箍筋約束混凝土柱受壓性能研究

三門峽職業技術學院 建筑工程學院,河南 三門峽472000

隨著建筑工業和冶金行業的快速發展，我國已經逐漸提升了建筑用鋼的品質和強度等級，摒棄了傳統HRB255 以及HRB335 等碳素結構鋼的使用，且近年來在建筑用鋼產量與使用量不斷提升的前提下，我國也在不斷追趕世界發達國家高強度等級建筑用鋼的步伐，逐漸開發出了HRB400、HRB500 以及更高等級的建筑用鋼。近年來，國內外學者采用不同的方法來改進鋼筋混凝土框架結構的變形能力，并取得了一定的成績，研究結果表明，配有高強鋼筋的混凝土柱的抗震性能可以得到提高[1,2]。已有的研究結果表明，在鋼筋混凝土結構中配制高強度箍筋或者高強度縱筋等都可以極大提升整體建筑結構的抗震性能以及強度和延性等，但是關于高強度箍筋約束高強度混凝土方面的研究報道則相對較少，具體作用機理也不清楚[3,4]。在此基礎上，本文通過對比高強箍筋和普通強度箍筋對混凝土的約束作用等，不僅可以對比出高強度箍筋在改善混凝土強度與延性、以及抗震性能方面的優勢，還可以為后續開發節約型建筑用鋼提供參考。

1 試驗材料與方法

為了對比分析箍筋強度、箍筋形式和平均有效約束應力等對軸心受壓性能的影響，以高強度箍筋和普通強度箍筋為鋼筋混凝土柱用箍筋，設計了6 組約束混凝土棱柱體試件[5]。6 組約束混凝土棱柱體試件的尺寸為150×150×450 mm，使用C40 混凝土。試驗過程中所需要考慮的試驗參數和試驗設計為：（1）箍筋屈服強度：400 MPa 和1100 MPa；（2）箍筋形式：單螺旋箍試件（Type A）和復合螺旋箍試件（Type B）；（3）箍筋間距：35 mm 和45 mm；（4）體積配箍率ρv：1.07%～3.62%。

6 組約束混凝土棱柱體試件的頭部和尾部都加設間距15 mm 的長度90 mm 的箍筋加密區；在鋼筋混凝土試件制備過程中，箍筋端部需要加工彎鉤以加強對混凝土的約束。鋼筋混凝土試件設計參數見表1（縱筋為Φ12 mm HRB335 鋼筋）。

表1 試件設計一覽表Table 1 Parameters of the specimen

在制備過程中，6 組約束混凝土棱柱體試件的制備方式都采用木模板立式振搗澆筑[6]。普通箍筋約束混凝土和高強箍筋約束混凝土試件分別澆筑，成型后進行標準養護。

2 試驗結果與分析

2.1 箍筋屈服強度的影響

圖1 為不同箍筋強度的鋼筋混凝土試件的應力-應變曲線。從圖1(a)中高強箍筋約束混凝土試件（HC-1A）的應力-應變曲線可知，增加箍筋強度可以使最大應力和延性都明顯增加。圖1(b)的應力-應變曲線中可見，普通箍筋的試件在到達極限承載力下迅速下降，而高強箍筋試件經歷了較長時間才達到應力峰值，且在峰值應力后的曲線呈現緩慢下降的特征；對比分析圖1（b）中普通箍筋和高強箍筋的應力-應變曲線可知，高強箍筋試件具有更高的極限承載能力，且高強箍筋試件延性要明顯高于普通箍筋試件。從圖1(c)和圖1(d)的箍筋約束混凝土試件的應力-應變曲線可知，雖然箍筋的形式不同，但是高強度箍筋約束都可以增加試件的延性；此外，由于在滿足設計強度的前提下，高強箍筋的直徑可以更加細小，從而可以在很大程度上節省用鋼量，達到瘦身和增加延性的雙重效果[7,8]。

圖1 箍筋約束混凝土試件的應力-應變曲線（箍筋屈服強度）Fig.1 Stress-strain curve of concrete specimen restrained by stirrups(Yield strength of stirrup)

2.2 體積配箍率的影響

圖2 為不同體積配箍率試件的應力-應變曲線。由圖形對比分析可知，對于單螺旋箍試件，當箍筋強度為400 MPa 時，體積配箍率為2.73%試件的極限承載能力和延性都要明顯高于體積配箍率為2.12%試件（圖2a）；當箍筋強度為1100 MPa 時，體積配箍率為1.91%試件的延性也要明顯高于體積配箍率為1.49%試件（圖2b）；當箍筋強度為652 MPa 時，體積配箍率為0.73%試件的延性也要明顯高于體積配箍率為0.52%試件（圖2c）；對于復合螺旋箍試件，箍筋強度為400 MPa 和1100 MPa時體積配箍率高的試件的最大應力和延性也都高于體積配箍率小的試件。由此可見，在箍筋形式一定前提下，箍筋體積配箍率對試件延性的影響與箍筋強度相似[9]，即都可以一定程度上提升箍筋約束混凝土試件的延性性能；約束混凝土隨著體積配箍率的降低表現出明顯的脆性[10]。此外，從圖2(a)中可以看出，當配箍率下降到1.5%左右時，箍筋并不能對混凝土試件起到良好的約束作用，此時應該作為最低配箍率的配置條件，即為了保證約束混凝土具有足夠的承載能力和延性，限制約束混凝土中的最小體積配箍率是必要的[11,12]。

圖2 箍筋約束混凝土試件的應力-應變曲線（體積配箍率不同）Fig.2 Stress-strain curve of stirrup confined concrete specimen stress-strain curve of stirrup confined concrete specimen(Different volume stirrup ratios)

2.3 箍筋形式的影響

圖3 為箍筋約束混凝土試件的應力-應變曲線，其中箍筋形式不同而配箍率相近。當體積配箍率在1.91%～1.94%和2.73%～2.76%時，配置復合螺旋箍試件的延性要明顯高于配置單螺旋箍試件，且在低體積配箍率（1.91%～1.94%）條件下的復合螺旋箍試件的極限承載能力明顯較高。綜合而言，箍筋形式對約束混凝土的約束效果會產生明顯影響，且復合螺旋箍的約束效果會相較于單箍更好。

2.4 箍筋間距的影響

箍筋間距是影響約束力大小和縱筋穩定性的重要因素[13]。圖4 為不同箍筋間距試件的應力-應變曲線。由圖形的對比分析可知：箍筋間距為35 mm（3 d，d 為縱筋直徑）的試件的極限承載力和延性性能明顯優于箍筋間距為45 mm（3.75 d）的試件；隨著間距的增大，箍筋的約束效果減弱，混凝土的脆性性質趨于明顯[14]。

圖3 箍筋約束混凝土試件的應力-應變曲線（箍筋形式不同）Fig.3 Stress-strain curve of concrete specimen confined by stirrup(Different stirrup forms)

圖4 箍筋約束混凝土試件的應力-應變曲線（箍筋間距不同）Fig.4 Stress-strain curve of concrete specimen confined by stirrups(Different stirrup spacing)

3 結論

（1）體積配箍率增加，軸心受壓條件下約束混凝土柱的極限承載力和延性都呈現提高的特征，建議體積配箍率應高于1.5%；

（2）高強箍筋試件具有更高的極限承載能力，且高強箍筋試件延性要明顯高于普通箍筋試件。不同箍筋形式的高強度箍筋約束可以增加箍筋約束混凝土試件的延性；

（3）箍筋間距越小，則體積配箍率越高，縱筋越不易屈曲，約束混凝土的延性性能越好。