低配筋空心短柱承載能力及工程應用研究

鄭建安

摘要：文章設計了含4根鋼筋的低配筋空心短柱并進行試驗研究，分析箍筋間距的變化對構件承載力等力學性能的影響。結果表明：（1）試樣在加載前期表現為彈性變形，破壞形式主要分為端部V型破壞或中心剪切破壞;（2）箍筋數量與承載力成正相關，但是當箍筋數量達到一定量時，極限承載力趨于穩定;（3）實際工程可以結合承載能力與材料成本等方面綜合考慮箍筋的用量。

關鍵詞：超高性能混凝土;低配筋;空心構件;承載能力;箍筋

0 引言

根據相關研究發現，混凝土等受壓構件的抗壓強度主要控制因素為材料本身的強度和構件形狀特性。材料本身強度的研究在過去幾十年已經取得較為顯著的成就[1-2]，大跨度和高層建筑促使著超高性能混凝土的快速誕生，其抗壓強度在外摻劑等輔助作用下能達到200 MPa以上[3-4]。由于超高性能混凝土具有強度高、延性高等優異的性能，使得其使用范圍大幅擴展，在材料性能得到提高的同時，為了節約材料和美化外觀，構件的形狀也在逐步得到改進[5-6]，如構件越來越輕薄或截面由實心改為空心等。

受傳統思想的束縛，超高性能混凝土構件最初的設計形式多為實心狀，經過相關研究發現，在鋼管超高混凝土實心構件中，減少鋼筋和箍筋的用量，并不會影響結構的使用性能，還能節約大量的成本[7-8]。橋梁等建筑中空心截面構件與鋼管和FRP等材料結合使用能充分發揮材料的性能[9-10]，且加入較高含量的鋼纖維后，材料的延性能得到巨大提升，此時去掉鋼套、降低鋼筋和箍筋用量不僅不會影響材料性能，還能提高施工的便捷性。

目前對于鋼管超高混凝土空心構件，關于減少鋼筋和箍筋的用量對構件性能產生的影響研究還很少見，本文設計含4根鋼筋的低配筋空心短柱研究箍筋間距的變化對構件承載力等力學性能的影響，為實際工程提供理論支撐。

1 試驗設計

1.1 試樣設計

用于測量低配筋空心短柱承載力試驗采用的空心短柱截面尺寸為200 mm×200 mm、壁厚為30 mm、高度為800 mm，中空段高度為600 mm，兩端各有100 mm的含箍筋實心段。試驗共設置三組試樣，試樣的結構參數如表1所示。

為了更加深入地了解低配筋空心短柱的性能，在試驗開始之前，對本次試驗所用的超高性能混凝土的基本力學性能進行測試。制作3個立方體試樣和6個兩種尺寸的棱柱體試樣分別測量材料的抗壓強度、彈性模量和抗折強度，結果顯示其抗壓強度、抗折強度和彈性模量分別為115 MPa、28 MPa和43 GPa。本次試樣所用的材料配比如表2所示。在該配比基礎上，加入體積比為2%的鋼纖維，其長度為8 mm，直徑為0.12 mm。

1.2 試驗方案設計

將內外模板和鋼筋籠布置好以后進行試樣澆筑。鋼筋籠是由鋼筋和箍筋通過鋼絲綁扎而成，試樣澆筑完成后，進行常規養護96 h后脫模，繼續養護至28 d，在試樣軸線位置上貼應變片，用于測量在軸向荷載作用下試樣的變形和軸向應變。應變片位置及編號如圖1所示。

將試樣放置在YAW-10000F壓力機上進行抗壓試驗。根據極限承載力理論計算，設置壓力機的檔位為5 MN，保證將試樣放置在中心后進行預加載，然后進行分級加載，每級荷載大小為10%P（P為極限荷載），加載速率為180 kN·min-1，每級荷載加載時間持續120 s，當加載至90%P時，采用位移控制加載速率，速率設置為0.05 mm·min-1，直到試樣完全破壞后停止加載（見圖1）。

2 試驗結果分析

2.1 破壞過程及應變分析

A1組試樣形態在加載到50%P之前基本沒有變化，當加載到60%P這一過程中，試樣端部出現掉渣和碎屑壓縮發聲的現象;繼續加載至70%P過程中，試樣端部開始出現肉眼可見的微小裂紋;當加載到90%P時，裂紋數量明顯增多，且逐漸向試樣中心豎向擴展;當加載至P時，試樣發出爆裂聲，壓力機讀數快速下降，試樣端部出現較為明顯的V型破壞，如圖1所示。這個時候試樣雖然明顯破壞，但是仍然保持完整性，并未脫落。A2組試樣的破壞形態與A1組試樣大致相同，區別在于端部出現裂紋的時間相對延后，試樣最終破壞時，端部的裂紋數量明顯增加。

A3組試樣破壞的過程與A1組和A2組試樣有所區別，主要在于加載至80%P時，試樣的端部和中部偏上一點的位置均出現了許多微小裂紋，當加載至P時，試樣中部出現一條較為明顯的傾斜裂紋。

三組試樣的軸向應變隨著荷載的增加而變化的情況如圖2所示。從圖中可以看出，當加載到達70%P之前，試樣的變形主要是彈性變形，當試樣破壞時，軸向應變的范圍在25×10-3～30×10-3。在相同應變下，A1組試樣荷載最小，A3組試樣荷載最大，A2組試樣居中，說明試樣抵抗變形的能力為A3>A2>A1。A3組試樣應變片S2和S4的曲線未從原點出發，表明加載開始一段時間后該位置才開始產生變形。

2.2 極限承載力分析

空心短柱混凝土試樣承載力P的計算公式如式（1）所示。

將截面面積取為全截面面積時，極限荷載理論計算值為2 342 kN。極限荷載與截面面積之比表示極限應力，三組試樣的極限應力試驗值與計算值如表3所示。從表中可以看出，由于理論計算時，未考慮不同箍筋間距的影響，因此三種組別試樣的極限應力和極限荷載理論值均相同，但是三組試樣的極限荷載實測值差別較大，A1組試樣低于50%的理論值，而A3組試樣與理論值十分接近，其大小關系為A3>A2>A1，與荷載-應變曲線圖中的結果相一致，表明箍筋的增加對于提高低配筋空心短柱的極限承載力具有顯著的效果。

2.3 箍筋間距分析

為了更加清晰地分析箍筋數量對試樣承載能力的影響，對A1組試樣中空段試驗區域（長度為600 mm）配制不同數量的箍筋，測得試樣的極限承載能力與箍筋數量的關系如圖3所示。從圖中可以看出，極限承載能力隨著箍筋數量的增加而增加，當箍筋數量從0增加到6根的時候，極限承載力增加較小;當箍筋數量從6根增加到12根的時候，極限承載力增加非常明顯;當箍筋數量超過12根以后，極限承載力上升基本停止，此時相對于未加入箍筋時，極限承載力上升了27.5%。從圖中還可以看出，當箍筋數量處于6到12根時，上升的速率最大，說明存在一個最佳的箍筋數量區間，使得極限承載力效果最佳，實際工程中應該考慮經濟成本與材料承載能力的綜合性價比最高的箍筋數量配制。

2.4 工程應用分析

從以上的試驗結果顯示，低配筋空心短柱在合理地選擇箍筋數量后能發揮出很好的承載能力，完全可以滿足工程需求，且在很大程度上節約了材料和經濟成本。箍筋數量存在一個最佳區域，若構件尺寸相似情況下，范圍為50～100 mm時，即箍筋數量為6～12根時為最佳。該結果能為類似工程提供理論支撐。

3 結語

本文對低配筋空心短柱試樣進行試驗研究，結果表明：試樣在加載前期表現為彈性變形，破壞形式主要分為端部V型破壞或中心剪切破壞;箍筋數量與承載力成正相關，但是當箍筋數量達到一定量時，極限承載力趨于穩定;箍筋數量的最佳區域可以通過空心段長度與箍筋間距進行計算。在最佳箍筋配比下低配筋空心短柱能很好地滿足工程需求。

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