約束超高性能混凝土的試驗(yàn)及理論研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，24（4）：792-803.