年轮式配螺旋箍筋混凝土柱轴压性能研究.pdf

分类号 TU37 5.3 密级UDC 编号专业学位硕士学位论文年轮式配螺旋箍筋混凝土柱轴压性能研究专业学位名称建筑与土木工程 年轮式配摞旋箍筋混凝土柱轴压性能研究 摘要螺旋箍筋在轴向荷载作用下对混凝土提供均匀的侧向压力，使核心混 凝土处于三向受压状态，从而提高钢筋混凝土柱的承载力和变形能力。在 工程应用中，螺旋箍筋可在工厂快速加工成型或在工地弯曲后焊接成型，使用螺旋箍筋可比使用普通箍筋更节省钢材用量，配螺旋箍筋混凝土柱相 比型钢混凝土柱不存在梁柱节点施工难的问题。由于螺旋箍筋的优点，在 工程中得到广泛运用。本文在传统的单重箍筋混凝土结构形式上多配置几重螺旋箍筋，提出 一种新型配筋的钢筋混凝土结构“年轮式配螺旋箍筋混凝土结构”。本文 以试验为主要手段对年轮式配螺旋箍筋混凝土柱的力学性能进行研究：试验共设计了 18个年轮式配螺旋箍筋混凝土短柱试件，方柱、圆柱各 9个，设置了箍筋间距、钢筋笼层数以及钢筋笼距离的变化参数。通过对 18个试件进行轴压试验，观察试件的破坏过程、形态并获取试件的荷载 挠度曲线及应力-应变曲线。根据试验结果，揭示其受力特点、破坏原理，分析各试件的承载力、刚度、损伤过程、延性、耗能能力。结果表明：年轮式配螺旋箍筋混凝土圆柱或方柱受压的破坏过程及破 坏形态与传统的螺旋箍筋柱或方形箍筋柱基本相似。最外层箍筋起到较大 的约束作用，承载力随体积配箍率呈线性增加，延性系数、耗能能力基本 随体积配箍率增加。此种新型柱可应用于配筋密集的设计需求结构中，可 以很好解决箍筋密配导致的浇筑不便以及在截面不变情况下有效提高承载 力的难题。还考虑了箍筋之间混凝土约束作用弱的影响以及箍筋侧向压力对核心 混凝土强度的贡献，建立复合约束模型并提出承载力计算公式，计算结果 与试验结果吻合良好，同时采用相关文献的试验结果也验证了该计算公式 的合理性。关键词：年轮式 螺旋箍筋 混凝土柱 轴压试验 承载力计算STUDY ON THE AXIAL COMPRESSION PERFORMANCE OFTHE COLUMN WITH CONCENTRIC HELICAL STIRRUPSABSTRACTSpir al stir r up can pr ovide un ifor m later al pr essur e on con cr ete an d make the cor e con cr ete in the thr ee compr ession state un der axial load,thus impr ovin g the bear in g capacity an d defor mation capacity of r ein for ced con cr ete column s.Spir al stir r up,in en gin eer in g application s,can be quickly pr ocessed in a factor y or welded after ben din g at the site.The use of spir al stir r up is mor e econ omical than the use of plain stir r up an d does n ot exist the difficulty in con str uction of beam column join ts compar ed with the steel con cr ete column.It is widely used in en gin eer in g due to the advan tages of spir al stir r up.In this paper,a n ovel con cr ete column with multilayer stir r up is pr oposed,which featur es sever al con cen tr ic helical stir r ups.The mechan ical pr oper ties of the r ein for ce column with con cen tr ic helical stir r ups ar e studied with the exper imen t as the main method.Fir stly,18 specimen s of the r ein for ce column with con cen tr ic helical stir r ups ar e cr eated,9 of which ar e squar e column an d 9 ar e cir cular column s.The par ameter s of the stir r up spacin g,the n umber of steel cage an d the distan ce of the steel cages ar e taken in to accoun t.Next,thr ough the axial compr ession test of 18 specimen s,the failur e mode of the specimen s is obser ved,an d str ess-str ain cur ves of the specimen s wer e obtain ed.Accor din g to the test r esults,the mechan ical char acter istics an d failur e mode ar e in vestigated,an d the bear in g capacity,stiffn ess,damage,ductility an d en er gy dissipation of the specimen s ar e an alyzed.The r esults show as follows:The failur e mode of the con cr ete column s with con cen tr ic helical stir r ups is similar to that of the n or mal con cr ete column with spir al or plain stir r ups.The outer most stir r up plays a gr eater bin din g r ole.The iiibear in g capacity,en er gy dissipation an d ductility in cr eases with the in cr ease of volume stir r up r atio.The suggestion is that the n ovel column can be applied in the str uctur e with den se r ein for cemen t.It can be solve that the pr oblem of the in con ven ien ces of con cr ete pour in g caused by the close distr ibution of stir r ups an d the difficulty of impr ovin g the bear in g capacity un der the con stan t cr oss section.Fin ally,con sider in g the in fluen ce of the weak con fin ed ar ea between stir r up spacin g an d the con tr ibution of later al pr essur e to the cor e con cr ete str en gth,a model that suits the n ovel column is established.The calculation for mula of bear in g capacity is pr oposed an d the calculated r esults agr ee well with the test r esults.The r esults of the r elated liter atur e also ver ify the r eason ablen ess of the for mula.KEY WORDS:con cen tr ic helical stir r ups;spir al stir r ups;con cr ete column;axial compr ession test;calculation of bear in g capacityIV目录摘要.IABSTRACT.Ill第一章绪论.11.1 研究背景.11.2 箍筋约束混凝土研究现状.11.2.1 普通单片箍筋.11.2.2 复合箍筋.31.2.3 螺旋箍筋及其衍生形式.41.3 研究意义与目的.71.4 主要研究内容.9第二章试验方案.102.1 概述.102.2 试件设计.102.2 试件制作.122.3 测量方案.132.4 加载方案.142.5 试件的材料力学性能.152.5.1 钢筋.152.5.2 混凝土.152.6 本章小结.16第三章 试验结果及分析.173.1 概述.173.2 圆形截面柱.173.2.1 试验过程及最终破坏形态.173.2.2 荷载-位移曲线.203.2.3 荷载-应变曲线.233.2.4 特征点参数及分析.26v33方形截面柱.353.3.1 试验过程及最终破坏形态.353.3.2 荷载-位移曲线.383.3.3 相对荷载-应变曲线.403.3.4 特征点参数及分析.423.4 圆形、方形截面柱特征点参数对比分析.493.4.1 强度.493.4.2 冈I度.513.4.3 损伤.513.4.4 延性.523.4.5 耗能.533.5 本章小结.53第四章年轮式配螺旋箍筋混凝土柱承载力计算研究.554.1 概述.554.2 单重箍筋核心混凝土强度.554.2.1 螺旋箍筋有效侧向压力.:.:.574.2.2 普通方箍有效侧向压力.584.2.3 单重箍筋混凝土强度.604.3 年轮式配螺旋箍筋混凝土柱承载力计算.6143.1年 轮式配螺旋箍筋约束模型.614.3.2 年轮式配螺旋箍筋混凝土柱承载力计算公式.624.3.3 年轮式配螺旋箍筋混凝土柱承载力计算公式的验证.654.4 本章小结.69第五章结论与展望.705.1 结论.705.2 展望.70参考文献.72致谢.78VI广西大学工程硕士学位论文年轮式配螺旋箍肪混凝土柱轴压性能研究第一章绪论1.1 研究背景在1824年，英国的一名建筑工人J.阿斯普丁（JAspdin）研制出了硅酸盐水泥，这 在水泥史上具有划时代意义。在1872年的美国纽约，世界上第一座钢筋混凝土结构的 建筑在落成，人类建筑史上一个崭新的纪元从此开始。在1900年之后，钢筋混凝土结 构在工程界得到了大规模的使用。钢筋混凝土结构应用的一百多年间，发展速度飞快，施工技术已经相当成熟。在我国，钢筋混凝土结构因实用性与经济性好而广泛应用于建 筑工程、桥梁和交通工程、水利和海港工程、地下工程甚至特殊结构。经过人们在不断的实践中发现，在钢筋混凝土柱中设置合理的箍筋约束形式以及箍 筋体积配箍率在一定量以上，不仅起到固定纵向钢筋以防止纵筋受压屈曲，还可以向核 心区的混凝土提供侧向压力，显著提高核心混凝土的强度，同时也提高了柱构件的塑性 变形能力、横向抗剪承载力、延性和抗震性能。约束混凝土是为了提高混凝土构件抗 压强度以及改善混凝土的脆性性质，所以约束混凝土的形式从箍筋约束混凝土开始一直 不断发展，出现了角钢约束、钢管约束以及近年来发展快速的碳纤维约束混凝土等约束 形式，这些约束形式不断得到改良并且得到应用。但箍筋约束混凝土是出现最早而且发 展很快且至今依旧是广泛得到运用的形式。1.2 箍筋约束混凝土研究现状在箍筋约束混凝土的发展过程中，有几大类箍筋约束的形式：普通单片箍筋、传统 复合箍筋、螺旋箍筋及其衍生形式。1.2.1 普通单片箍筋箍筋约束混凝土的受力性能在很早的时候就已经有许多试验和理论研究。Richar t 在1928年已经进行了圆形箍筋约束（主动约束）混凝土柱、在水压力的作用（被动约 束）下圆柱体混凝土强度和变形的试验研究，提出了混凝土在约束作用下应力、应变与 侧向压力的关系：工,二+占方、%=%（1+&力/4）。Soliman在1967年研究中，推导得出矩形箍筋柱的三折线应力-应变模型，在应力 应变关系研究中考虑了配箍率、箍筋间距、箍筋直径、混凝土全截面面积与受约束混 凝土核心的面积之比等参数，结论认为：矩形箍筋可以提高混凝土强度，但极限应变提广西大学工程硕士学位论文年轮式配螺旋雍筋混凝土柱轴压性能研究高得更加显著。Man der s等人在试验结果基础上，提出了对矩形箍、螺旋箍、圆箍的约束模型，提出了上升段与下降段统一的应力-应变关系，认为箍筋的约束作用会使约束混凝土的 抗压强度增大、峰值应变增大，增大程度与箍筋作用于约束混凝土核心区上的有效侧向 压力有关，而有效侧向压力与箍筋约束应力的比值等于混凝土有效约束面积与核心混凝 土面积的比值（有效约束系数）。因此，模型在考虑了有效约束混凝土面积的大小、体 积配箍率、箍筋间距及箍筋屈服强度对约束混凝土应力和极限应变的影响。在采用所提 出的矩形箍筋约束模型中，还考虑了纵筋和箍筋形式的影响，强调箍筋形式也是影响有 效约束系数的重要因素。.Ken t和Par k刀在1971年提出三段式应力-应变模型，这条约束混凝土的应力-应变曲 线分为上升段（升至最大应力的抛物线），线性下降和水平段，下降段的斜率与体积配 箍率、箍筋间距以及混凝土的强度有关该。模型即可以考虑约束混凝土也可以考虑非约 束混凝土。Scott Par k 和 Pr iestley网在 1982 年对 Ken t&Par k 模型进行修正。针对 Ken t&Par k 模型仅考虑了箍筋对延性提高作用，并未考虑箍筋对强度的提高作用这一点，Scott等 人引入了强化系数K修正Ken t&Par k模型，将箍筋对延性、强度的提高作用一并考虑 在内。该模型由于模型简单、精度高，所以应用广泛。邹银生网通过20根配有矩形箍筋约束的钢筋混凝土柱在单向一次荷载和循环反复 荷载下的试验，研究了轴压比和配箍率对柱延性的影响，试验表明钢筋混凝土柱的延性 系数随轴压比的增加而降低，而随配箍率的增加而提高。以上的对单片箍筋的研究已经过去了很多年。但单片箍筋至今仍然使用范围较广，主要是考虑单片箍筋提高柱子的延性的作用。但是，在如今看来普通单片箍筋约束形式 也有不足之处。混凝土柱在荷载作用下一旦膨胀开裂，单片箍筋的锚固弯钩或焊接点很 容易被拉至错位，这将导致混凝土被压溃及纵筋受压屈曲。此时因为箍筋的失效，箍筋 与纵筋向外发生很大变形，导致核心混凝土破坏，破坏形态为灯笼状。因此，为防止箍 筋末端的锚固弯钩或焊接点在箍筋未屈服前被拉开、错位，不同配置箍筋的形式成为了 研究箍筋约束的主要方向。2广西大学工程硕士学位论文年轮式配螺旋雍筋混凝土柱轴压性熊研究1.2.2 复合箍筋Sheikh和S.M.Uzumer i。等人在1982年对菱形、井字形、菱形-井字形、八边形这 四种复合箍筋约束形式进行了研究，分析了箍筋的约束机理并提出有效约束区的概念，建立了应力-应变模型，模型考率了箍筋间距对箍筋有效约束区的影响、箍筋的分布、纵筋的分布以及截面尺寸的影响，由于涵盖参数多计算繁复，所以应用不多。Mohamed和A.h.AbdM】等人在1989年对菱形、八边形这两种复合箍筋约束混凝土 柱进行了研究，分析了配箍率、纵筋分布以及箍筋构造形式对混凝土柱轴压强度和延性 的影响，研究表明，横向钢筋的约束作用，在荷载增长至70%峰值荷载前是不起作用的，箍筋约束混凝土强度的提高大致与体积配箍率呈线性关系。Saatcioglu等人通过对箍筋约束高强混凝土柱进行轴压试验，试验参数包括横配 箍率、箍筋间距、纵向钢筋的分布、箍筋屈服强度和混凝土抗压强度。试验结果表明：增大体积配箍率或者提高箍筋的强度，高强混凝土柱的应变能够达到与普通混凝土柱相 同的塑形变形。文献13基于一百多根钢筋混凝土柱的试验结果，得到了计算延性的经验公式，该 经验公式考虑了轴压比限值及配箍特征值为主要参数。结果证明：配置复合箍筋对改善 柱子的延性比单片箍筋更效率更高、更有效。-钱国芳网等人对五种不同箍筋约束形式的28个试件进行试验研究，结果表明：箍筋 的约束形式影响框架柱抗剪性能和延性。在配箍率相同情况约束效果更好，表现出更好 的延性，其中井字和十字拉筋的复合箍筋形式对核心混凝土的约束能力更高效，其次到 八角形、菱形复合箍筋。钱稼茹等人完成了 15个复合箍筋约束混凝土的轴压试验，试验结果表明，井字复 合箍筋和采用拉筋复合箍筋的破坏形态相同，对核心混凝土的约束效果基本相同，对强 度提高的作用也相同，峰值应变均为0.006左右，变现出的延性基本相同。另外建议拉 筋应与纵筋拉结，不应与箍筋拉结以防止外箍筋拉断。史庆轩等口明通过对六个复合箍筋约束的高强混凝土柱在高轴压比下进行了低周加 载试验，试验结果表明，配置高强箍筋对短柱受剪承载力的影响不显著，与普通箍筋相 比，明显提高和改善了其耗能能力和延性，滞回曲线更“饱满”，刚度衰减慢等特点。李立仁口刀等人研究了复合箍筋约束高强混凝土短柱进行了轴压和偏压试验，研究 3广西大学工程硕士学位论文年抡式配螺旋箍筋混凝土柱轴压性熊研究了轴压时混凝土柱的应力-应变关系，分析了箍筋形式、配箍率等参数对混凝土柱应力-应变关系的影响及对混凝土柱延性的影响。结果表明，配置在一定的箍筋量以上可以有 效地约束混凝土的侧向变形，显著提高高强混凝土柱在轴压作用下的延性，同时也提高 核心混凝土强度。在对箍筋约束形式的研究中发现，八边形复合箍筋和圆形复合箍筋约 束能力相似，均比井字箍复合筋的约束作用强。胡海涛网对箍筋约束混凝土，对26个复合箍筋试件做了轴心受压试验，结果表明：与配有相同配箍特征值的普通方箍混凝土柱相比，其延性提高了 30%40%,复合箍 筋对高强混凝土延性的提高比对强度的提高效果更加显著。普通箍筋对高强混凝土的约 束效果不如对普通混凝土的约束效果明显。当配箍特征值及箍筋强度不变时，通过减小 箍筋间距及减小箍筋截面对混凝土具有更好的约束效果。在文献19根据试验数据，分 析了复合方箍约束混凝土在轴压作用下，其抗压强度随配箍特征值和箍筋间距的变化规 律，提出了用适于普通强度混凝土和高强度混凝土(C20C6 0)的方箍约束混凝土短柱 的轴压承载力的公式。复合箍筋主要是由单片箍筋相互组成或者是在单片箍筋内设置拉筋，所以复合的各 矩形箍筋仍然需以锚固弯钩来固定，复合的箍筋越多，则锚固弯钩数量越多，导致用钢 量增大而且不能充分利用，造成浪费。而且，混凝土产生横向膨胀变形时，由于矩形箍 筋四个边中部的抗弯刚度小而产生向外变形，起不到约束混凝土的作用，所以箍筋四边 中部对混凝土约束作用很小，只在四个角部对混凝土有较强的约束作用，对混凝土约束 效应较差。在地震的反复作用下结构发生较大变形导致保护层混凝土剥落以及箍筋末端 锚固弯钩被拉至错位，构件失去抗剪能力。另外，缩短工时和提高效率是实际工程中追 求的，但复合箍筋的绑扎制作过程比较繁琐，耗费工时。1.2.3 螺旋箍筋及其衍生形式其他一些国外学者2026对螺旋箍筋约束形式也进行了一些研究，认同螺旋箍筋对 核心混凝土约束效果比单片箍好，可以有效提高核心混凝土强度和构件变形能力。随着 强度和变形能力得到提高，抗震性能得到大幅度提升。螺旋箍筋在应用上还有许多好处，比如螺旋箍筋没有锚固弯钩，不会发生像锚固弯钩在箍筋未屈服的情况下被拉至错位的 问题，同时还可以节省钢材；螺旋箍筋可以通过机械化加工，达到制作快捷和尺寸精确 度高的效果。这样能带来解放劳动力，缩短工时的好处。而且由于是箍筋混凝土结构不 4广西大学工程硕士学位论文年轮式配螺旋整筋混凝土柱轴压性墟研究存在抗震框架柱节点区施工不便的难题。蔡建27 H29对密配圆形螺旋箍筋的钢筋混凝土圆柱进行了多次正负重复加载试验，试验结果表明：圆形螺旋箍筋在受压区混凝土范围内仅发挥对受压区混凝土的约束作 用，在剪切裂缝发生处仅发挥抵抗外剪力的作用，两种作用相互独立，互不影响。建议 设计承受弯剪压圆柱时，单独将圆形螺旋箍筋完全看作是对受压区混凝土起横向约束的 约束筋来计算柱截面弯压承载力，单独将圆形螺旋箍筋完全看成是抗剪横向箍筋来计算图1-1复合螺旋箍筋Fig.1-1 Co mpo site spiral stirrup西安建筑科技大学的史庆轩、杨坤128H3刀团队对研究高强箍筋约束高强混凝土方 面的较为深入，研究了几种复合螺旋箍筋的约束形式（图1-1）。文献39首先对箍筋约 束混凝土的发展历史、研究现状和发展趋势进行了较全面的综述。其次，还列出了五种 精度较高的、广泛使用的箍筋约束混凝土本构模型，并说明了各本构模型的特点以及适 用范围。文章还介绍了几种新型箍筋形式及其受力性能等。在轴压试验方面，文献32 通过对31个高强箍筋约束高强混凝土螺旋方形柱试件进行了轴压试验，采用高强箍筋 约束可以防止高强混凝土构件的应力-应变曲线下降突然。体积配箍率对约束混凝土强 度和延性的影响明显大于箍筋强度的影响；文献38在高强箍筋约束高强混凝土柱体试 件轴压试验的基础上，分析了矩形箍筋核心混凝土提供的侧向约束效果，箍筋角部抗弯 刚度大所以约束效果最强位置在角部，箍筋四边中部抗弯刚度小所以箍筋边长中部对附 近核心混凝土约束效果小。高强箍筋明显改善峰值荷载之后约束混凝的延性性能，有利 于结构抗震，但对极限承载力之前的性能影响不大。文献37在试验的基础上提出了与 高强箍筋约束混凝土试验应力-应变曲线符合较好的本构关系模型关系。考虑了约束混 凝土体积配箍率、箍筋屈服强度和素混凝土抗压强度是影响高强箍筋约束混凝土受压性 能的主要因素，采用配箍特征值为基本参数综合反映各因素对高强箍筋约束混凝土受压 5广西大学工程硕士学位论文年轮式配螺旋箍筋混发土柱轴压性熊研究性能的影响。但全面看来，研究此类构件偏心受压的试验网和理论较少，可能是由于此 类构件对偏心受压的力学性能影响不显著。Lon n ie Mar vel和Natalie DotyM等人研究了利用一种新的工艺制作的复合螺旋箍 筋约束的混凝土柱，箍筋采用对称螺旋（Cr ossSpir al）结构，对21个缩尺的试件进行 了轴压实验，试件分为四种不同箍筋间距；实验结果表明在体积配筋率相同的条件下，对称螺旋结构配筋能够提高20%的承载力，而在两倍于普通螺旋配筋的体积配筋率的 条件下，试件的承载力和延性都有极大的提高。台湾润泰集团尹衍楔等人【】，2借助自动化生产螺旋箍筋的工厂，在此基础研发了几 种新的箍筋约束形式，一笔箍、网格箍筋、四螺箍、四螺箍与其几种衍生形式（图1-2）。文献41-42将这些箍筋形式与传统的复合箍筋形式的混凝土柱作比对，试验结果证实，一笔箍易在弯折处破坏，达不到理想效果；四螺箍、五螺箍的发明是可以很好改善方柱 的受力性能，与传统箍筋柱有增大有效约束面积的效果，四螺箍、五螺箍与其几种衍生 式虽然有极大的发展潜力，但要推广至市场仍欠缺更全面的试验研究、力学性能分析、方便合理的设计公式甚至标准规范。另外，文献45-48还将螺旋箍筋与型钢组合成配几 重螺旋箍筋的型钢混凝土柱，研究了此种新型式的抗震性能。由于螺旋箍筋与型钢都可 以很方便的在工厂预制以及有效地减少施工时间，甚至有的螺旋箍筋约束形式已经被推 广至工程应用中，螺旋箍筋具有非常大的应用前景口34，对其研究是非常有价值的。（a）四螺箍（b）五螺箍（c）五螺箍衍生式图1-2文献41-45中的新型配筋形式Fig.1-2 Novel stir r up of Documen t41-45J一些学者49-58也对双层箍筋约束混凝土柱进行了力试验研究，研究的形式包括双层 圆形螺旋箍筋，双层普通方形箍筋，内圆外方等箍筋约束形式（图1-3）。但是试验研究 都集中在轴心受压的试验上，试验基本上总结双层箍筋约束混凝土柱受压特性和破坏形 态等，力学性能方面的分析还比较缺少，有待更深入的理论分析。归纳其大致结论为双 6广西大学工程硕士学位论文年轮式配螺旋箍筋混凝土柱轴压性能研究层箍筋混凝土柱的配箍特征值对应变延性系数影响较大，与单层箍筋约束混凝土的规律 基本一致，但延性优于单层箍筋混凝土柱，保护层脱落不明显。文献52对双层箍筋约 束混凝土柱受压试验进行了有限元数值模拟，但选择混凝土本构关系时并未考虑箍筋的 影响，采用了规范59提供的普通混凝土的应力-应变曲线。文献58以Razvi和 Saatcioglu模型较好地与双层箍筋高强混凝土柱的应力-应变曲线，并且对混凝土强度、箍筋强度、配筋率等因素进行拓展研究，分析了这些影响因素与应力、应变的变化关系。双层箍筋约束混凝土柱有较大的研究价值，工程应用还尚少。Fig.l-3 Do uble stirrup1.3 研究意义与目的自从19世纪水泥被人们发明至今，混凝土已经代替以前的土石块、木料等建材成 为现如今主流的建筑材料。跟随我国快速发展的大潮流，混凝土结构不仅是从理论研究 方面还是设计或施工方面也都在快熟发展，目前学者们仍在不断在寻找攻克混凝土自 重大、浪费自然资源、地震作用下易发生脆性破坏等缺点。学者们为了针对混凝土构件的缺点，不断改良和研发新的约束形式，如箍筋约束混 凝土、型钢约束混凝土、钢管混凝土以及热门的FRP约束混凝土等，但箍筋约束混凝 土是出现较早、发展较快、至今仍是广泛得到运用的形式。箍筋约束形式不断推陈出新,从最早的单片箍约束发展到复合箍筋、螺旋箍筋等箍筋约束形式。现如今的传统的普通 单层箍筋与复合箍筋应用还有很多局限，不能满足要求更高的设计需求。试验研究证明，螺旋箍筋柱在耗能能力和抵抗变形的能力方面，要明显优于普通箍 筋柱，其承载能力和抗震性能有大幅提升。螺旋箍筋能抑制内部微裂缝开展和限制混凝 土的横向膨胀，保护层混凝土开裂、剥落后核心混凝土依然能保持工作，故可提高构件 变形能力、改善延性。箍筋达到屈服强度产生较大变形后才对混凝土失去约束，核心 7广西大学工程硕士学位论文年轮式配螺旋箍筋混凝土柱轴压性能研究区混凝土才被压碎导致构件破坏；螺旋箍筋和焊接环筋的整体性好，不会像普通箍筋那 样出现松扣的现象，可充分发挥自身的材料性能，因而能够有效约束混凝土的横向变形 叫 而且在矩形或圆形截面柱内设置核芯柱，能有效提高柱的受压承载力以及变形能力。工程经验证明，螺旋箍筋无需设置末端弯钩，所以使用螺旋箍筋可比使用普通箍筋节约 箍筋用用钢10%-20%,相比于钢管钢骨混凝土柱，配螺旋箍筋芯柱的钢筋混凝土柱具 有不需要设置剪力连接件和造价较低经济性好的特点，也可在工厂自动快速成型或在工 地弯曲或焊接成型，加快施工进度。在如今螺旋箍筋在承重柱中的应用较广的背景下，使用多重螺旋箍筋混凝土柱无疑是直接提高轴压比、增大配箍特征值，能有效改善和提 高箍筋约束混凝土柱的延性与抗剪性能。基于螺旋箍筋约束混凝土的优点以及广泛使用 的现状，故本试验研究在以往的单重箍筋混凝土结构形式上多配置几层螺旋箍筋，提出 一种新型配筋的钢筋混凝土结构“年轮式配螺旋箍筋混凝土结构”（如图1-4）。可见年轮式配多重螺旋箍筋约束混凝土有广泛的市场前景。可以推测：此种形式可 以通过调整箍筋的间距或是调整内外层箍筋的间距来进行优化设计，可通过提高配箍率 来提高轴压比；混凝土与各重箍筋形成有机连接，协同工作性能好，在构造上可以避免 类似钢骨混凝土和钢管混凝土的梁柱节点中复杂的连接问题出现；此新型结构具备螺旋 箍筋的优点，即箍筋对核心区混凝土提供侧向压力，使混凝土处于复杂的受力状态；目 前螺旋箍筋约束混凝土的形式已经广泛用于桩基础、厂房柱、高层建筑底层柱以及桥梁 桥墩等实际工程之中，构件截面一般较大，在构件内多设置几重箍筋可以缓解大体积混 凝土自收缩的情况，所以研究与推广年轮式配螺旋箍筋混凝土结构具有重要意义。图1-4年轮式配筋混凝土结构横截面示意图Fig.1-4 cro ss sectio n o f no vel co lumn with co ncentric spiral stirrups8广西大学工程硕士学位论文年轮式配螺旋箍筋混凝土柱轴压性能研究1.4 主要研究内容国内外对双层箍筋约束混凝土柱的研究尚少，且三层箍筋形式并未见诸报导。我国 规范未对螺旋箍筋应用于方形截面柱作明确规定，且学者们对螺旋箍筋约束的研究集中 在圆形截面柱，所以设计了几种配箍形式的方形截面柱以作对比。设计了9个方形截面 试件以及9个圆形截面新型年轮式配螺旋箍筋柱，初步对年轮式配螺旋箍筋混凝土柱的 轴压力学性能展开研究，为后来的压弯，抗震等性能研究做前期工作。将通过试验观察 记录构件的破坏形态，分析其约束效果及受力特征等。揭示此种混凝土柱在轴心受压情 况下的破坏形态，分析其力学性能，建立轴心受压承载力计算理论、计算公式等。9尸西大学工程硕士学位论文年轮式配螺旋雍筋混凝土柱轴压性熊研究第二章试验方案2.0 概述试验研究证明，在矩形或圆形截面柱内设置螺旋箍筋核芯柱DM,能有效提高柱的 受压承载力或者变形能力。为深入研究年轮式配螺旋箍筋混凝土短柱的力学性能，本章 对年轮式配螺旋箍筋混凝土短柱受压试验的试件参数、制作、加载装置、测量内容、加 载方案以及材料性能等内容进行详细介绍。2.1 试件设计试验设计了 18个年轮式配螺旋箍筋混凝土短柱试件，其中9个为圆形截面、9个试 件为方形截面。考虑了箍筋间距s、钢筋笼层数九以及钢筋笼距离d的变化参数。纵筋 均采用直径为12mm的螺纹钢筋，箍筋均采用直径为6 mm的光圆钢筋。设计试件的高 宽比为3:1,试件高度均为1200mm,其截面的直径或边长为400mm。试件纵筋率保持 基本不变。同一个试件中各钢筋笼的箍筋间距相同。试件设计参数详见表2-1。表2-1试件参数Table 1 Parameters o f specimens截面 形式试件编号纵筋箍筋间距(mm)钢筋笼距离(mm)钢筋笼层数备注C-1-408C 1240一一层螺旋箍筋对比组C-2-40-5016 C124050两层螺旋箍筋箍筋间距的C-2-6 0-5016 C126050因素扃影-C-2-80-50I6 C128050截面C-3-40-5016 C124050箍筋间距的C-3-6 0-5016 C126050因素C-3-80-5016 C128050三层螺旋箍筋C-3-40-4016 C124040钢筋笼间距C-3-40-6 016 C124060的因素R-2-40-016 C12400对比组R-2-40-5016 C124050一层方箍套箍筋间距的R-2-6 0-5016 C126050一层螺旋箍筋因素方形-截面R-2-80-5016 C128050R-3-40-5016 C124050箍筋间距的R-3-6 0-5016 C126050一层方箍套因素R-3-80-5016 C128050两层螺旋箍筋钢筋笼间距R-3-40-4016 C124040R-3-40-6 016 C124060的因素注：试件编号C-n-s-d或R-n-s-d,其中C代表圆形截面，R代表方形截面；n代表试件单个试件中钢筋笼的数量；s10广西大学工程硕士学位论文年轮式配螺旋箍筋混凝土柱轴压性能研究代表箍筋间距：d代表同一个试件中钢筋笼的距离。根据试件参数设置，将配筋情况列于表2-2。图2-1为试件示意图。各试件横截面形式见图2-2 o表2-2配筋情况Table 1 Reinfo rcement design试件编号纵筋率Pc(%)体积配箍率第一层第二层第三层总体积配箍率()PU(%)以1(%)%(%)小,2(%)A3(%)用3(%)C-2-40-501.440.810.810.581.14-1.39C-2-6 0-501.440.540.540.390.7 6-0.93C-2-80-501.440.410.410.290.57-0.7 0C-3-40-501.440.810.810.581.140.351.911.7 4C-3-6 0-501.440.540.540.390.7 60.231.271.16C-3-80-501.440.410.410.290.570.170.960.87C-3-40-401.440.810.810.6 31.060.441.501.88C-3-40-6 01.440.810.810.531.240.252.6 21.6 0R-2-40-01.130.810.810.800.81-1.6 1R-2-40-501.130.810.810.451.14-1.27R-2-6 0-501.130.540.540.300.7 6-0.84R-2-80-501.130.410.410.230.57-0.6 3R-3-40-501.130.810.810.451.140.271.911.54R-3-6 0-501.130.540.540.300.7 60.181.271.03R-3-80-501.130.410.410.230.570.140.960.7 7R-3-40-401.130.810.810.491.060.341.501.6 5R.3-40-6 01.130.810.810.421.240.202.6 21.43注：pu第i层箍筋相对于试件整体的体积配箍率；加第i层箍筋相对于其约束区的体积配箍率；总 体积配箍率小=h1+俏2+53。(a)圆形截面(b)方形截面图2-1试件示意图Fig.2-1 schematic diagram o f specimen11广西大学工程硕士学位论文年轮式配螺旋箍筋混射土柱轴压性能研究(g)R-2-40-50、(QR-2-40-0R-3-60-50、R-3-80-50(i)R-3-40-40(j)R-3-40-60图2-2试件截面Fig 2.2 Sectio n o f specimens2.2 试件制作螺旋箍筋及普通方箍筋采用HPB300光圆钢筋制作,直径4为6 mm。纵筋采用HRB400螺纹钢筋，直径勿为12mm。混凝土采用商品混凝土，18个试件同一批一次浇筑成型（材料性能详见2.5节）。试件具体制作过程:螺旋箍筋与方形箍筋制作。螺旋箍筋按照设计的高度、外径以及间距在弹簧加工 机床上加工成型；普通方箍在钢筋弯曲机制作设置135。弯钩。钢筋笼成型。将纵筋与螺旋箍筋固定，控制纵筋的位置以及箍筋间距，将纵筋与 箍筋点焊（螺旋箍筋钢筋笼在工厂用滚焊机床成型，在工程现场制作亦是弯曲钢筋再焊 12广西大学工穆硕士学位论文年轮式配螺施箱幼混袋土柱轴压性施研究接成型，点焊程度在30%至40%间）；将方箍与纵筋按设定间距用扎丝绑扎成型。粘贴应变片。确定测点，打磨钢筋表面；粘贴钢筋电阻应变片后焊接导线；涂抹 环氧树脂，在环氧树脂未干之前撒一些细沙于测点上（使表面粗糙）。装配钢筋笼。按照试验方案，将钢筋笼依次套设，并固定钢筋笼之间距离。再将 装配好的钢筋笼装入模中，并引出应变片导线。浇筑与养护。将混凝土灌入模中，以振捣棒振捣均匀，最后用灰刀抹平上部混凝土与模具齐平；试件与试块放在室外同条件养护,.一一浇筑后的前两个星期喷水养护。图2-3试件制作Fig.2-3 Pro ductio n o f specimens2.3 漏方案轴压柱受到的轴压力和柱两端产生的相对位移由试验装置的传感系统测量，以