箍筋對配筋鋼管混凝土柱性能的影響研究

阿里甫江·夏木西 阿卜杜瓦伊提·喀斯木 韓風霞 塔依爾·圖爾蓀 艾熱帕提·帕爾哈提 葉里蘭·衣里吾斯孜

(新疆大學建筑工程學院,烏魯木齊 830047)

0 引 言

配筋鋼管混凝土結構(Reinforced Concrete Filled Steel Tube,以下簡稱RCFT)是通過常規的鋼管混凝土結構(Concrete Filled Steel Tube,以下簡稱CFT)內插入鋼筋來提高CFT的延性和強度為目的而提出來的結構,圖1示意了CFT和RCFT的構件模型。根據RCFT既有的研究成果[1-5],CFT核心混凝土內插入鋼筋形成RCFT后,縱筋和箍筋組成的鋼筋骨架能降低因混凝土材料的不均勻性造成的不利影響,顯著改善核心混凝土的受力和變形性能,提高構件的延性和屈服后的塑性變形能力。可謂是一種性能優越、值得推廣的結構體系之一。然而,從實際施工以及構件制作的角度看,RCFT并沒有什么優勢。因為,與CFT相比,RCFT構件的制作多了一道工序,也就是RCFT內鋼筋骨架的綁扎生成并正確定位安置其內,這也許就是RCFT沒有能得到CFT那樣廣泛推廣的原因之一。

圖1 CFT和RCFT結構模型Fig.1 Model of CFT and RCFT

RCFT的鋼筋骨架是由縱向受力鋼筋與環向箍筋綁扎而成的。在縱向受力鋼筋的數量一定的情況下,環向箍筋的數量或間距可以被認為是影響綁扎工作量的主要影響因素,即箍筋數量越少(或者箍筋間距越大)構件的制作越省工省時。因此,為了明確是否可以少配箍筋以簡化RCFT制作工序,本文通過試驗研究,探討了不同箍筋間距(數量)對RCFT性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

準備了環向箍筋間距分別是200 mm和50 mm的兩組RCFT(分別編號為RF200和RF50)、一組CFT(編號為CFT)和一組素混凝土(編號為C)共4組試件,對應每組制作3根相同的試件,總共制作了12根試件。RCFT和CFT所用鋼管材料是Q235B,采用薄壁有縫(焊接)鋼管,壁厚t=2.75 mm。RCFT所用縱向鋼筋(以下簡稱縱筋)材料是HPB300,直徑為Φ8,根數8根。兩組RCFT所用環向箍筋直徑為Φ4,箍筋環外徑as=140 mm,沿高度的箍筋間距分別是200 mm和50 mm,箍筋數量為14和13。RCFT各試件的縱筋配筋率ρ=1.11%。混凝土試配強度C30。所有試件采用圓形截面,截面外徑D=220 mm,高度H=600 mm,徑厚比D/t=80。RCFT試件的構造示意于圖3。

1.2 材料試驗

制作試件時間的同時準備6塊混凝土試塊,在與試件相同的環境下養護28天,最終確定的混凝土立方體抗壓強度是30.8 N/mm2。另外,依據文獻[6]進行鋼管和縱向鋼筋的材料拉伸試驗,準備3根鋼管切片(每片寬20 mm,總長200 mm)和3根縱向鋼筋(每根總長220 mm)。本次試驗最終獲得的應力-應變曲線如圖2所示,由此確定的鋼管屈服強度fsy= 278 N/mm2,與其對應的屈服應變εsy=4 300 μm/m,縱筋屈服強度fry=379 N/mm2,與其對應的屈服應變εry=5 873 μm/m。

圖2 材料試驗Fig.2 Material test

1.3 加載方法及測點

加載設備是WEY-5000 長軸壓力機,采用軸向單調遞增加載方法,加載增量是1 000 kN以下時2.5 kN/s、1 000 kN至1 500 kN之間時1.0 kN/s、1 500 kN以上時0.5 kN/s。試件測點分布示意見圖3。試驗加載方式照片如圖4所示。試驗中獲得的數據有RCFT和CFT的鋼管及RCFT鋼筋的應變以及各試件荷載和位移數據。

圖3 RCFT試件構造及測點布置示意圖Fig.3 Illustration for formation of RCFT specimen

2 試驗結果及其分析

2.1 荷載與位移關系的分析

各試件的相關數據列于表1,而RCFT和CFT的荷載對位移的關系繪制成曲線如圖4所示。

圖4 試驗加載照片Fig.4 Photograph of test setup

表1試驗數據

Table 1 Experimental Results

(3) 從圖5中可以看出,兩種箍筋間距RCFT的荷載—位移關系曲線沒有發生明顯差別,顯示出相同的軸心受力特性。另外還可以看出,最大荷載后,兩組RCFT和CFT均顯示出較好的塑性變形能力,均沒有出現承載力明顯下降現象。然而,進一步觀察后看出,RF50沒有發生最大荷載后的承載力下降,其曲線基本保持0水平直線直到構件被破壞,而RF200和CFT出現了最大荷載后的承載力下降,其中CFT的承載力下降趨勢較RF200更加明顯,RF200雖有下降趨勢與RF50相比其幅度卻很小可以忽略不計。總之,箍筋間距對RCFT軸心受力性能沒有明顯影響,無論RCFT的箍筋間距如何,只要配置適量縱筋就可提高構件的塑性和延性。

圖5 荷載-位移關系曲線Fig.5 Load-displacement curves

2.2 荷載與鋼管應變關系的分析

圖6 鋼管的荷載-應變關系曲線Fig.6 Load-strain curves of steel tube

2.3 延性率的分析

構件對應于最大荷載的位移δu對屈服位移δy的比值可以定義為延性率μ,即

μ=δu/δy

(1)

本次試驗中,各試件屈服位移是先將材料試驗獲得的屈服應變εsy=4 300 μm/m與鋼管的縱向中心處測得(圖3)的四個縱向應變的平均值對應而確定屈服荷載,再通過荷載位移曲線進行校準確定的。最終確定的屈服荷載和屈服位移以及由屈服位移的平均值算出的延性率列于表1。RF200、RF50和CFT的延性率分別為μRF200=3.6、μRF50=3.3和μCFT= 2.8,可見不同箍筋間距的RCFT延性率沒有發生明顯差別,而RCFT的延性率超過了CFT,說明無論箍筋間距如何,只要配置適量縱筋就可以使RCFT構件的延性率得以顯著提高。

2.4 套箍系數的分析

我國《鋼管混凝土結構技術規范》(以下簡稱《規范》)[9]給出了在統一強度理論[10-11]的基礎上建立的CFT軸心受壓短柱的承載力公式:

NCFT=Ascfsc

(2)

fsc=1.212+Bθ+Cθ2

其中,θ為套箍系數:

θ=αsc(fsy/fc)

(3)

αsc=Ass/Ac

式(2)和式(3)中NCFT為鋼管混凝土短柱的軸壓承載力;Asc為構件的截面面積;fsc為構件的組合抗壓強度值;Ass和Ac分別為鋼管和核心混凝土的面積;αsc為含鋼率;fss和fc分別為鋼管和混凝土的抗壓強度值;B和C分別為截面形狀對套箍效應的影響系數。

由式(2)可以推導出本次試驗實測套箍系數θT表達式為

(4)

式中

B=(0.176/213)fsy+0.974

C=(-0.104/14.4)fc+0.031

D=Nu/(Ascfc)-1.212

利用式(4)計算出相關構件的套箍系數并列于表1中。可以看出,RF200、RF50和CFT的套箍系數分別為θTRF200= 2.56、θTRF50= 2.54和θTCFT= 1.91,可見不同箍筋間距的RCFT套箍系數沒有發生明顯差別,而各RCFT的套箍系數均明顯超過了CFT的套箍系數,說明無論RCFT的箍筋間距如何,只要配置適量縱向鋼筋就可以使構件的套箍系數得以顯著提高。

2.5 荷載與鋼筋應變關系的分析

圖7 鋼筋的荷載—應變關系曲線Fig.7 Load-strain curves of reinforcement

2.6 破壞模式的分析

CFT和RCFT各試件破壞時的照片如圖8所示。它們的破壞形態都是以鋼管的局部失穩為特征。其中,RF200和RF50各試件的破壞形態沒有明顯的差別,各試件在與壓力機頂板接觸的受壓端部處由于應力集中均出現鋼管的局部失穩現象。依據文獻[12]關于CFT軸壓構件破壞模式的分類方法和綜合觀察結果,認定RCFT和CFT的破壞模式相同,都是以如圖9虛線為破壞面的剪切破壞模式。

另外,圖10還列出了鋼管被切開后RCFT和CFT典型試件內部的破壞形態照片。RF200和RF50的核心混凝土雖發生了嚴重的變形卻仍然保持了完整的整體,沒有發生被壓碎的現象,核心混凝土依然能獨立地直立,可見不同箍筋間距的RCFT內部破壞模式沒有發生明顯差別。與此相反,CFT的核心混凝土完全地被壓碎了。

圖8 RCFT和CFT各試件的破壞形態照片Fig.8 Photograph of failure patterns

圖9 破壞形態的對照Fig.9 Comparison of failure patterns

3 結 論

本文通過軸心受壓試驗,采用基于整體性能的比較研究方法,研究了配筋鋼管混凝土柱縱筋不變的情況下不同環向箍筋間距或箍筋數量對構件整體性能的影響。根據試驗數據的全面分析結果,得出如下結論:

圖10 內部破壞形態Fig.10 Internal failure patterns

(1) 在承載力、變形能力、延性性能、套箍系數以及破壞模式等方面對RCFT試驗結果的綜合分析表明不同箍筋間距沒有引起構件上述方面軸心受壓性能的明顯變化。由此得出結論,環向箍筋不是影響軸心受壓配筋鋼管混凝土構件性能的主要因素,在施工RCFT軸心受壓構件時可以適當增大箍筋間距或減少箍筋數量以減少材料用量、加快構件制作速度。

(2) RCFT軸壓短柱的破壞模式與CFT相似。

(3) 本試驗只是通過少量試驗證明RCFT構件軸心受壓時箍筋對構件的性能沒有明顯影響,而箍筋的第二次套箍作用和螺栓性箍筋形式等對構件軸壓性能的影響還需要進一步研究。

[1] Xiamuxi A,Hasegawa A,Yu J.Study on nonlinear analysis and confinement effect of reinforced concrete filled steel tubular column[J].Structural Engineering and Mechanics,2015,56(5):727-743.

[2] 萬城勇,查曉雄.配筋鋼管混凝土軸壓短柱受力性能試驗研究[J].建筑結構學報,2013,34(1):259-266.

Wan Chengyong,Zha Xiaoxiong.Experiment study of reinforced concrete filled steel tubular columns subjected to axial compression [J].Journal of Building Structures,2013,34(1):259-266.(in Chinese)

[3] 繆巍,沈卓華,杜紅亮.配筋鋼管混凝土短柱軸心受壓有限元分析[J].山西建筑,2011,37(33):61-63.

Miao Wei,Shen Zhuohua,Du Hongliang.FEM analysis of axially compressive reinforced concrete-filled steel tube short column [J].Shanxi Architecture,2011,37(33):61-63.(in Chinese)

[4] 侯宇穎.配筋鋼管混凝土短柱受力性能分析[J] .建筑結構,2010,27(12):46-48.

Hou Yuying.Research on reinforced concrete filled short columns [J].Building Structures,2010,27(12):46-48.(in Chinese)

[5] Goto Y,Ghosh P K,Kawanishi N.Nonlinear finite element analysis for hysteretic behavior of thin-walled circular columns with in-filled concrete [J].ASCEJournal of Structural Engineering,2010,136(11):1413-1422.

[6] 中國國家標準化管理委員會.GB/T 228.1—2010金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2011.

Standardization Administration of the People’s Republic of China.GB/T 228.1—2010 Metallic materials-Tensile testing-Partl:Methodof testatroomtemperature[S].Beijing:China Standard Press,2011.(in Chinese)

[7] 余志武,丁發興,林松.鋼管高性能混凝土短柱受力性能研究[J].建筑結構學報,2002,23(2):41-47.

Yu Zhiwu,Ding Faxing,Lin Song.Research on behavior of high-performance concrete filled tabular steel short columns [J].Journal of Building Structures,2002,23(2):41-47.

[8] Huang C S,Yeh Y K,Liu G Y.Axial load behavior of stiffened concrete filled steel columns [J].ASCE Journal of Structural Engineering,2002,128(9):1222-1230.

[9] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50936—2014 鋼管混凝土結構技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2014.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People’s Republic of China.GB 50936—2014 Technical code for concrete filled steel tubular structures [S].Beijing:China Architecture and Building Press,2014.(in Chinese)

[10] 鐘善桐.鋼管混凝土統一理論[J].哈爾濱建筑工程學院學報,1994,27(6):21-27.

Zhong Shantong.The unified theory of concrete filled steel tube(CFST) [J].Journal of Harbin Institute of Civil Engineering and Architecture,1994,27(6):21-27.(in Chinese)

[11] 鐘善桐.圓、八邊、正方與矩形鋼管混凝土軸心受壓性能的連續性[J].建筑鋼結構進展,2004,6(2):14-22.

Zhong Shantong.The continuity of axial compressive behaviors of concrete filled steel tube (CFST) for circular,octagonal,square and rectangular forms [J].Progressin Steel Building Structures,2004,6(2):14-22.(in Chinese)

[12] 鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].北京:清華大學出版社,2003:12-20.

Zhong Shantong.Concrete-filled steel tube [M].Beijing:Tsinghua University Press,2003:12-20.(in Chinese)