高强箍筋约束混凝土轴压力学性能尺寸效应试验研究.pdf

2 0 1 3 年 第 8 期 (总 第 2 8 6 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 3 ( T o 1 No 2 8 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 8 0 0 1 高强箍筋约束混凝土轴压力学性能尺寸效应试验研究 李振宝 。杨修广 ，宋佳 。杜修力 ( 北京工业大学 工程抗震与结构诊治j E 京市重点实验室 ，北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要 ： 为了研究约束混凝土轴压力学性能的尺寸效应 ， 进行了 7 个高强箍筋约束普通混凝土试件的轴心受压试验。 试验变量 主要包括试件尺寸和箍筋形式。 试验结果表明： 试件尺寸增大对约束混凝土强度有负面影响 ； 复合箍筋可明显提高试件延性 ； 且 其约束优势主要体现在试件承载力下降段 ； 随着试件尺寸增大、 箍筋形式复杂 ， 高强箍筋屈服时试件全截面应力与峰值应力的 比值越大。 关键词 ： 高强钢筋；箍筋形式 ；约束混凝土；尺寸效应 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 8 0 0 0 1 0 4 E x p e r i me n t s t u d y on t h e s i z e e ffe c t o f a x i a l c o m p r e s s i v e m e c h a n i c a l p e r f o r ma n c e o f c o nc r e t e c o n f i n e d b y h i gh - s t r e n g t h s t i r r u p s LI Zhe nb a o， YANG Xi u gu a ng， SONGJ i a， DUXi u fi ( B e ij i n g K e y L a b o f E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l R e t r o fi t ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： I n o r d e r t o s t u d y t h e e f f e c t s i z e o f me c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f c o n fi n e d c o n c r e u n d e r a x i a l c o mp r e s s i v e l o a d i n g ， ax i a l c o m p r e s s i o n e x p e r i me n t s o f s e v e n c o n c r e t e c o l u mn s c o n fi n e d b y h i g h s tr e n g t h s t i r r u p s o f t h r e e g r o u p s we r e c a r r i e d o u t T h e ma i n t e s t v a ri a b l e s we r e s p e c i me n s i z e ， s ti r r u p s c o n fi g u r a t i o n T h e t e s t r e s u l t s h o we d tha t ： the e n l a r g e me n t o f s p e c i me n s d e c r e a s e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r e n g t h ；c o m p o s i s ti r r u p s c o u l d i mp r o v e the d u c t i l i ty o f c o l u mn s a n d the c o n s a i n t a d v ant a g e s w e r e ma i n l y e m b o d i e d a t th e b e a r i n g c a p a c i t y d e s c e n d i n g s t a g e ；a s t h e s p e c i me n s i z e i n c r e a s e d ， t he s t i r r u p c o n fi g u r a t i o n s b e c a m e c o m p l e x ， t he r a t i o o f t h e w h o l e s e c t i o n s t r e s s wh e n t h e h i g h - s tr e n gth s t i r r u p s y i e l d t 0 t h e p e a k s tr e s s i n c r e a s e d K e ywo r d s ： h i g h s t r e n gth s t e e l b a r ； s t i r r u p c o n fi g u r ati o n； c o n fi n e d c o n c r e t e ； s i z e e f f e c t 0 引言 与普通钢筋相 比， 高强钢筋具有减少钢筋用量 、 提高结 构延性等优点 。 1 9 8 4 年 ， 戴 自强等人呶寸1 8 根配有高强纵筋 箍筋 的混凝 土柱进 行 了试验 ， 1 9 8 8年 Yo n g等 2 对 2 4根 方形 截面 柱进 行 了试验 研 究 ， 混 凝 土强 度范 围在 8 3 6 9 3 5 MP a 之 间 ， 纵 筋屈服强度 为 4 2 4 MP a ， 箍筋 屈服强度 为 5 0 0 MP a 。 2 0 1 2 年史庆轩等人翻 进行了 3 1 根高强螺旋箍 筋 约束高强混凝土方形截面柱的轴心受压试验。 以上研究 结果表明， 高强箍筋与高强混凝土可以很好地协同工作 ， 且 高强箍筋可改善高强混凝土脆性 。 其他研究者也得到类似 结果 。 如 2 0 1 2年王文静等f4 1进行 了大尺寸高强箍筋约束混 凝土柱轴心受压性能研究， 发现高强箍筋可以显著提高混 凝土延性 ， 但对峰值应力提高不大 。 尺寸效应是指材料强度 随试件几何尺寸变化 的现象。 N e v i l l e ts 、 Ma l h o t r a tq 、 L e s s a r d t 等人进行了素混凝土抗压强 度尺寸效应试验研究， 结果显示， 小尺寸试件具有明显高 的强度。 2 0 1 0 年符佳 I I J 为了研究大尺寸钢筋混凝土试件的 收稿 日期：2 0 1 3 - o 2 - 2 8 基金项 目：国家 自然科学基金重点项 目( 5 0 8 3 8 0 0 1 ) 尺寸效应 ， 进行 了 3 组混凝土柱进行了试验 。 试验表 明， 构 件截面尺寸在 2 0 0 6 0 0 m m范围内， 钢筋混凝土轴心受压 柱承载力存在明显 的尺寸效应 。 2 0 1 2年宋佳 1 2 _ n 对 2 0 个钢 筋混凝土 圆柱进行 了轴压试验 ， 试件按照相似原理设计 ， 考虑了试件几何尺寸 、 体积配箍率及保护层的有无。 试验 表明峰值应力随试件尺寸增大而下降。 从上文看出， 高强箍筋更多应用于高强混凝土约束； 混凝土尺寸效应研究集 中于素混凝土尺寸效应研究 ， 钢筋 约束混凝土尺寸效应研究较少。 本研究对 3 组不同尺寸高 强箍筋约束普通强度混凝土试件进行轴压试验 ， 以研究其 力学性能及尺寸效应。 1试验 概 况 1 1 试件设计 本研究以试件尺寸和箍筋形式为变量， 以体积配箍率 相等原则设计了 3 组试件 ， 相关参数见表 1 ； 箍筋形式分 F 、 S 、 J 三种( 见 图 1 o 试件编号分别为 F 2 、 S 4 、 J 6 ， 其 中字母 表示箍筋形式 ， 数字 2 、 4 、 6 分别代表截面边长 2 6 7 、 4 0 0 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 试件设计参数 图 1 箍 筋形式 及测 点 布置 6 0 0 m m。 试件 的外圈方箍采用双面搭接焊 的方式进行连 接 ， 搭接点位于试件截面边长 中部 ， 搭接长度为 8 d ， d为箍 筋直径 。 由钢筋材料力学性能试验可知 ， 与钢筋原材的强度 相 比 ， 焊缝端 部的强度下降 3 9 0 MP a ， 为保 持箍筋 的高 强 性能 ， 根据强度等效原则在焊接部位所在边加配一根拉筋。 1 。 2 材料力学性能 纵筋采用 H R B3 3 5 级钢筋 ， 箍筋采用中国钢研科技 集 团研制 的高强钢筋 。 该钢筋通过热处理来提高其强度 ： 将 钢筋加热后经淬 回火 ， 使材料组织转变为 回火组织 ， 在显 著提高材料的同时可保存一定塑性 。 材料 力学性能见表 2 。 每个试件只在角部配备 4根纵筋 ， 主要起到 固定箍筋的作 用 。 箍筋的屈服应变为 0 0 0 5 2 ； 混凝土立方体抗压强度实测 均值为 4 5 8 MP a ， 轴心抗压强度实测均值为 4 2 6 7 MP a ， 弹 性模量实测均值为 3 0 8 x 1 0 MP a 。 表 2 钢筋材料力学性能 1 3 测量与加 载方案 试验的测量参数包括轴向荷载 、 轴向压缩变形和受拉 箍筋应变。 轴 向荷载采用 4 0 0 0 0 k N多功能 电液伺服加载 系统施加 ； 轴 向压缩变形 由安装在试件上 的位移计测得 ， 标距为 2 H 3 ， H为试件高度 ； 箍筋应变由粘贴在箍筋表 面 的电阻式应变片测得。 测点布置见图 1 。 试验采取不间断轴向单调加载 ， 在荷载达到试件极 限 承载力之前， 采用力控加载， 之后通过位移控制加载， 直至 压溃。 2 试件破 坏形式 随着箍筋形式趋于复杂 ， 不 同组试件的破坏形态有所 不 同( 见图 2 ) 。 对于 F 2 试件 ， 在加载初期 ， 试件轴向变形和 泊松比较小， 箍筋的约束作用尚未体现。 当荷载达到峰值荷 载的6 0 8 0 ， 试件截面角部处的保护层开始出现很细的 ， 图 2试 件最 终破 坏形 态 竖向裂缝。 极限荷载附近 ， 裂缝开展明显 ， 同时伴有混凝土 表皮破裂 、 剥离 的“ 劈裂” 响声 。 随着轴 向荷载的继续施加 ， 试件承载力急剧下降， 裂缝开展与保护层的剥落明显加快 ， 核心混凝土横 向应变增加 。 当荷载下降到峰值荷载 的 7 5 时， 由于箍筋外鼓， 约束状态变好， 承载力下降放缓。 加载末 期( 极限荷载的 5 0 之后 ) ， 箍筋外鼓 明显， 纵向钢筋屈曲。 对于 田字型 、 井字型复合 配箍的 S 4 、 J 6 试件 ， 在加载 上升段破坏特征与 F 2试件类似 。 s 4下降段 的主要 区别有 以下几点： 当荷载下降至峰值荷载的6 0 左右时， 拉筋 的拉钩拉成直角 ， 其中试件 S 4 2的外方箍分别在角部 、 与 拉筋连结部位发生处断裂 ； 核心区混凝土 的薄弱部位 相互连通 ， 形成斜向裂缝 。 J 6 试件 下降段 的破坏特征与 F 2 试件的主要区别有以下几方面： 剪切面处的拉筋均在混 凝土膨胀 和剪切 面上下两块混凝土块滑移作用下拉成直 角 ， 外方箍在 角部及 与拉筋搭接处 多处发生 断裂 ； 在位 移计测量范 围内 ， 箍筋之 间的混凝土压成粉状。 3 试验结果及分析 图 3为试验 中试件 的实测应力 一 应变 曲线 ， 应力 由轴 力除以全截 面面积得到 ， 应变由成对布置在试件的位移计 除以各 自的标距， 再对两个应变值取平均值得到。 黑点为 高强箍筋屈服时所在位置 。 从图 中可以看 出， 在加载初期 ， 混凝土应力增长较快而应变增长缓慢 ； 接近峰值时应变加 速增长 ， 应力增加速 度减缓 ； 峰值 点之后 ， 应变逐渐增大 。 F 2 试件 ， 应力在峰值点之后下降迅速 ， 应力一 应变曲线形 成一个 明显 的尖峰 ， 下降段陡峭 ， 延性 较差 。 S 4和 J 6 组试 件的应力一 应变曲线下降段则较为平缓， 表现出较好的延 性性能。 其中， 试件 J 6 2的应力一 应变曲线达到峰值点之后 形成一个屈服平台。 表 3给出了 6 项指标 的试验 结果 ， 其 中 为极 限承 载力 为峰值应力， 和 鼯 分别为对应于峰值荷载和下 降到 8 5 的峰值荷载时试件中间 2 3 H的应变， 为试件 达到峰值荷载对应的箍筋应变 ， 为箍筋屈服时全截面应 力与峰值应力的比值。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 O 4 5 4O 35 30 25 b 20 I 5 1 0 5 0 f a ) F 2 试件 50 4 5 40 3 5 3 0 2 5 b 20 15 10 5 8， ( b ) S 4 试 件 图 3 各组试件应 力 应变曲线 表 3 试验数据 5 0 45 4O 3 5 3 0 2 5 b 2 0 15 1 0 5 O 0l O O 2 0 0 3 8 ( c ) J 6 试件 三种试件之间进行参数比较时， 不同参数变化趋势不 同。 对于减小趋势的参数， 本研究用“ 下降比率” 比较其变化； 对于增大趋势的参数， 用“ 上升比率” 比较其变化。 中等尺 寸或大尺寸试件某项指标的下降比率 = ( 试验值小 尺 寸 试 件 一 试 验值 中 等 尺 寸 或 大 尺 寸 试 件) 试验值小 尺 寸 试 件， 上 升 比率 = ( 试验值中 等 尺 寸 或 大 尺 寸 试 件 一试验在 、 尺 寸 试 件 ) 试验值 、 R 寸 试 件 。 3 1 峰值 应力比较 图 4给出 了三组试件峰值应力 的关 系曲线 。 s 4 、 J 6组 试件的下降 比率分别为 2 、 3 6 ， 随着试件尺寸增大 ， 峰值 应力逐渐下 降。 考虑到随着试件尺寸增大 ， 配箍 形式复杂 对强度的有利影响 ， 说明试件尺寸增大对约束混凝土强度 有负面影响。 试 件 截 面 尺 寸 mm 图4 三种试件峰值应力对比 3 2应 变 比较 图 5给出三种试件 峰值应变对 比曲线 。 由图 5可知 ， 随着试件截面尺寸增大 ， 试件的 占 龉 呈上升趋势。 s 4 、 J 6 试 件的上升 比率分别为 3 8 、 1 5 4 ， 且从 S 4到 J 6 上升幅度 相对较大。 图 6给出三种试件 的对 比曲线。 s 4 、 J 6 试件 的上升比率分别为 1 1 3 3 、 2 7 0 。 s 的上升比率远远大 于 s 的上升比率 ， 所以高强复合箍筋的约束优势在后期 发挥 比较明显 。 试件 截面尺 寸 mm 图 5 三种试件峰值应变对比 试件截 回尺寸 mm 图6三种试件 E 8 5 对比 3 3延 性 比较 图 7给出三种试件 8 对 比曲线 。 S 4 、 J 6 试件 的上 升 比率分别 为 1 0 6 9 、 2 1 3 7 。 复合箍筋可 以明显 提高试 件延性 。 其原因可能是当配箍率相同时 ， 复合箍筋 的试件 ， 其有效约束混凝土面积大， 约束效果好。 3 4 峰值应 力时箍 筋应 变比较 图8给出三种试件 的对比曲线。 s 4 、 J 6试件的上升 比率分别为 0 、 5 3 。 即试件峰值应力时箍筋应变相等， 而 J 6试件峰值时箍筋应变大于 F 2 、 s 4 试件峰值应力时箍筋 应变。 同时可以看出， 峰值应力时， 箍筋发挥并不充分。 3 5 箍筋屈服时全截面应力与峰值应力的比值比较 图9 给出三种试件 O 的对比曲线。 由图可知， 随着试件 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试件截面尺寸 mm 图 7 三种试件 E 8 5 ， E 对 比 试 件截 面尺寸 mm 图 8三种试件 E 。 对比 试 件截 面尺寸 ram 图 9 三种试件 对比 尺寸增大 、 箍筋形式复杂 ， 箍筋屈服 时全截面应力与峰值 应力的比值越大。 4结 论 本研究通过 3 种( 7 个) 高强箍筋约束普通混凝土试件 的轴压试验 ， 对试件的破坏形态 、 强度 、 变形及箍筋应变进 行 了研究 ， 得到如下结论 ： ( 1 ) 试件尺寸增大对约束混凝土强度有负面影响。 ( 2 ) 复合箍筋可明显提高试件延性； 且其约束优势在 试件承载力下降段体现出来。 ( 3 ) 随着试件尺寸增大 、 箍筋形式复杂 ， 箍筋屈服时全 截面应力与峰值应力 的比值增大。 参考文献 ： 【 1 】戴自强， 陆继贽， 张祖光 约束混凝土 天津大学学报 ， 1 9 8 4 ( 4 ) ： 1 6 2 4 【 2 Y O N G Y， N O U R M G， N A WY E G B e h a v i o r o f l a t e r a l l y c o n f i n e d h i s h s t r e n g t h c o n e r e t e u n d e r a x i a l l o a d s J J o u r n a l o f S t r u c t u r al E n - g i n e e r i n g ， A S C E ， 1 9 8 8 ， 1 1 4 ( 2 ) ： 3 3 2 - 3 5 1 3 】史庆轩， 杨坤， 刘维亚， 等 高强箍筋约柬高强混凝土轴心受压 力学性能试验研究 J 】 工程力学， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 4 1 1 4 9 【 4 1 U Z B， WA NG W J ， Z HA NG W J E x p e r i me n t a l s t u d y O i l a x i al c o mp r e s s i o n p e rfo r ma n c e o f f ul l s c a l e s q u a r e c o l umn s of r e i n f o r - c e d c o n c r e t e c o n f i n e d b y h i g h- s t r e n g t h r e i n f o r c e me n t h o o p s【 J 】 A d v a n c e d Ma t e r i a l s R e s e ar c h ， 2 0 1 2 ( 4 4 6 4 4 9 ) ： 9 8 1 9 8 8 5 NE VI L L E A MT h e i n fl u e n c e o f s i z e of c o n c r e t e t e s t c u b e o n me an s t r e n g t h a n d s t and ar d d e v i a t i o n J M a g z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 5 6 ( 8 ) 6 6 M A L H O T R A V M A r e 4 x 8 i n c h c o n c r e t e c y l i n d e r s a s 6 x 1 2 i n c h c y l i n d e r s f o r q u al i t y c o n t r o l ofc o n c r e t e J A C I J o u r n al， 1 9 7 6 ， 7 3 ( 1 ) 7 】L E S S A R D M， C H A A L L A L O ， A I T C I N P C T e s t i n g h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e J A C I J o u n mal， 1 9 7 0 ， 6 7 ( 6 ) 【 8 】 杜修力， 符佳， 张建伟 钢筋混凝土柱轴心受压性能尺寸效应的 大比尺试验研究 J 土木工程学报增刊， 2 0 1 I ( 4 3 ) ： 1 - 8 【 9 】宋佳， 李振宝， 杜修力 圆形箍筋约束混凝土力学性能尺寸效应 试验f J 解放军理工大学学报， 2 0 1 2 ， 1 3 ( 5 ) ： 5 3 8 5 4 3 【 1 0 】 宋佳， 李振宝， 杜修力 约束混凝土轴心抗压强度计算方法 J 】 混 凝土 ， 2 0 1 2 ( 7 ) ： 1 0 1 2 作者简介： 李振宝( 1 9 6 2 一 ) ， 男， 工学博士， 教授， 博士生导师。 联系地址 ： 北京市朝阳区平乐园 1 0 0 号( 1 0 0 0 2 2 ) 联系电话 ： 1 3 6 9 3 0 2 2 8 1 9 全国建筑行业协会秘书长研讨会在哈尔滨召开 8 月 5日， 中国建筑业协会在哈尔滨组织召开全 国建筑行业协会秘书长研讨会 。中国建筑业协会会 长郑一军 出席会 议并讲话， 中国建筑业协会副会长徐义屏、 副会长兼秘书长吴涛出席会议。来自各省、 自治区、 直辖市建筑业协会， 有关行 业建设协会 ， 解放军工程建设协会 ， 有关城市建筑业协会及 中建协各分支机构代表共 1 2 0 余人参会。 会上， 黑龙江省建筑业协会会长史殿臣致欢迎辞。吴涛副会长兼秘书长就中国建筑业协会 2 0 1 3 年上半年工作、 下半 年主要活动及 2 0 1 4 年工作设想作汇报。徐义屏副会长就新修订的 中国建设工程鲁班奖( 国家优质工程) 评选办法 作说 明。会议表彰了 9 1 家全国建筑行业先进协会和 7 6 名全 国建筑行业协会优秀秘书长 ， 并就行业协会 的改革与发展进行 了 深入探讨。中国建筑业协会混凝土分会再次被评为全国建筑行业先进协会， 张彤秘书长再次被评为全国建筑行业协会优 秀秘书长。 郑一军会长在讲话中分析了当前建筑业的形势， 并对推动建筑业的转型升级提出四点意见： 一是从推广应用高强度 钢筋、 高性能混凝土入手， 推动建筑材料的升级； 二是通过大力推进建筑预制装配化生产， 推动生产方式升级 ； 三是通过借 鉴发达国家如德国、 日本的经验， 推动技工素质升级； 四是推动企业组织管理的升级。 郑一军会长还对协会的工作提出五点希望： 一是明确协会的职责地位， 做政社分开、 权责明确、 依法 自治的现代社会 组织； 二是把反映诉求作为工作重点， 下大力气开展调查研究 ， 了解制约行业发展的问题； 三是要积极探索和解决目前协 会工作中的突出弱点行业 自律， 从维权和自律两个方面认真履行行业协会职责； 四是认真搜集行业信息和统计资料， 为了解行业发展的实际情况做实事； 五是进一步加强协会内部建设， 提高秘书处工作水平。 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m