区域约束混凝土轴心受压中长柱试验研究.pdf

浙江建筑， 第 3 3卷 ， 第 1 O期， 2 0 1 6年 l 0月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n ， V o 1 3 3 ， N o 1 0 ， O c t 2 0 1 6 区域约束混凝土轴心受压中长柱试验研究 E x p e r i me n t a l S t u d y o n t h e Mi d d l e L o n g Co n c r e t e Co l u mn u n d e r t h e Ra n g e Co n s t r a i n t wh ic h h a s Ax i a l Co mp r e s s i o n 王 晓 斌 WA NG Xi a o b i n ( 贵州师范大学材料 与建筑工程学 院， 贵州 贵阳 5 5 0 0 0 1 ) 摘 要 ：区域约束混凝土柱是 在钢筋约束混凝土研究的基础上提出的一种新概念 。区域 约束混凝土 柱改变 了约束 的机制 ， 将传 统的整体约束变 为整体约束与区域约束 相结合 ， 它有效地提高 了约束区域 的混凝 土柱强度及延性 ， 使得 区域 约束混凝土具 有与普通 约束混凝 土不同的受力特性及破坏特征 。利用 区域约束 ， 在有效提高混凝土强度的同时 ， 可以使柱 的变形 能力更强 ， 从 而提 高结构 的 抗震性能及安全度 。 关键词 ：区域约束混凝 土； 约束机制 ； 力学性能 ； 破坏形态； 抗 震性 能 中图分类号：T U 3 7 5 3 文献标 志码 ：A 文章编号 ：1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 6 ) 1 0 0 0 0 1 0 3 约束混凝土研究 旨在 ： 在最需要 的地方设置约 束钢筋。将约束钢筋集 中布置在受压 或剪压 区， 以 便更有效地提高该 区域混凝土 的强度及延性 ； 以合 理的方式布置约束钢筋。有效 的约束是 由混凝土、 纵向钢筋及横向箍筋共 同实现的， 纵向钢筋的配置， 横向箍筋的形态及配箍率 ， 钢筋 的强度与混凝土强 度的比值都影响到约束 的效果 ， 因此 ， 需要有合理的 配置 。 区域约束混凝土是这样实现的 ： 将构件截面划 分为若干小的区域 ， 并在受压 区域设置由纵 向钢筋、 横向箍筋组成的钢筋笼， 而各个区域又由区域约束或 普通箍筋连接起来 ， 从而形成整体与区域约束结合的 约束形式。区域约束混凝土柱子的配筋图见图 1 。 由于配置或不 配置 区域约束钢筋及区域约束 钢筋量配置的不同， 使得各个 区域的受约束程度不 同。柱子在 I区( 阴影范 围) ， 由于截面周边箍筋量 比 区多， 因此 I区的约束程度 比 区大 ， 可以把其 视为强约束区， 相应的， 区为弱约束 区。区域约束 是与整体约束相对应的。比较 图 2中区域约束 ( 图 2 a ) 及全截面约束 ( 图 2 b ) ， 对于偏心受压柱子 ， 当阴 区域约束箍筋 注： I - 强约 束区I I 一 弱约束 区 图 1 区域约束混凝土柱 影 部分 为受 压 区时 ， 可 以看 见 ， 同样 的约 束箍 筋配 箍 量 ， 区域 约束 会有 更强 的约束效 果 。 区域约束混凝土在不显著提高配筋率、 配箍率 及增加施工难度的情况下有效提高了约束区混凝土 的强度及延性 。由于采用 区域约束的方法 ， 使得构 件及截面的不 同区域有不 同的约束 强度及延性 ， 因 此 ， 合理利用这些性质可以改变构件的受力性能 ， 以 收稿 日期 ： 2 0 1 60 6 2 O 作者简介 ： 王晓斌( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 江苏姜堰人 ， 讲师 ， 从 事混凝 土性能研究工作 。 2 浙江建筑 2 0 1 6年第 3 3卷 保护层 受压面积 H 7 一 ， ， 保护层 a ) 区域约束 b ) 全截面约束 注： I 一 强约束区 I I 一 弱约束区 图 2 区域约束与整体约束示意 图 获得期望的力学效果， 本文仅对轴 心受压 中长柱进 行试验研究 。 1 试验模 型 为研究两种箍筋形式对约束混凝土柱的轴心受 力情况的影响， 共制作试件 3个 ， 其 中普通约束混凝 土柱 1 个 ， 区域约束混凝土柱 2个 ， 试验采用了截 面 为 1 8 0 m m1 8 0 m m， 高度为 1 4 0 0 mm的中长柱 ， 混 凝土强度等级为 C 3 0， 箍筋直径取 6 ， 为保证配筋 比率大致相等 ， 普通约束混凝土纵筋直径取空1 2 ， 区 域约束混凝土纵筋直径取 1 0 。 R C C柱箍筋采用小矩 形箍筋 和大矩 形箍筋相 结 合 ， 全 部 纵 筋 与 箍 筋 共 同 工 作 ， 整 体 上 是 一 个 大 柱 ， 4个矩形箍筋分别配置在柱子四边 ， 将整个截面 划分成四个区域 。箍筋与相应 区域纵筋共 同工作 ， 又分别形成四个小柱 ， 称为区域约束 昆 凝土柱。 所有构件 的混凝土等级都 为 C 3 0 ， 测到的实际 混凝土强度等级 为 2 5 9 。纵筋和箍筋 的屈服强 度 值 分别 为 4 0 0 MP a和 3 6 0 MP a ， 见 表 1 3 。 表 1 试件主要强度参数 混凝土抗压 混凝 土抗 压强度 纵 向钢 筋抗 压强度 箍筋抗拉强度 强度等级 ( N m m ) ( N m m ) ( N mm ) CC 一1 2 5 9 1 2 4 4 00 36 0 RCC 一1 2 7 5 1 3 1 4 00 36 0 RCC 一2 2 51 1 1 8 4 00 36 0 表 2试件编号及 配筋表 柱子编号 截 面型式 纵筋( 级 ) 箍筋 s (I级) 备注 一 C C l ： l l 2 空 1 2 3 1 4 6 C 3 0 混 凝 土 。 1 R C C一1 l 6空1 0 3 0 46 C 3 0混凝土 R C C一2 1 6空1 0 2 9 46 C 3 0混凝土 表 3 试件截面及配筋 试件 试件截面 m mm m 跨度 mm 受拉纵筋 箍筋根数 纵筋配筋率 P b 体积配箍率 P 第 1 O期 王晓斌 ： 区域 约束 混凝 土轴 心受压中长柱试验研究 2 试 验现 象 2 1 普通约束混凝 土试件的试验全过程和试验现 象 C C一1是 普通 约束 混凝 土试 件 ， 箍筋 间距 为 5 0 mm， C C一1 裂 缝 出现得 很早 ， 在 4 0 5 0 t 之 间柱 端 就 出现 了裂 缝 。在 6 0 7 0 t 之 间 ， 表层 混 凝 土 开 始脱落 ， 并很快退出工作 ， 荷载增加到 1 01 1 t 之 间， 柱中部的挠度增加迅速 ， 混凝土出现明显的竖向 裂缝 ， 当达到峰值荷载不久 ， 纵筋开始屈服， 荷载下 降很快 ， 最后试件破坏。 从 C C一1破 坏 形 态 可 以看 出其 破 坏 形 态 与 中 长柱的破坏形态很相似 ： 柱在加载初期就开始产 生 侧向挠度 ， 并且侧向挠度随着荷载的增加基本上呈 线性增长。当荷载加至极限荷载的 7 0 以后 ， 柱的 挠度随荷载开始偏离线性关 系； 当荷载将要达到极 限荷载时， 柱的侧向挠度急剧增大 ， 最终由于侧向挠 度急剧增加丧失稳定而破坏。另外 ， 在试验中， 为防 止柱子端头发生局部承压破坏 ， 采用柱端头加密并 焊接一块钢板 ， 能有效地防止构件端头因局部承载 力不足而造成的局压破坏 ， 是一种有效、 简单 、 便捷 的加 固方法 。 2 2 区域约束混凝土试件 的试验全过程 和试验现 象 为保证柱子的配筋率大致相等 ， R C C一1的箍 筋间距为 5 5 m m， R C C一2的箍 筋 间距为 6 0 mm， R C C一1和 R C C一2比 C C一1裂 缝 出 现 得 晚 ， 在 6 0 7 0 t 之间才 出现裂缝。裂缝发展也慢一些， 在 9 0 t的时候 ， 表层混凝土才开始脱 落并退 出工作。 达到峰值荷载后 ， 荷载下降较快 ， 纵筋开始屈服， 最 后 试 件破坏 。 从 R C C一1和 R C C一2的破 坏形 态 ， 可 以 看 出 其 破 坏形态 与 C C一1的破 坏 形态 差 别 很 大 ： 在 试 件 的中部有明显的破坏裂缝 ， 纵筋鼓 曲， 混凝土压碎。 这说明， 区域约束混凝土试件 的受力机理发生 了改 变 ， 在约束弱 的部位即试件中部先破坏 ， 把试件分成 了四个小柱 ， 最后混凝土压碎破坏 。 从普通约束混凝土试件和区域约束混凝土试件 的试验现象可以得到如下结论 ： 在加荷初期 ， 区域约 束和普通约束 柱现象大致相 同。大约在 5 06 0 t 时 ， 区域约束柱和普通约束柱都在 中部和角部出现 裂缝 ， 区域约束柱 比普通约束柱稍早。这是因为区 域约束柱的钢筋 比较复杂， 影响了外 围混凝 土的浇 筑质量 ， 且削弱 了内外混凝土的结合。随着荷载 的 增加 ， 裂缝数量和宽度不断发展 ， 并大约在 6 0 7 0 t 之 间， 表层混凝土开始脱 落。总 的说来 ： 荷载较小 时， 柱的全截面处于弹性阶段 ， 挠度随荷载的变化基 本上是线性的 ， 随着荷载的增大， 柱截面的一部分将 进人弹塑性阶段 ， 曲线开始弯曲。当加荷接 近极 限 荷载时侧 向挠度突然增 大， 表明柱进入纵 向屈 曲阶 段 ， 最终因偏压承载力不 足而破坏。由于柱缺陷等 因素具有随机性 ， 未施加荷载前不知其发生纵 向弯 曲的方向， 但一旦施加荷载 ， 发生纵 向弯曲的方向已 基本 确定 ， 因此强 约 束 混凝 土配 筋 柱 的稳 定 问 题 实 际上是一种极值点稳定 问题 。 在达到各 自的峰值荷载后 ， 区域约束 和普通约 束柱的现象开始不 同。对于约束较小的普通约束柱 C C一 1 ， 它们达到峰值荷载后 ， 变 形发展很快 ， 承载 力下降也很快 ， 纵筋失稳 ， 混凝土大块脱 落， 最后 纵 筋压屈 ， 试件破坏。对于区域约束混凝土柱 ， 基本和 普通约束混凝土相似 ， 只是 由于对混凝土的约束 能 力 比普通强， 因此 ， 区域约束混凝土的二阶效应没有 普通混凝土的二阶效应明显 ， 纵筋屈服稍晚， 构件的 承载力比普通的提高些 。 3 区域约束混凝 土中长柱 受力机理分析 柱子 承载 力为 ： P =Ps+Pc 式 中： P 为纵 向钢筋对承载力的贡献 ； P 为混凝土及箍筋对承载力的贡献。 由 P 。 产生的应力表示为 P ,4 ， 将其除以约束 混 凝 土强度 并 与应 变 的 比值 建 立 关 系 ， 通 过 回归分析 ， 寻找适合的关系曲线 ， 可以得到应力应变 关系模型 ， 其表达式为 一 c c - 1 2 2 6 I t ) + 2 I 2 2 6 乏 占 一 0 1 8 7 _ + 1 1 8 7 4 占 。 。 0 4 3 9 s 48 cc C C 柱应 力 应变 模型 见 图 3 。 就普通约束混凝 土而言， 轴心受力 时的应力应 变关系为 0一AB段 ， 没有水平发展阶段 ， 这是 区 域约束混凝土与普通约束混凝土最大的区别。 ( 下转第 7页) 第 1 0期 赵滇生等： 十形闭口截面压弯构件整体稳定性分析 7 绘 制在 图 中 ， 用实 线表 示有 限元计 算结 果 ， 虚线表 示 实 用 公 式 计 算 结 果 。 长 细 比 由 上 到 下 为 4 3 2 ， 62 1， 8 6 9。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 M M， 图 4有 限元 结 果 与 公 式 结 果 对 比 图 由图 4可见 ， 在 弯矩 较小 时 随着 长 细 比的增 加 ， 极限轴力 出现下降， 弯矩较大时长细比的影响减小。 压弯实用计算公式与有限元分析的数据吻合较好 ， 表 明推导出的实用计算公式可 以用于此类十形闭 口 截面钢柱的稳定承载力验算。 3 结 语 根据有限元分析结果 ， 可得 以下结论 ： 1 ) 有限元特征屈曲值 和理论值吻合较精确 ， 证 明屈 荷 载理 论推 导正 确 。 2 ) 长 细 比 对 十 形 闭 口截 面稳 定 承 载 力 会 产 生 一 定的影响。当弯矩较小时长细比对承载力的影响 较大 ； 当弯矩增大时， 长细比的影响减弱。 3 ) 由有 限元数据与本文推导 出的实用公式对 比 ， 实 用公 式可 用 于 此类 十形 闭 口截 面 构件 的稳 定 承载力验算 。 1 2 3 4 5 参考文献 陈骥 钢结构稳定理论与设计 M 5版北京 ： 科学出版社 ， 2 0 1 1 朱俞江 ， 童根树 箱形 截面压 弯构 件 的平面 外稳 定计 算 J 钢结构 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 1 1 1 2 陈绍蕃 钢结 构设计原理 M 3版北 京 ： 科 学出版社 ， 2 0 0 5 朱震华 薄壁箱形截面双 向偏心 受压构件 的试验 与理论分 析 D 西安： 西安建筑科技大学 ， 2 0 1 0 王新敏 AN S Y S工程结构数 值分析 M 北 京 ： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 0 7 ( 上接第 4页) 4 结 语 应变 图3柱应力应变关系模 型 1 ) 区域 约束混凝 土柱有效 地提高了 昆凝土强 度 、 延性及抗震性能 ， 同样条件下能得 出比普通混凝 土更高的承载力 ， 以体现区域约束混凝土的优越性。 2 ) 通过调整各约束区域的约束强度 ， 可 以获得 期望的破坏形态 ， 从而获得理想的耗能机制 ， 提高结 构 抗震性 能 。 3 ) 区域约束混凝土柱施工简单 ， 有利于推广使用。 参 考 文 献 莫大霖 ， 曹新明， 肖利平， 等预应力区域约束混凝土梁数值研究 J 贵州大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 5 ( 2 ) ： 1 1 2 1 1 7 高文艺 ， 姚志刚 ， 莫大霖 ， 等预应力区域约束 混凝土梁 剐度的 试验研究 J 四川 建材，2 0 1 5 ( 2 ) ： 6 36 4 高 峰， 熊学玉 ， 张少红考虑约 束混凝 土作用 的 P S R C梁 短期 刚度计算分析 J 四川建筑科学研究 ， 2 0 1 5 ( 5 ) ：1 82 2 蒋亚星 ， 曹新明， 常亚， 等几种区域约束混凝土柱的抗震性能试验 研究 J 贵州大学学报 ： 自然科学版 ， 201 5 ( 5 ) ：1 1 0 1 1 4 曹新明 ， 莫志刚 ， 任廷坚 ， 等超高轴压 比区域约束混凝土柱抗 震性能试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 1 2 ( 1 0) ： 1 0 2 1 0 9 田洪垸 ， 王越鹏 ， 王宇区域约束混凝土梁刚度分析 J 中国 建设信息 ， 2 0 1 2 ( 1 5 )： 7 27 3 彭景 ， 曹新明， 田洪垸 。 等不同配箍形式下混凝土柱延性的试验研 究 J 贵州大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 2 ( 6 ) ： 1 1 31 1 7 郭献忠 ， 曹新 明区域约束混凝土轴心受压短柱 的非线性分析 J 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 9( 4 ) ： 6 66 7 二 竺