作者：杨媛婷(长春建筑学院，吉林长春130000)
[摘要]对6个高强箍筋约束足尺寸普通强度混凝土柱进行了轴心受压试验，对比分析了高强箍筋与普通强度箍筋约束钢筋混凝土柱轴心抗压的破坏过程及其形貌，并运用轴压试验数据分析了箍筋强度和形式对轴心受压性能的影响。
[关键词]高强箍筋；约束混凝土；足尺试验；轴心抗压
[中图分类号]TU317 [文献标识码]A Axial Compression Properties of High-strength Stirrup Confined High Strength Concrete
Yan,g Yuanting( Changchun, Arch,itecture and Civil En,gin,eerin,g College, Chan,gchun. 130000, Ch,in,a)
Abstract: The axial compression experiment is carried out with 6 full-scale square concrete columns confined byhigh-strength steels, in which the comparison and analysis of the damage process and its morphology are conductedthrough the axial compression by high-strength stirrup with ordinary strength stirrups reinforced concrete columns.With the data analysis of the axial compression test, the effects of stirrup strength and form on the axial compressionperformance are studied.
Keywords: high-strength stirrup; confined concrete; full-scale test; axial compression
0 引言
混凝土是一种传统材料，高强钢筋是一种新型高性能材料，二者相结合组成高强箍筋约束混凝土。近年来，国内外学者对约束混凝土柱的性能进行了大量研究，但多数采用一般低强度箍筋，其约束力不足以约束混凝土的变形。在我国，采用高强箍筋约束混凝土材料的力学性能研究在已有的约束混凝土力学性能研究中尚处于起步阶段，而约束混凝土轴压试验能反映出这种材料在约束作用下的强度和延性等力学性能纠。本文基于轴压试验研究了高强箍筋约束混凝土柱的轴压性能，并分析了箍筋形式和强度对轴压性能的影响。
1 试验材料与方法
为研究高强箍筋约束足尺普通钢筋混凝土柱轴心受压性能，对4根高强箍筋和2根普通强度箍筋约束足尺普通钢筋混凝土柱进行轴心受压试验，考虑的影响因素为箍筋强度、箍筋形式、箍筋直径、体积配箍率等。
进行轴压试验的钢筋混凝土柱试件共有6个。试件的高宽比为3，尺寸为600mm×600mm×1800mm。详细设计参数情况如下：
1)箍筋目标屈服强度分为400MPa和900MPa。
2)箍筋形式包括形式A、B、C三种，其中A形式为四肢复合箍，B形式为六肢复合箍，这两种形式箍筋端部弯钩的角度为135 0，长度为lOd（d为箍筋直径），C形式为双向复合螺旋箍，内圆外方，采用的螺旋箍筋的绑扎方式为双向复合螺旋箍。
3)箍筋直径分为lOmm、9mm两种。
4)箍筋间距为lOOmm、75mm。
5)体积配箍率范围为0. 86%~1.41%。
试件设计参数见表l。表1中试件编号的含义为：第一个字母是N或H，表示普通箍筋或高强箍筋；第二个字母是A、B或C，表示箍筋形式。表1中高强箍筋配箍特征值A的计算取箍筋屈服强度值为900MPa。试件的混凝土等级为C40，采用泵送商品混凝土，混凝土保护层厚度（从纵筋外表面到截面边缘的垂直距离）为30mm。试件中的纵筋均为HRB400级钢筋，箍筋为400MPa级或900MPa级。根据GB/T 228.1-2010标准在MTS-810型电子万能拉伸机上进行了钢筋的力学性能测试，每种规格的钢筋取4根500mm长试件，其中2根做拉伸强度测试，2根做弹性模量测试。φlOmm箍筋的屈服强度为511MPa，弹性模量为2.0×l05 MPa，极限强度为641MPa; Ф9mm箍筋的屈服强度为1044MPa，弹性模量为2.0×l05MPa，极限强度为1092MPa;混凝土的轴心抗压强度为45. 5MPa，抗压强度为47. 9MPa。
试件在4.0×l04kN多功能电液伺服加载系统上进行加载，加载装置示意图如图1。加载制度示意图如图2所示。正式加载制度采用力、位移混合控制，加载过程如下：首先，预载lOOOkN然后卸载，正式加载时荷载先均匀连续加载至5000kN;然后，荷载分级加载，每级加载lOOOkN，每级荷载加足后持荷3 min~5min，画试件表面的裂缝发展并记录试验现象；分级加载至试件接近屈服时，加载制度转为位移控制，位移控制时采用均匀连续加载方式，在试件轴向总位移达到一定位移值时记录试验现象，其位移值为15mm、18mm、20mm、25mm等，其后以Smm为位移值递增值，直至试件承载力下降到最大承载力的30%以下停止加载，试验结束。
试验中的量测内容包括试件的轴向荷载、轴向变形、钢筋应变、混凝土应变等（未进行箍筋应变测试）。所有数据由IMP静态数据采集系统进行采集。试件在试验过程中的裂缝发展由人工、相机两种方式记录。试件的轴向变形由LVDT位移计测量，位移计布置在试件的四面，测量距离分别为试件中部650mm和1275mm处，650mm的测距内采用的位移计量程为50mm．1275mm的测距内采用的位移计量程为lOOmm，混凝土的应变由混凝土应变片量测。混凝土应变片布置在沿试件高度的中间位置，沿四面布置，共6个，钢筋的应变采用钢筋应变片采集。箍筋上的应变片布置在试件中部600mm范围内间隔为300mm的三层箍筋上，纵筋应变片布置在三层箍筋测点与该测点上一层箍筋之间中点的位置上。
2 试验结果与分析
2.1 试件的破坏形态与过程
表2所示为6个试件的不同破坏特征对应的荷载级别及试件全高1800mm范围内的总轴向变形关系。在试件的破坏过程中，基本都经历了以下几个过程：随着荷载的增加，试件开裂；裂缝不断发展并出现新的裂缝，部分纵筋开始屈服；轴向变形发展加快，当裂缝开裂到一定宽度贯通后，混凝土表面开始掉渣起皮、剥落；随后试件达到极限承载力；试件达到极限承载力后，随着轴向变形的不断增加，部分纵筋发生屈曲，试件承载力不断下降；最后不断有箍筋崩断，对核心混凝土约束作用逐渐减弱，最终试件丧失承载能力而破坏。
图3所示为6个试件试验结束时的破坏形态图，可观察到的试件破坏特征主要有：
1)在混凝土表面开始剥落前，各试件的裂缝集中在试件中上部，由顶部向下发展，试件破坏位置大部分在试件中部偏上的位置，即从顶部算起300mm~ 1200mm的部分，保护层在试件的四面均发生剥落，呈四面开花状。
2)双向复合螺旋箍筋试件NC、HC的总体变形发展较快，如试件NA在荷载达到极限承载力以后试件总位移才达到18mm，而试件NC、HC在达到极限承载力以前，荷载分别上升到17000kN、16000kN时试件总位移即达到18mm。这是由于加载初期加载装置中滑动比其他试件大了1. 2mm~2.9mm，故总位移偏大。
3)箍筋形式为A的两个试件的裂缝大部分分布在柱顶端及四角处，多以短缝延伸变长缝的形式发展，而箍筋形式为B的两个试件的裂缝沿柱高分布更均匀，在柱顶和柱底均会出现裂缝，且裂缝数量更多、长度更短更分散，发展后期的长裂缝由短裂缝连接而成。
4)试件NC、HC的裂缝均匀分布在柱子侧面，而试件NC的裂缝多分布在柱子的四角，试件HC的裂缝数量比NC的更多，分布更均匀。
5)与配有普通强度钢筋的试件相比，配有高强箍筋的试件的裂缝分布更均匀，更多。普通箍筋约束试件NA在南北两侧均形成了明显的斜裂缝，但高强箍筋约束试件的破坏裂缝以“X”、“H”形裂缝居多。
2.2轴压试验
在观察了各组试件破坏过程与形态的基础上，进一步研究了高强箍筋约束混凝土柱的轴压试验结果，试验结果包括试件极限承载力、峰值应变、承载力提高程度等，研究了高强箍筋约束足尺混凝土柱的轴压性能。
对试验数据进行了统计与分析，结果如表3所示。表3列出了6个试件的主要试验结果，其中8max表示最大应力对应的峰值应变，ε85表示应力下降到最大应力85%时对应的应变，ε50表示应力下降到最大应力50%时对应的应变。另外，在后期应力下降的过程中，试件HB由于箍筋锚固长度不足导致变形能力过早降低，在试验结果分析中不能提供对比参考，故表3中该试件的ε85、ε50。应变值用“()”表示以示区别。轴向变形为测距1275mm的4个位移计所测变形的平均值。各点应力由荷载值除以各试件的换算混凝土面积得到，换算混凝土面积A。计算如下式所示；各点应变为测距1275mm的各位移计所测得的轴向变形值除以相应的实测测距，再取平均值得到。
Ao=A。+(Es/Ec)A。
式中：Ao为换算混凝土截面面积；Ac为试件截面面积；E。为试件中纵筋的弹性模量；Ec为素混凝土的弹性模量；As为试件截面中纵筋的配筋面积。
由表3可以看出：①与普通箍筋约束柱相比，高强箍筋约束柱的轴心抗压承载能力提高了1%~29%，峰值应变提高了13%~87%，其极限载荷和峰值应力都有很大提高；②在配箍率相近( NC/HC:1.12%~1.38%)的条件下，与井字复合箍筋约束柱相比，六肢复合箍(B)、双向复合螺旋箍筋(C)约束柱的轴心抗压承载能力和变形能力都有所提高。
3 结论
1)由于试件上下端钢套箍对试件端部的有效约束，柱子的破坏集中在试件量测区的中上部，裂缝大都从柱顶开始发展向下延伸。
2)普通箍筋约束柱的裂缝集中分布在柱上端，裂缝长度长短不一；而高强箍筋约束柱的裂缝分布沿柱高较均匀、细密，长裂缝由均匀分布的短裂缝贯通形成。普通箍筋约束柱破坏时各面多有贯通斜裂缝形成，而高强箍筋约束柱破坏时多形成竖向、“X”或“H”形贯通裂缝，斜向裂缝较少。
3)四肢复合箍约束柱的裂缝分布多集中在柱顶部及四角处，而六肢复合箍约束柱沿柱上下均匀分布。
4)箍筋形式变化时，柱子的峰值应力及变形能力稍有提高，提高程度相近。箍筋肢距越小，试件的峰值应力越高，且箍筋肢距过大时，箍筋间距的减小不能弥补肢距过大带来的强度损失。与峰值应力时横向平均约束应力水平相比，螺旋箍的三轴受压作用使得其约束试件的横向平均约束作用提高了29%。
