高強螺旋筋約束普通混凝土柱軸壓性能試驗

摘 要：為研究高強螺旋筋約束普通混凝土柱的軸壓性能，以螺旋筋強度和螺旋筋配箍率為變化參數，制作了5個試件并進行了軸心受壓試驗。通過試驗觀測試件破壞全過程和最終失效模式，獲取荷載-位移曲線和荷載-應變曲線，并對變化參數對約束混凝土力學性能指標的影響規律進行分析。試驗結果表明：螺旋筋能提供較強約束作用，使得混凝土由脆性破壞轉變為延性破壞；提高螺旋筋的配箍率能小幅提高螺旋筋的約束作用，當螺旋筋配箍率從1.89%提高到3.02%時，軸壓承載力提高幅度為18%～38%，核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比為1.8～3.8；提高螺旋筋強度能顯著提高螺旋筋的約束作用，當螺旋筋強度從432 MPa提高到1 774 MPa時，核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比從1.9提高到3.3，峰值位移增大約2.7倍。

關鍵詞：約束混凝土；螺旋筋；高強鋼筋；軸壓性能；承載力

中圖分類號：TU375.3 DOI：10.16375/j.cnki.on45-1395/t.2024.01.006

0 引言

高強材料的應用能提升有效建筑使用面積，節省建筑材料用量，是建筑行業實現綠色低碳發展的重要路徑之一[1]。隨著混凝土強度的提高，混凝土脆性破壞特征更加顯著，地震作用下鋼筋混凝土柱塑性鉸區的脆性破壞是需要特別關注的。為此，我國現有混凝土結構設計規范[2]中通過保證塑性鉸區的配箍率即利用約束混凝土的原理來避免脆性破壞的發生。常見的約束混凝土類型：箍筋約束混凝土、鋼管約束混凝土和FRP約束混凝土等，其中螺旋筋約束混凝土被認為是一種約束效率高、節省鋼材和便于工業生產的箍筋約束混凝土，螺旋筋也常與普通矩形箍筋搭配成復合箍筋。

自從約束混凝土的概念被提出，大量國內外學者對約束混凝土的基本受力機理以及各類新材料和新構造開展了深入研究，并取得了重要研究成果[3-8]。Chen等[5]研究了鋼管與螺旋筋復合約束混凝土的軸壓性能，表明內置螺旋筋比外部鋼管的約束效率更高，相比鋼管或螺旋筋單一約束混凝土，復合約束混凝土具備更好的承載力和變形能力。Fang等[6]針對海工結構耐久性問題，研究了多個FRP材料制作的螺旋筋約束混凝土柱，發現FRP螺旋筋同樣具有良好的約束作用。陳競等[7]和胡強等[8]分別研究了鋼纖維增韌超高強混凝土和鋼管約束輕骨料混凝土，發現摻入鋼纖維和外部鋼管約束都能較好地改善混凝土脆性問題。楊坤等[9]和王新玲[10]分別提出了雙向螺旋箍筋約束和高強不銹鋼絞線網/ECC約束的新型構造，并對新型構造的約束效果開展試驗研究。

馬立成等[11-13]將600 MPa級高強鋼筋應用于混凝土結構中，分別對高強鋼筋混凝土柱的受壓和抗震性能進行了試驗研究，試驗結果表明，受壓區HTRB630級鋼筋能夠達到屈服強度，且塑性變形能夠充分發揮，HRB600級鋼筋高強混凝土柱不僅具有較好的滯回性能以及變形與耗能能力，且震后可恢復性能相對較好。Osipova[14]開展了800 MPa級螺旋箍筋約束RPC100圓柱軸心受壓性能試驗研究，試驗結果顯示，當箍筋體積配箍率為1.00%～2.00%時，RPC100的抗壓強度可提高15%～32%，峰值應變則可提高27%～85%，螺旋筋均未達到名義屈服強度，但螺旋筋應變超過了比例極限。鄭文忠等[15]探究了1 219 MPa級螺旋箍筋約束高強混凝土柱的軸壓試驗，結果表明，體積配箍率為1.00%～1.60%，螺旋筋約束混凝土達到峰值壓應力時，螺旋筋可能達不到屈服。

從上述研究可知，采用高強鋼筋的螺旋筋約束混凝土的研究較少，現有研究結果差異較大?；诖?，本文設計制作了5個螺旋筋約束混凝土試件，并進行了軸心受壓破壞試驗，其中2個試件采用了1 774 MPa高強鋼筋作為螺旋筋。通過試驗觀測了高強螺旋筋約束混凝土的破壞全過程和最終失效模式，深入分析螺旋筋強度和螺旋筋配箍率對約束混凝土軸壓力學指標的影響規律，研究結果可為高強鋼筋的應用提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

共設計制作了5個試件，其中素混凝土柱1個，普通強度螺旋筋約束混凝土柱2個，高強螺旋筋約束混凝土柱2個。考慮的變化參數有螺旋筋強度和螺旋筋間距，試件具體設計參數詳見表1。試件編號命名格式為“混凝土強度等級+螺旋筋強度+螺旋筋間距”，如C4E40表示該試件的混凝土強度等級為C40，螺旋筋屈服強度為1 774 MPa，螺旋筋間距為40 mm。試驗所采用試件的幾何尺寸參數和配筋信息，參考了某6層鋼筋混凝土教學樓的底層框架柱，試件的構造示意圖如圖1所示，試件截面為圓形，直徑為150 mm，高度為300 mm，保護層厚度為3 mm，螺旋筋直徑均為6 mm，縱筋直徑為8 mm，縱筋數量為4根。試件的主要制作工序為：采用彈簧機床加工螺旋筋→縱筋下料→鋼筋籠綁扎→鋼筋籠粘貼應變片→鋼筋籠裝?！炷林苽渑c澆筑→養護→混凝土表面粘貼應變片→混凝土表面刷白、畫線→準備加載。

1.2 材料性能

試驗采用實驗室配制的混凝土，水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用優質Ⅰ級粉煤，礦粉采用S95級礦粉，減水劑采用聚羧酸粉末狀減水劑，具體配合比見表2?；炷恋牧W性能指標按照GB/T 50081—2019[16]規定的方法測試，所測得試驗數據如表3所示。

螺旋筋采用HRB400鋼筋和1 774 MPa的預應力光圓鋼筋，直徑為6 mm；縱筋采用HRB400鋼筋，直徑為8 mm，數量為4根，其中螺旋筋和縱筋預先在鋼材加工廠進行加工。各類型鋼材的力學性能指標均按照GB/T 228.1—2021[17]規定的方法測試，所測得試驗數據如表4所示。

1.3 加載與測量裝置

加載設備為10 000 kN微機控制電液伺服壓力試驗機，加載裝置示意圖如圖2所示。試件兩端設置2個夾具，防止試件端部提前破壞。加載前，將試件幾何對中，保證試件和位移計豎直，確保所有試件均為軸心受壓。施加不超過試件預估承載力15%的軸向壓力，進行預加載，持續60 s，檢查試驗儀器、位移計及應變片是否正常工作。正式加載采用位移控制的加載制度，全程連續加載，加載速率為1 mm/min，直至試件破壞。

2 試驗結果

2.1 破壞形態

以試件C4E40為例，加載初期，試件表面無明顯變化；在彈性階段，達到0.5倍峰值荷載（0.5Np）左右時，試件表面混凝土開始出現裂縫，隨著荷載增加，裂縫不斷擴展；到達彈塑性階段，試件表面布滿裂紋，混凝土保護層開始剝落；達到峰值，縱筋屈服，曲線開始下降，混凝土保護層大量剝落；在下降段，曲線下降到0.7倍峰值荷載（-0.7Np，負號表示曲線已下降）左右時，聽到數次爆炸聲，對應螺旋筋被拉斷數次；直至最后一次劇烈爆炸聲，壓力機荷載突降，試件被破壞，典型試件C4E40荷載-位移曲線及其破壞特征點如圖3（a）所示，破壞特征點照片如圖3（b）所示。螺旋筋混凝土試件與素混凝土試件的外觀演變過程完全不同，破壞模式不同。沒有螺旋筋約束的素混凝土，基本呈現出劈裂的狀態；螺旋筋約束的混凝土試件，則呈現腰鼓狀破壞，混凝土表面裂縫貫穿，并且混凝土保護層大片剝落。試件最終破壞形態如圖3（c）所示。

2.2 荷載-位移曲線

各試件的實測軸向荷載-位移曲線如圖4所示。由圖4可以看出，隨著螺旋筋間距的減少，混凝土的峰值荷載不斷增加，峰值位移增大，螺旋筋對混凝土的約束效果增強；與普通螺旋筋相比，高強螺旋筋可以顯著提高約束混凝土的峰值荷載和峰值位移，說明螺旋筋強度的提高可以增加約束混凝土的承載力。

2.3 荷載-應變曲線

圖5為試件C4A25和C4E40的歸一化軸向荷載（N/Np）-應變（ε）曲線圖。圖中，H2、H3、H4為混凝土表面應變，Z1和Z2為縱筋的應變實測值，G1和G2為螺旋筋的應變實測值。其中縱筋和螺旋筋處于單向應力狀態，可通過ε=εy判斷螺旋筋和縱筋開始屈服，圖5中采用豎向虛線標識了屈服應變，各類屈服應變（εy）詳見表4。

由圖5可知，縱筋的強度得到了充分發揮，基本在達到峰值荷載前就已經屈服；普通強度鋼筋螺旋筋的強度也得到充分發揮，在0.7倍峰值荷載附近達到屈服。而高強螺旋筋也在試件達到峰值荷載時接近屈服，說明在本文設計參數范圍內（即混凝土強度等級為C40，配箍率為1.89%～3.02%），強度為1 774 MPa的高強鋼筋作為橫向約束鋼筋，其強度也能較好地發揮。

鄭文忠等[15]開展了混凝土軸心強度為45～70 MPa，螺旋筋強度為480～1 219 MPa的螺旋筋約束高強混凝土柱軸壓性能研究，該研究結果表明，混凝土軸心抗壓強度、箍筋屈服強度相同時，隨著體積配箍率的提高，約束混凝土峰值壓應變增大，相應的橫向應變也隨之增大，箍筋拉應變也增大；并揭示了箍筋拉應變與體積配箍率、混凝土強度、箍筋屈服強度之間的關系，在建立峰值壓應力下約束箍筋拉應變計算公式的基礎上，明確了不同混凝土強度等級時確保不同箍筋屈服強度充分發揮的體積配箍率界限值（最小值）。根據鄭文忠等[15]研究確定的配箍率界限值與本文試件的配箍率見表5，本文試件的配箍率均超過了確保螺旋筋屈服強度充分發揮的界限值?？梢?，本文得到的高強螺旋筋能夠充分發揮屈服強度的結論與鄭文忠等[15]的研究結果比較吻合。但是，確保高強螺旋筋能夠發揮屈服強度的前提是需要合理設置試件的設計參數。鄭文忠等[15]的研究是否適用更高的混凝土強度和螺旋筋強度，還需進一步研究。

3 分析與討論

3.1 螺旋筋配箍率的影響

根據荷載-位移曲線提取了試件軸壓性能指標如表6所示，其中，θ為螺旋筋約束系數，θ=ρhyfy /fc，ρhy為全截面螺旋筋配箍率，ρhy=π［D-dhy/（2-c）］×dhy2/D2，D為試件直徑，dhy為螺旋筋直徑，c為保護層厚度，fc為非約束混凝土強度；Np為荷載-位移曲線的峰值荷載（又稱為承載力）；fcor為核心混凝土（扣除保護層混凝土和縱筋的影響）平均峰值應力（又稱為核心約束混凝土強度），fcor={Np-fvynπd[2vy] /4–fcπ［D-dhy/（2-c）］（dhy+c）}/{π［D-dhy/（2-c）］2/4}，n為縱筋數量，dvy為縱筋直徑；fcor/fc為核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比（又稱為強度提高系數）；[Δp]為荷載-位移曲線的峰值荷載對應的位移（又稱為峰值位移）。

高強螺旋筋約束混凝土柱的主要軸壓性能指標隨螺旋筋配箍率的變化規律如圖6所示。

圖6為軸壓承載力隨螺旋筋配箍率的變化規律。由圖6（a）可見，隨著螺旋筋配箍率的提高，不管是采用普通強度鋼筋（A系列，fy=432 MPa）制作的螺旋筋，還是采用高強預應力鋼絲（E系列，fy=1 774 MPa）制作的螺旋筋，試件軸壓承載力均得到顯著提高。對于A系列試件，當螺旋筋配箍率從1.89%提高到3.02%時，軸壓承載力從966.5 kN提高到1 138.3 kN，提高幅度為18%；而對于E系列試件，軸壓承載力從1 436.3 kN提高到1 988.6 kN，提高幅度為38%；對比A、E系列發現，提高高強螺旋筋的配箍率更有利于提高軸壓承載力。

核心約束混凝土強度隨螺旋筋配箍率的變化規律見圖6（b）。核心約束混凝土強度是在試件軸壓承載力基礎上扣除了縱筋和保護層混凝土影響后，再除以核心截面面積得到。隨著螺旋筋配箍率的提高，核心約束混凝土的強度逐漸提高。當螺旋筋配箍率分別為1.89%和3.02%時，相比非約束混凝土強度（由未配筋縱筋和螺旋筋的素混凝土試件測得），采用普通強度螺旋筋（A系列）試件的核心約束混凝土強度分別為57.9 MPa和69.4 MPa，而采用高強螺旋筋（E系列）試件的核心約束混凝土強度分別為89.3 MPa和126.2 MPa。對比A、E系列發現，高強螺旋筋更能有效提高約束混凝土強度。

核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比隨螺旋筋配箍率的變化規律見圖6（c）。由表6和圖6（c）可知，核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比隨螺旋筋配箍率的提高而增大，其提高范圍為1.8～3.8。當配箍率為1.89%時，A、E系列試件的核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比的平均值為2.2；當配箍率為3.02%時，核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比的平均值為3.0。

峰值位移隨螺旋筋配箍率的變化規律見圖6（d）。峰值位移的變化規律與承載力的變化規律相似，都是隨著螺旋筋配箍率的提高而增大。當配箍率為1.89%時，螺旋筋強度為432 MPa 和1 774 MPa 的試件的峰值位移分別為3.7 mm和9.2 mm，其平均值為6.5 mm；配箍率為3.02%時，螺旋筋強度為432 MPa 和1 774 MPa 的試件的峰值位移分別為4.2 mm和12.1 mm，其平均值為8.2 mm。表明螺旋筋的約束作用能顯著改善混凝土的變形能力。

3.2 螺旋筋強度的影響

試件軸壓性能指標隨螺旋筋屈服強度的變化規律如圖7所示。軸壓承載力、核心約束混凝土強度、核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比以及峰值位移均隨著螺旋筋屈服強度的提高而提高。高強螺旋筋（屈服強度為1 774 MPa）和普通螺旋筋（屈服強度為432 MPa）的核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比分別為3.3和1.9，即高強螺旋筋的核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比為普通螺旋筋的1.74倍；高強螺旋筋和普通強度螺旋筋對應的峰值位移分別為10.7 mm和4.0 mm，即高強螺旋筋的峰值位移約為普通強度螺旋筋的2.7倍，說明高強螺旋筋約束混凝土軸壓變形能力約為普通強度螺旋筋的2.7倍。這表明高強螺旋筋比普通強度螺旋筋更能有效提高約束混凝土的強度和變形能力。

4 結論

本文以螺旋筋強度和螺旋筋配箍率為變化參數，研究了高強螺旋筋約束混凝土圓柱軸壓性能，得到以下主要結論：

1）螺旋筋約束能有效提高混凝土的承載力與變形能力，素混凝土的曲線在達到峰值荷載后急劇下跌，試件發生豎向劈裂破壞形態，而螺旋筋約束混凝土在曲線越過峰值荷載后緩慢下降，最終破壞形態為腰鼓形。

2）提高螺旋筋的配箍率有利于增強螺旋筋的約束能力，當螺旋筋配箍率從1.89%提高到3.02%時，軸壓承載力提高幅度為18%～38%，核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比為1.8～3.8。

3）高強螺旋筋比普通螺旋筋約束能力更強，高強螺旋筋的核心約束混凝土強度與非約束混凝土強度之比為普通螺旋筋的1.74倍，高強螺旋筋約束混凝土軸壓變形能力是普通強度螺旋筋的2.7倍。

4）當混凝土強度等級為C40，螺旋筋配箍率為1.89%～3.02%時，高強螺旋筋在試件達到軸壓峰值荷載時接近屈服，即通過合理設置試件的設計參數，高強螺旋筋的屈服強度可以得到充分發揮。

5）本文重點研究了螺旋筋強度和配箍率對普通強度混凝土約束效果的影響規律，下一步尚需補充考慮混凝土強度的影響，分析高強螺旋筋對高強或超高強混凝土的約束效果，明確高強螺旋筋的強度發揮程度。

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Experimental study on axial compression behavior of concrete

columns confined by high strength spiral reinforcement

JING Chenggui， XU Zhongheng， WU Tong， HUANG Xuesong， LI Weizhao*

（School of Civil and Architectural Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract：To investigate the axial compression behavior of concrete columns confined by high strength spiral reinforcement， 10 specimens were made and tested under axial compression with the strength and reinforcement ratio of spiral reinforcement as varying parameters. The whole failure process and final failure mode of the specimen were observed through the test; the load displacement curve and load strain curve were obtained; and the effect of varying parameters on mechanical properties of confined concrete was also analyzed. The test results show that spiral reinforcement could provide a strong confined effect， making the concrete change from brittle failure to ductile failure; increasing the reinforcement ratio of spiral reinforcement could slightly improve the confined effect of spiral reinforcement. When the reinforcement ratio of spiral reinforcement increased from 1.89% to 3.02%， the axial compression capacity increased by 18%～38%，the strength ratio of the core confined concrete to non-confined concrete was 1.8～3.8; increasing the strength of spiral reinforcement could significantly improve the confined effect of spiral reinforcement. When the strength of spiral reinforcement increased from 432 MPa to 1 774 MPa， the strength ratio of the core confined concrete to non-confined concrete increased from 1.9 to 3.3， and the peak displacement increased by about 2.7 times.

Keywords：confined concrete; spiral reinforcement; high strength reinforcement; axial compression behavior; bearing capacity

（責任編輯：羅小芬）