配置HRB600E高強(qiáng)鋼筋的混凝土柱抗震性能試驗研究

戎賢 杜金 陳晨曦 常偉峰 張健新

摘要：HRB600E鋼筋是一種新型高強(qiáng)度鋼筋，為改善矩形柱抗震性能并推廣HRB600E級高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用，本文通過對6個配置HRB600E鋼筋的不同軸壓比、鋼筋強(qiáng)度和縱筋配筋率的混凝土矩形柱進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗，得到試件的滯回曲線、骨架曲線和縱筋應(yīng)變曲線。對比分析高強(qiáng)鋼筋混凝土柱的破壞特征、滯回特性、骨架曲線、剛度退化等抗震性能指標(biāo)。研究結(jié)果表明：配置HRB600E高強(qiáng)鋼筋混凝土柱破壞特征與配置普通鋼筋混凝土柱相似;通過減小軸壓比或增加鋼筋強(qiáng)度均能改善配置HRB600E高強(qiáng)鋼筋試件的滯回特性，減緩剛度退化，提高試件的抗震性能;配置高強(qiáng)鋼筋的構(gòu)件與高強(qiáng)混凝土配合使用時受力性能更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：HRB600E鋼筋;框架柱;軸壓比;縱筋率;抗震性能

中圖分類號：TU375.3? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?文章編號：

Abstract： HRB600E bar is a new type of high-strength reinforcing bar. For improving the seismic performance of rectangular columns and popularizing the application of HRB600E bar， the reversed cyclic loading test for different coaxial compression ratio， reinforcement strength and longitudinal reinforcement ratio is carried out for the six high strength reinforced concrete column with HRB600E bars. The hysteric curve，skeleton curve，longitudinal reinforcement strain curve of specimen under low cyclic reversed loading were obtained. The failure characteristics， hysteresis characteristics， skeleton curves and stiffness degradation of high strength reinforced concrete columns are analyzed. The results showed that the failure characteristics of the high strength reinforced concrete column with HRB600E are similar to the normal reinforced concrete column. Reducing the axial compression ratio or increasing the reinforcement strength can improve the hysteresis characteristics of high strength reinforced concrete columns with HRB600E bars. The seismic performance of the specimen can be improved by reducing stiffness degradation. The mechanical behavior of the high strength reinforced concrete columns is better when used with high strength concrete.

Keyword： HRB600E bars; Frame column; Axial compression ratio; longitudinal reinforcement ratio; Seismic performance

0引言

HRB600E鋼筋具有強(qiáng)度高、安全儲備量大的特點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效的新型鋼筋[1-2]。國外學(xué)者OUSALEM[3]等，RAUTENBERG[4]等， TOKGOZS[5]等，KARAYANNIS[6]等做了許多關(guān)于配置高強(qiáng)鋼筋結(jié)構(gòu)體系的各類試驗研究及分析，實驗結(jié)果表明，在混凝土柱中采用高強(qiáng)鋼筋可在一定程度上提高試件延性性能，減小殘余變形，降低耗能，在一定程度上減少箍筋用量。

當(dāng)前，國內(nèi)也進(jìn)行了配置600MPa高強(qiáng)鋼的筋混凝土柱的試驗研究[7-12]，戎賢 [13-14]對配置HRB600高強(qiáng)箍筋的T形柱和十字形柱進(jìn)行抗震試驗研究，試驗結(jié)果配置該鋼筋的混凝土異形柱具有良好的承載能力和變形能力，同時增加鋼筋的配箍率可在一定程度上提高試件的變形能力，增強(qiáng)構(gòu)件的延性性能。蘇俊省[15]和王君杰[16]分別對配置HRB335、HRB500E、HRB600鋼筋的混凝土柱進(jìn)行低周反復(fù)試驗的抗震性能差異。從縱筋強(qiáng)度、箍筋強(qiáng)度及混凝土強(qiáng)度三個因素分析其對試件抗震性能的影響。結(jié)果表明：相比配置普通鋼筋的混凝土柱，配置了高強(qiáng)鋼筋的混凝土柱的抗震性能相近，但采用HRB600級鋼筋能夠在一定程度上減少鋼筋用量，降低能耗。

現(xiàn)階段實行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2010）中雖已列入HRB500鋼筋，但未列入HRB600鋼筋[17]。高強(qiáng)鋼筋應(yīng)用技術(shù)水平與國外還有也有顯著差距。為改善矩形柱抗震性能并對HRB600E鋼筋進(jìn)行進(jìn)一步推廣應(yīng)用，本文對配置HRB600E鋼筋的混凝土矩形柱試件進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗，研究其抗震性能并分析軸壓比、鋼筋強(qiáng)度和縱筋配筋率對試件抗震性能影響。

1試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗以軸壓比、鋼筋強(qiáng)度和縱筋率為變化參數(shù)，共設(shè)計制作6個混凝土矩形柱試件。試件柱高1200mm，截面尺寸為300mm×300mm，保護(hù)層厚度為20mm，試件設(shè)計參數(shù)如表1所示，試件的幾何尺寸及配筋如圖1所示。為避免強(qiáng)剪力的影響，試件剪跨比λ均為3.5，該試驗采用C50混凝土，試驗前期測量混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，實測平均值為51.5MPa，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50512-2012）計算得混凝土軸心抗壓強(qiáng)度值為33.1MPa，對應(yīng)其彈性模量34.8GPa。試件中鋼筋的力學(xué)性能如表2所示。

1.2加載裝置及制度

該試驗采用擬靜力加載制度，試驗加載裝置和加載程序見如圖2所示。

基于《建筑抗震試驗規(guī)程》（JGJ/T 101-2015），本次實驗方案采用力-位移混合控制的加載方式。試驗在開始時首先按照表1在混凝土柱柱頂施加相應(yīng)的軸力，屈服荷載試驗值為鋼筋第一次達(dá)到屈服時施加的荷載值，此時對應(yīng)的位移為試驗屈服位移，在力控制階段分3～5次加載使得試件屈服。當(dāng)試件達(dá)到屈服后由力控制轉(zhuǎn)向位移控制并進(jìn)行下一個階段的加載，此階段以屈服位移的整數(shù)倍數(shù)進(jìn)行逐級加載，每次加載時，荷載循環(huán)三次，當(dāng)試驗荷載降為本次試驗的峰值荷載的85%以下時，終止試驗，認(rèn)為試件破壞。

2試件破壞特征

各個試件的裂縫開展與破壞情況基本一致，試件的裂縫開展及破壞形態(tài)如圖3所示。

對比各個試件破壞特征可以發(fā)現(xiàn)：各試件破壞形態(tài)均為彎曲破壞。加載試件首先在受拉區(qū)距柱底50～100mm處產(chǎn)生細(xì)微的水平受彎裂縫;隨著荷載的增加，構(gòu)件裂縫不斷增加并形成貫通裂縫，并向非加載面延伸，鋼筋屈服后試件出現(xiàn)殘余變形，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，位移控制時，柱底混凝土受壓起皮，柱腳開始被壓裂;隨后，縱筋位置對應(yīng)的構(gòu)件表面發(fā)生沿縱筋方向的豎向裂縫，并沿縱筋逐漸向上延伸，混凝土逐漸被壓碎，混凝土保護(hù)層剝落，鋼筋外露，試件達(dá)到破壞。

通過對C-F1、C-F2、C-F3三個試件的對比可知，軸壓比較大的試件開裂和塑性鉸產(chǎn)生的相對較晚，裂縫開展更為緩慢，承載力相對提升，但混凝土壓碎情況更為嚴(yán)重，表明增大軸壓比可以提高骨料的咬合性能并在一定程度上推遲裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，但構(gòu)件破壞形態(tài)加重。

通過對試件C-F2、C-M1、C-M2三個試件對比可知，隨著鋼筋強(qiáng)度的增加試件達(dá)到屈服的荷載和位移增加，裂縫寬度增大且數(shù)量增多，混凝土壓碎的更加嚴(yán)重，但是破壞位移稍有減小。

通過對試件C-F2、C-ZJ兩個試件對比可知，隨著試件縱筋配筋率的增加，破壞時鋼筋與混凝土之間出現(xiàn)裂縫較早，混凝土破壞嚴(yán)重，為了防止發(fā)生粘結(jié)破壞，建議限制構(gòu)件配置高強(qiáng)鋼筋時的縱筋配筋率。

3試驗結(jié)果分析

3.1滯回特性

各試件根據(jù)試驗得到試件的水平荷載-柱頂位移曲線如圖4所示。

分析滯回曲線反映出配置高強(qiáng)鋼筋的矩形截面柱具有以下特點(diǎn)：

（1）各試件的滯回曲線均呈現(xiàn)梭形。在試驗加載初期，試件處于彈性階段，對應(yīng)的滯回曲線近似呈現(xiàn)線性關(guān)系，殘余變形較小，耗能較小。試件加載至屈服時，試驗加載方式由力控制轉(zhuǎn)到由位移控制，試件的變形不斷增大，滯回曲線逐步趨近飽滿，同時表現(xiàn)出明顯的非線性趨勢，耗能增強(qiáng)，承載力有所提高。

（2）通過對C-F1、C-F2、C-F3三個試件對比可知，當(dāng)軸壓比逐步增加時，單次循環(huán)的耗能能力有所增加，循環(huán)次數(shù)減少，試件的延性降低。

（3）通過對C-M1、C-M2、C-F2三個試件對比可知，隨著鋼筋強(qiáng)度的提高，滯回滯回環(huán)循環(huán)次數(shù)減少，試件的承載力有所上升。

（4）通過對C-F2、C-ZJ三個試件對比可知 ，提高縱筋率，試件的承載力明顯提高，變形能力有所增加，滯回環(huán)更加飽滿。

3.2位移和延性分析

各試件的屈服狀態(tài)、峰值狀態(tài)和破壞狀態(tài)所對應(yīng)的荷載、位移及位移延性系數(shù)如表3所示。因在試驗位移加載階段，當(dāng)試驗荷載降為峰值荷載的85%以下時，即認(rèn)為試件破壞。故試件破壞狀態(tài)下的荷載即為0.85倍的峰值荷載，此時對應(yīng)的位移值為破壞位移。

將各試件的承載力、位移及延性進(jìn)行比較，可以得出以下結(jié)論：

（1）各試件的位移延性系數(shù)均值都達(dá)到3以上，表明配置HRB600E鋼筋混凝土柱具有較好的變形能力。

（2）通過對C-F1、C-F2、C-F3三個試件對比可知，隨著軸壓比的增加，豎向約束作用增強(qiáng)，改善了骨料咬合作用，同時使試件的受壓區(qū)高度增加，試件承載力提高，C-F3比C-F1的峰值荷載增大了30.6%，但是試件C-F1、C-F2、C-F3的破壞位移分別為55.69mm、44.87mm、39.39mm，位移延性系數(shù)分別為4.60、3.65、3.61，表明軸壓比增加，試件開裂荷載和承載力增大，延性降低。

（3）通過對C-M1、C-M2、C-F2三個試件對比可知，隨著鋼筋強(qiáng)度的提高，試件C-F2的峰值荷載比C-M1、C-M2分別增大27.6%、10.9%，試件C-F2的位移延性系數(shù)比C-M1、C-M2分別減少17.2%、1.4%。表明高強(qiáng)鋼筋可以增加試件的承載力，但是延性性能有所降低。

（4）通過對C-F2、C-ZJ兩個試件對比可知，提高縱筋率，試件C-ZJ的峰值荷載比C-F2提高了29.7%，破壞位移增加了9.1%，位移延性系數(shù)減少了15.9%，表明增加配筋率可以增加試件的承載力，但是延性性能減低。

分析滯回曲線反映出配制高強(qiáng)鋼筋的矩形截面柱具有以下特點(diǎn)：

（1）在試驗加載初期，骨架曲線近似相同，斜率最大，隨著加載的不斷進(jìn)行，試件受拉區(qū)出現(xiàn)開裂，進(jìn)而裂縫不斷開展，試件進(jìn)入彈塑性工作階段，骨架曲線斜率減小，直到試件達(dá)到極限承載狀態(tài)，隨后表現(xiàn)出明顯的剛度和強(qiáng)度退化特征。此外各試件骨架曲線總體較為對稱，在破壞階段，負(fù)向加載時荷載下降較為迅速，曲線下降速率較為一致。

（2）通過對C-F1、C-F2、C-F3三個試件對比可知，相較于高軸壓比試件，低軸壓比構(gòu)件強(qiáng)度退化明顯較晚，說明軸壓比較低的時間累積損傷發(fā)展相對較慢，相對有利于抗震。

（3）通過對C-M1、C-M2、C-F2三個試件對比可知，試件的峰值荷載隨鋼筋強(qiáng)度的提高而增大，進(jìn)而提高了試件的承載力，試件的初始剛度有所增加，但是會相應(yīng)的降低延性。

（4）通過對C-F2、C-ZJ兩個試件對比可知，提高試件的配筋率，承載力會有明顯提高，曲線上升和下降段更加陡峭。

3.4剛度退化

各試件剛度退化曲線如圖6所示。

對比分析圖6各試件的剛度退化曲線可知：

（1）試驗中各個試件的剛度退化曲線呈現(xiàn)明顯的非線性變化且對稱性相對而完好。試驗加載初期曲線斜率較大，呈現(xiàn)出陡峭的趨勢。當(dāng)試驗加載至屈服之后剛度退化速率有所降低，加載至峰值之后，材料塑性變形累計，剛度退化曲線斜率降低，趨勢趨于平緩。

（2）通過對C-F1、C-F2、C-F3三個試件對比可知，隨著軸壓比增大，試件豎向約束逐步加大，高軸壓比試件的初始剛度有顯著增強(qiáng)，但軸壓比大的試件剛度退化速率有所較快，混凝土的壓碎更為嚴(yán)重，不利于結(jié)構(gòu)抗震。

（3）通過對C-M1、C-M2、C-F2三個試件對比可知，提高鋼筋強(qiáng)度，試件的初始剛度基本無影響，但鋼筋強(qiáng)度越高剛度退化速率有所減緩。

（4）通過對C-F2、C-ZJ兩個試件對比可知，提高縱筋配筋率會使得試件的初始剛度有明顯增大，配置HRB600E鋼筋的試件在負(fù)向剛度退化率下降得到減緩，但延性相對較小。

3.5耗能能力

試驗中各個試件的等效黏滯阻尼比—位移曲線如圖7所示。

分析上圖各條曲線可知：

（1）所有試樣的等效粘滯阻尼系數(shù)先減小后增大，然后逐漸增大。在試驗加載初期，試樣現(xiàn)彈性狀態(tài)，裂紋開展不多。彈性面積的增加顯然大于滯回環(huán)面積的增加，故在試驗初期等效粘滯阻尼比-位移曲線表現(xiàn)出下降趨勢，當(dāng)試驗加載至屈服階段及以后時，裂縫不斷發(fā)展，塑性損傷不斷增加，耗能增加，故曲線不斷上升。

（2）通過對C-F1、C-F2、C-F3三個試件對比可知，隨著試驗的軸壓比不斷增加，高軸壓比構(gòu)件在加載后期，其塑性性能無法得到足夠的發(fā)揮，試驗加載到破壞荷載時試件耗能能力有所提升。

（3）通過C-M1，C-M2、C-F2的對比可知，提高鋼筋強(qiáng)度試件C-F2的等效黏滯阻尼比低于試件C-M1和C-F1的曲線，表明鋼筋強(qiáng)度的提升使試件的耗能能力下降。

（4）通過C-F2、C-ZJ兩個試件對比可知，試驗中C-ZJ配筋率較大，縱筋直徑較大，與混凝土之間的粘結(jié)作用減小，相較與試件C-F2，試件C-ZJ的耗能能力有所降低。

4 結(jié)論

通過對6個配置HRB600E鋼筋混凝土柱進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗研究，得出如下結(jié)論：

（1）試驗中各試件的位移延性系數(shù)均值都達(dá)到3以上，滿足延性要求。配置HRB600E級箍筋的試件表現(xiàn)出良好的變形能力，并且在同等條件下，配置HRB600E級縱筋的試件達(dá)到屈服時，荷載和位移有所增加，對應(yīng)試件滯回環(huán)形狀相對飽滿，其骨架曲線和剛度退化曲線總體較為對稱，剛度退化減緩，試件的抗震能力顯著提高。

（2）增加配置HRB600E鋼筋混凝土柱的軸壓比，承載力增大，總耗能能力略有提升，但剛度退化的速率加快，延性降低。

（3）增加配置HRB600E鋼筋混凝土柱的縱筋配筋率，混凝土壓潰嚴(yán)重，骨架曲線上升和下降段更加陡峭，承載能力提高，變形能力增加，耗能能力降低。

5 現(xiàn)階段研究對比

在國家大力提倡節(jié)能減排、綠色環(huán)保的時代背景下，普通強(qiáng)度鋼筋作為土木工程建設(shè)用鋼主材的狀況已無法滿足建設(shè)發(fā)展的需要，現(xiàn)階段許多科研單位及院校對配置600MPa鋼筋的混凝土柱有所研究。劉彬[18]對配置HRB600箍筋的混凝土短柱進(jìn)行實驗，研究表明密配高強(qiáng)箍筋的混凝土短柱在高軸壓比下具有良好的延性，八角箍筋和井字箍筋比矩形箍筋的抗震性能更優(yōu);張建偉[19]對配置HRB600級鋼筋高強(qiáng)混凝土柱的軸心受壓力學(xué)性研究，結(jié)果表明：隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，HRB600級鋼筋高強(qiáng)混凝土柱的承載力明顯提高;增大配箍率，可以提高柱的承載力和延性，并給出HRB600級鋼筋的抗壓強(qiáng)度值取500MPa時有足夠的安全儲備。張萍[7]研究了軸壓比對配置HRB600鋼筋作為箍筋混凝土柱抗震性能的影響，研究認(rèn)為隨著軸壓比的增大，試件抗震性能將變差。戎賢 [13-14]對配置HRB600高強(qiáng)箍筋的T形柱和十字形柱進(jìn)行抗震試驗研究，結(jié)果表明增加鋼筋的配箍率可在一定程度上提高試件的變形能力，增強(qiáng)構(gòu)件的延性性能。

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段多數(shù)研究為對600MPa鋼筋作為箍筋配置在混凝土柱，或配置600MPa鋼筋的異形柱實驗研究。本試驗對軸壓比的研究影響，和現(xiàn)有研究結(jié)論一致：配置高強(qiáng)鋼筋可使得構(gòu)件承載力增大，延性降低。試驗將600MPa鋼筋應(yīng)用在結(jié)構(gòu)中常見的矩形柱中，并在研究基礎(chǔ)上增加了與現(xiàn)常用鋼筋型號的對比，并增加縱筋配筋率的影響因素。結(jié)果表明增加配筋率后雖可提高承載力，但極限位移減小，殘余剛度較大，耗能能力降低，建議對配置高強(qiáng)鋼筋時的縱筋配筋率再加以限制。

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（編輯：胡玲）