高强箍筋约束高强混凝土短柱骨架曲线的影响因素.pdf

2 0 1 4年第 2 期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRET E AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 4 No 2 F e b r u a r y 高强箍筋约束高强混凝土短柱骨架曲线的影响因素 徐 成 ， 吴建 文 ， 蒋 明慧 ( 四川 工程 职业 技术 学 院 ， 德 阳 6 1 8 0 0 0 ) 摘 要 ： 以高强箍筋约束 高强混凝土短柱试验 为基 础 ， 研 究 了普通强度与 高强箍 筋在 构件破坏过 程 中， 箍筋 强 度和箍 筋间距对短柱构件骨 架曲线的影响 。研 究结果可 为高强箍 筋约束高强混凝土构件 的应用提 供理论基础 并 对钢 筋混凝 土结构的抗震设计提供 参考价值 。 关键词 ： 高强： 箍筋 ： 骨架曲线 Abs t r ac t ：Ba s e d o n t h e e xp e rime n t o n h i g h s t r e ng t h c o nc r e t e c o l u mn c o nfin e d wi t h hi g hs t r e n g t h s t i r r u p，t h e i n flu e n c e o f s t i r r u p s t r e n g t h a n d s t i r r u p s p a c i n g o n s k e l e t o n C H I V e o f t h e o r d i n a r y s t r e n g t h a n d h i g h - s t r e n g t h s t i r r u p c o n c r e t e c o mp o n e n t s d u r i n g t h e wh o l e f a i l u r e p r o c e s s o f t h e c o mp o n e n t s a v e s t u d i e d A n d t h e r e s u l t s s h o w tha t i t n o t o n l y c a n p r o v i d e t h e n e c e s s a ry t h e o r e t i c a l b a s i s f o r a p p l i c a t i o n o f h i g h - s t r e n g t h s t i r r u p c o n fi n e d c o n c r e t e ，b u t c a n g i v e g o o d r e f e r e n c e v a l u e t o t h e s e i s mi c d e s i g n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e Ke y wo r d s ：Hi g h s t r e n g t h ； S t i r r u p ；S k e l e t o n c u r v e 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 2 5 8 0 3 0前 言 对于钢筋混凝土框架结构 ， 为满足轴压 比限值 的要求 ， 往往要求柱的截面大 。如房屋设有错层 、 夹 层 、嵌砌于柱 间的窗下墙或嵌砌于柱间的翼墙等 容易形成短柱或超短柱。震害表 明 由于短柱 的刚 度很大 ， 地震 作用下将吸收更多 的水平剪力 ， 从而 导致短柱发生剪切破坏或剪切粘结破坏 的脆性破 坏形式。钢筋混凝土短柱的脆性破坏往往是造成钢 筋混凝土框架结构破坏甚至倒塌 的一个重要因素 在结构设计 中如何避免短柱及对短柱进行 有效加 强 以提高其抗震性能是结构抗震设计 的重 要课题 之一 。对 于短柱 ， 可通过多种方法和措施来提高 其承载力及抗变形性能 ， 以改善其抗震性能 ， 保证 结构安全 。 将 同方 向( 拉或压 ) 加载 的应力一 应变 曲线中 ， 超过前一次加 载最 大应力 的区段平移相连后得到 的曲线称为骨架 曲线。也可表述为滞回曲线上同向 ( 拉或压 )各次加载的荷载极值点依次相连得 到的 包罗曲线为骨架 曲线。骨架曲线是每次循环加载达 到的水平力最大峰值的轨迹 ， 能够反 映出构件受力 与变形 的各个不 同阶段及特性 ( 强度 、 刚度 、 延性 、 耗能及抗倒塌能力等 ) ，也是确定恢复力模型中特 征点 的重要依据 ， 这些都是衡量结构抗震性能的重 要指 。 基 金项 目： 四川 省建设厅科 技计划项 目， 四川 I 工 程职业技 术 学 院创新 基金项 目。 一 5 8一 随着高强材料 的推广应用 ， 采用 高强钢筋做箍 筋一方面使得箍筋能对混凝土起到有效约束作用 ， 以改善高强混凝土的脆性 。提高其强度和延性 ， 改 善结构 的抗震性能 ， 另一方面还可提 高钢筋混凝 土 构 件 的受 剪 承 载力 ， 同时 还可 节 约 钢 材 。 为 了进 一 步提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能 ， 提高箍筋 对混凝土的约束效果 ，本文采用高强钢筋做箍筋 通过与配置普通强度箍筋混凝 土短柱的对 比试验 考察高强箍筋约束高强混凝土短柱 的抗震性 能 ， 通 过低周反复水平加载试验研究高强箍筋 高强混凝 土柱 的破坏过程 中。 箍筋强度 、 间距和配箍率等因 素对柱承载力和变形性能的影响。 1 试验材料与方法 1 1 构件的设计 与制作 试验试件共三组 6个 ， 截 面形式为方形 ， 截面 尺寸为 2 5 0 mm x 2 5 0 m m，柱高为 7 5 0 m m剪跨 比为 h = 1 5 。 为了较好地模拟短柱在地震作用下的受力性 能 ， 试件 的上下两端取 固定端 ， 为此试件 的形式取 工字型。设计混凝土强度等级为 C 5 0 ，保护层厚为 2 0 m m。普通强度箍筋采用 HR B 4 0 0级热轧钢筋 ， 高 强箍筋屈服强度为 9 0 0 MP a 箍筋形式 为井字箍 。 端 部设 1 3 5 。 弯钩 ， 并深入核心混凝土 内部6 0 m m； 纵筋 为 1 2根直径 1 2 ra m 的 H R B 4 0 0级热轧钢筋 ， 均匀分 布在截面四周 ， 配筋率为 2 3 6 。 试验变化参数为面积配箍率 、 箍筋强度 、 箍 筋 直径 和箍筋间距 。三组试 件的面积配箍率分别 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐成 。 吴建文 ， 蒋明慧 高强箍筋约束高强混凝土短柱骨架曲线的影响因素 O 8 5 、 1 和 1 3 4 ；箍筋屈 服强度 为 4 0 0 MP a和 9 0 0 MP a 两种 ：箍筋直径为 5 mm、 6 m m、 7 m m和 8 m m 四种 ； 箍筋间距以 6 0 m m为主 ， 其他 间距为 4 6 ram和 8 0 ram。试验轴压比为 0 5 。试件设计参数见表 1 。 表 1 试件设计参数一览表 所有试件均采用木模板 卧式振捣浇筑 ， 采用商 品混凝土一批浇筑完成 ，室外 自然条件下养护 2 8 d 后 进 行 试 验 。 试 件 浇 筑 的 同 时 ，预 留 1 5 0 m m 1 5 0 mm l 5 0 mm标准立方体试块三组 ， 同条件养护 ， 用以测定混凝土材料的力学性能。由预留的混凝土 标准 立方体 试块 测得 的抗 压强 度平 均值 为 5 9 2 7 MP a 由此可得混凝 土轴心抗压强度平均值 为 4 3 4 6 MPa 。 1 2测试 方案 加 载过 程 中测试 项 目主要 包括 以下 几个 ： ( 1 ) 试件所受的水平荷载。 ( 2 ) 各级荷载下柱顶的水平位移。 ( 3 ) 试件的滑移 。 ( 4 ) 试件中部的剪切变形。 ( 5 ) 箍筋和纵筋 的应变值。 试件在反复荷 载作 用下 的滞 回曲线 可 以反 映 试件在反复受力过程 中的变形特征 、 刚度退化 以及 能量消耗 ， 是确定恢复力模 型和进行非线性地震反 应分析的依据。因此， 在试件柱顶设置一个位移计， 用来测量柱顶在水平荷载作用下 的水平位移 ， 从而 得到试件 的 P 一 曲线 ： 在底座梁端部安装一个水平 位移计 。 以测量试 件的整体水平滑移 ； 在平行 于水 平加载方 向的北侧柱 中部沿 4 5 。 角方向布置 2个位 移计 。 用 以测量试件开裂后的剪切变形 。为了测得 箍筋及纵 筋应 变 ， 以便 了解钢筋应力 的变化 ， 在纵 筋与箍筋上沿试件高度布置 4道应变片。 试验过程中， 所有数据均通过 T D S 一 5 3 0数据采 集仪 自动采集 ， 其中水平荷载和水平位移同时传输 到 X Y函数记 录仪 中，用来绘制 P 一 滞 回曲线 ， 以 监测试验过程。 2试 验结 果 与分 析 2 1 箍筋强度的影响 将试件荷 载一 位移滞 回曲线每次循 环的峰值点 连接起来得到的包络线称为骨架曲线。它是每次循 环的荷载一 位移曲线达到最大峰值点的轨迹 ，其性 状能较为 明确地反映结构或构件 的强度 、 变形和延 性等抗震性能。同时 ， 骨架曲线还反映了构件的屈 服点、 最大荷载点以及极限点等特征点 。 图 1为不同配箍率情况下箍筋强度对 三组构 件骨架 曲线的影响 。其 中， 图 1 ( a ) ( b ) ( c ) 分别为箍 V k N 一一D H C 一 1 U U 935M Pa 41)U 厂 。 一 一 D N C 一1 300 400M Pa 200 砖 1 0 0 一 4 0 3 0 2 0 0 j 0 1 O 2 O 3 O 4 0 位 移 ra m V K 一 ： 一 9 3 5 M P a D 2 ,JU wJ f 一 一 N C 一 f 0 0 M P a 2 0 0 ；0- 4 0 3 0 2 0 0 j O 1 O 2 O 3 O 4 0 1 位移 ra m ( b ) p | = 1 3 4 V K 一 - a - DH C - 3 0 0 9 3 5 MP a f 二 n “一 D N c 一 。 ： 0 0 L = 4 0 0 MP a Z U U ： 1 0 0 I 。 U )一 4 0 3 0 2 0。 o j O 1 0 2 O 3 O 4 0 ： 气 位 移 m m 0 0 ( c )p B = O 8 5 图 1 不同配箍率情况下箍筋强度对骨架 曲线的影响 一 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 4期 筋强度对第一 、 第二和第三组构件骨架 曲线影响的 对 比分析图 。 其 中 ， 图 l ( a ) 中的配箍率 P = 1 0 ， 图 1 ( b ) 中的配 箍率 P = 1 3 4 ， 图 1 ( c 1 中的配箍率 ps = 0 8 5 。 由图 1 可 以看 出， 箍筋强度的提高对短柱剪切 承载力的影响很小 。 但提高了柱的变形能力和延性 性能。由于高强箍筋的约束 ， 试件极限荷载之后的 强度衰减缓慢 ， 曲线下降段 较为平缓 ， 不会 出现陡 然下降 的现象 。同时 ， 极限变形 明显增加 。 延性更 好 。同时 ， 由图 1中对 比可见 ， 随着配箍率 的提高 ， 高强箍筋对短柱 的变形能力和延性性能 的改 善较 为明显 。 2 2 配箍率与箍筋间距 的影响 图 2反映了配箍率对骨架 曲线的影响。由图 2 可 以看 出 ， 无论普通强度箍筋还是高强箍筋 ， 提高 配箍率均能改善柱的变形能力和延性性能。配箍率 越高 ， 试件的极限位移越大 ， 同时 ， 曲线的下降段越 平缓 ， 强度衰减慢 。配箍率是影响钢筋混凝土短柱 抗震性能 的重要 因素之一 ，随着 配箍率的增 加 ， 箍 筋可 以对混凝土形成 良好的约束作用 ， 从而改善或 提高短柱的抗剪承载力及变形性能。 V， k N U? I G-l 5 【 x 】 o 4 0 O 一 DNC- 3 4 2 3 O O。 一 D N C 一 3 2 0 0 p s= 0 8 4 1 0 0 0 4 0 3 0 2 0一 o o i b 1 0 2 0 3 0 4 0 5 位移 mm V k N p 8=1 0 4 0 0 I 一 O - DHC 一 2 3 0 0 1 3 4 2 0 0 一 DHc- 3 1 0 0 p - 0 8 4 ， 0 4 0 3 0 2 0= j 1 O 2 0 3 0 4 0 一 z 位移 mm 。 图 2 配箍率对短柱骨架 曲线 的影响 0 图 3为相 同箍筋 间距但 不 同箍筋强度对 骨架 曲线的影响。试件 D H C 一 1和 D N C 一 2具有相同的箍 一 6 0一 筋 间距 ， 但高强箍筋 的直径更细 ( 配箍率更低 ) ； 由 图 3可知 ，高强箍筋试件 D H C 一 1的延性 略优于普 通强度箍筋试件 D N C 一 2 ， 但前者 的极 限位移明显大 于后者， 变形能力更强。相 同的延性要求下 ， 高强箍 筋 的用钢量低 ， 更加经济 。 一a DHC一 1 2 ) U U V K l 、 s = 6 0 mm 4 0 0 。 p l O 3 0 0 。一 - 2 2 0 0- 稿 t p s =1 3 4 1 0 0一 - 一 。 l O 2 0 3 0 40 5 位移 ra m 图 3相 l司箍筋 间距 不 l司箍 筋 强度 对 短 柱 骨 架 曲 线 的 影 响 3结论 ( 1 ) 箍筋强度 的提高对短柱剪切承载力 的影响 很小 ， 但提高了柱的变形能力和延性性能 ： 由于高 强箍筋 的约束 ，试件极 限荷载之后 的强度 衰减 缓 慢 ， 曲线下降段较为平缓 ， 不会 出现陡然下降的现 象 ， 同时极限变形 明显增加， 延性更好。 ( 2 ) 无论普通强度箍筋还是高强箍筋 ， 提高配 箍率能改善柱 的变形能力和延性性能 ：配箍率越 高 。 试件 的极限位移越大 ， 同时曲线的下降段越平 缓 ， 强 度衰减 慢 。 f 3 ) 相同箍筋 间距下高强箍筋试件的延性和耗 能能力优于普通强度箍筋试件 ， 由于高强箍筋 的直 径更细 ， 所以在相 同的延性要求下采用高强箍筋可 以降低用钢量 ， 更加经济 。 参考文献 ： 【 1 】 李蓬 冷轧带肋钢 筋作箍 筋的高 强混凝 土柱抗震 性能研 究 D I 北京： 清华大学土木水 利学院 2 0 0 0 【 2 S u z u k i M， A k i y a m A M， H o n g K N ， e t a 1 S t r e s s S t r a i n Mo d e l o f Hi g h - S t r e n g t h C o n c r e t e Co n fi n e d b y Re c t a n g u l a r T i e s C 1 3 t h Wo r l d C o n f e r e n c e o n E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g， 2 0 0 4 3 1 孔修 礼高层钢管混 凝土结构体 系设计方 法及试验 研究 D 南京 ： 东南大学土木工程学 院 ， 2 0 0 6 4 过镇海， 时旭东 钢筋混凝 土原理 和分析 M 北 京 ： 清华学 出版社 2 0 0 3 收 稿 日期 ： 2 01 3 1 2 2 5 作者简 介： 徐成( 1 9 7 6 一 ) ， 男 。 通讯地址 ： 四川 I 省德阳市泰山南路 8 0 5号 联 系电话 ： 1 3 9 9 0 2 9 3 4 9 7 E ma i l ： 2 3 9 7 4 0 8 8 7 0q q c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m