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  張耀躍，  孫林柱，  李昀陽，  趙俊亮，  楊昌民

 （1河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，保定071000；2溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，溫州325000）

[摘要]  為減小鋼筋混凝土柱的截面尺寸并改善其延性，試驗設(shè)計9根雙層箍筋約束混凝土柱和3根單層箍筋柱。以箍筋約束混凝土柱為研究對象進(jìn)行軸向加載試驗，根據(jù)試驗結(jié)果提出雙層箍筋約束混凝土柱峰值荷載的理論計算公式；試驗通過對比各組試件的荷載一應(yīng)變曲線，定性地分析了配箍特征值對雙層箍筋約束混凝土柱延性的影響，并得到構(gòu)件的應(yīng)變延性系數(shù)在1.24~2.70之間；通過分析橫向變形系數(shù)與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，揭示了試件的破壞機(jī)理。

0  引言

 近年來，國內(nèi)外發(fā)生了多次極具災(zāi)難性的地震，如2008年汶川大地震、2010年青海玉樹地震、2010年海地地震和2010年智利地震等，許多建筑物在地震中倒塌或遭到嚴(yán)重破壞，造成大量人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而柱作為建筑結(jié)構(gòu)中的重要承力構(gòu)件，其強(qiáng)度不足或退化會對整個建筑物產(chǎn)生很大影響，甚至導(dǎo)致整個建筑物倒塌。造成鋼筋混凝土柱破壞的一個重要原因是延性不足。

 關(guān)萍、錢稼茹等指出在影響柱延性的諸多因素中配箍特征值是比較重要的因素。清華大學(xué)過鎮(zhèn)海等在對反復(fù)荷載作用下箍筋約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)�曲線進(jìn)行研究之后認(rèn)為，配箍率的增大能較大程度地提高混凝土的峰值應(yīng)變，且對下降段提升效果更為明顯，對混凝土的延性也有很大提升。楊坤等分別對單層高強(qiáng)箍筋及復(fù)合高強(qiáng)箍筋約束混凝土的軸向承載力進(jìn)行研究后認(rèn)為，高強(qiáng)箍筋可以很大程度地提高混凝土的延性且能提供一定的軸向承載力，復(fù)合箍筋對核心混凝土約束力強(qiáng)于單層箍筋且其分布更加均勻。

 目前，國內(nèi)外研究人員對FRP約束混凝土和單層箍筋約束混凝土等已進(jìn)行了較多研究，

而對雙層箍筋約束混凝土的研究較少。Kent和Park提出在矩形箍筋約束混凝土中，當(dāng)混凝土未達(dá)到抗壓強(qiáng)度以前，側(cè)向變形極小，箍筋幾乎沒有起到約束作用；當(dāng)混凝土逐漸達(dá)到其抗壓強(qiáng)度時，側(cè)向變形迅速增大，箍筋開始逐漸受力變形，對混凝土試件產(chǎn)生約束力；當(dāng)箍筋達(dá)到屈服后，其約束力基本保持不變。普通箍筋約束混凝土屬于主動約束，其約束力可人為隨著受力階段的不同而變化。本試驗嘗試減小柱子截面尺寸，并通過配置雙層高強(qiáng)箍筋提

高配箍率來改善柱子的延性，使得混凝土柱在延性允許的范圍內(nèi)提高承載力。

1  試驗概況

1.1試件制作

1.1.1鋼筋籠制作

 試件設(shè)計尺寸（長×寬×高）為250×250×1 400，由于試件尺寸較大，所有試件鋼筋籠由熟練工人按照圖紙要求綁扎。制作完成后，將鋼筋籠裝入模板并編號，搬運至實驗臺等待澆筑。試驗所采用的鋼筋規(guī)格有φ12，φ10，φ6，φ8四種，試驗前對每種直徑鋼筋取4根長度為500mm的樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗，對每種直徑鋼筋測得的彈性模量Es、屈服強(qiáng)度fy、極限抗拉強(qiáng)度fu、極限應(yīng)變εu等結(jié)果取平均值作為該種直徑鋼筋的實測值，鋼筋實測應(yīng)力．應(yīng)變曲線如圖1所示，力學(xué)參數(shù)見表1。

1.1.2澆筑混凝土

 首先將試驗配比所需的材料稱量后倒入攪拌機(jī)攪拌，攪拌均勻后分兩次澆筑。先澆筑柱的基座，待混凝土強(qiáng)度增長至試驗設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的70%后作剔鑿處理，再澆筑柱身。由于雙層箍筋混凝土柱的箍筋間距較小，采用分層澆筑的方法澆筑柱身，每澆筑300mm用振動棒振搗密實。在澆筑試件的同時，每組混凝土各制備3組150×300的圓柱體試塊，用于試驗時確定各組混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度fck。試件澆筑完成后自然養(yǎng)護(hù)60d，使混凝土強(qiáng)度達(dá)到試驗設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。共制作12根試件，試件簡圖如圖2所示，試件參數(shù)及配筋情況詳見表2。

1.2試驗步驟

 為防止端部破壞，試驗前預(yù)先在柱頭20cm范圍內(nèi)采用FRP布來進(jìn)行加固處理。為保證試件均勻受壓，在柱頂涂抹lcm厚高強(qiáng)石膏，用壓力機(jī)壓平，直至硬化。在試件中截面四周的中線位置處分別粘貼橫向和縱向應(yīng)變片（BX120-0. SAA型）測定中截面的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。在柱身兩側(cè)安裝拉桿式位移計來監(jiān)測試件的縱向變形，位移計標(biāo)距為800mm，型號規(guī)格為ZS1100 -DT100。試驗在WAW-10000F型電液伺服多功能實驗機(jī)上進(jìn)行，加載裝置如圖3所示。應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)通過采集儀采集。

 儀器安置好后，先對試件進(jìn)行幾何對中，即試件幾何中心軸線與壓力機(jī)上壓力板中軸線重合，再對構(gòu)件進(jìn)行物理對中。設(shè)定施加的軸向壓力為預(yù)計極限荷載的30%，加載速度為240kN/min，觀察預(yù)壓過程中試件四周應(yīng)變片的數(shù)值變化是否同步、均勻，如有偏差則終止試驗，并對試件進(jìn)行微調(diào)，這樣既能檢查各個儀器工作是否正常，又盡可能地保證試件處于軸心受壓。對中滿足要求后可開始正式試驗，試驗開始時，壓力機(jī)與采集儀同時啟動并記錄開始時間，以保證數(shù)據(jù)采集的時間對應(yīng)關(guān)系。采用電腦程控方式加載，加載制度為：首先以240kN/min的加載速率加載；軸力達(dá)到2 000kN后切換為位移控制，加載速率為0.5 mm/min，直至試件破壞。

2  試驗結(jié)果

2.1試驗現(xiàn)象

 隨著豎向軸力逐漸增大，雙層箍筋約束的各個試件（FY-1~FY-9）的破壞形式基本相同，在力控制階段，試件無明顯裂縫產(chǎn)生。切換至位移控制階段后，試件承受的軸力到達(dá)極限承載力的80%時，試件表面開始出現(xiàn)細(xì)小的豎向裂縫并伴有微小聲響。達(dá)到峰值荷載后，裂縫數(shù)量急劇增多，裂縫寬度迅速擴(kuò)展，隨后保護(hù)層翹曲剝落，試件承載力緩慢下降，縱筋向外壓屈，箍筋開始向外鼓出，表面裂縫逐漸演變成為貫穿試件的斜向破壞面。破壞過程中沒有產(chǎn)生明顯的破壞聲響（FY-9除外）。單層箍筋約束的各個試件（FY-10~FY-12）在峰值荷載以前無明顯現(xiàn)象，超過峰值荷載進(jìn)入下降段后，試件的承載力下降得明顯比雙層箍筋約束的試件快，且過程中伴隨有“噼啪”聲，保護(hù)層破壞嚴(yán)重。

 通過觀察破壞后的試件發(fā)現(xiàn)，全部試件縱筋向外側(cè)壓屈，除FY-9外其余試件箍筋均未被拉斷，單、雙層箍筋約束典型試件破壞形態(tài)如圖4所示。配有單層箍筋的試件混凝土破碎、剝落嚴(yán)重，配有雙層箍筋的試件由于提高了配箍特征值，因此隨著荷載的增長，縱向裂縫在混凝土內(nèi)部擴(kuò)展，而橫向裂縫則被雙重約束有效阻止，裂縫在箍筋和縱筋焊接處的薄弱層開展，沒有出現(xiàn)“全盤皆散”的現(xiàn)象。試件的破壞面與水平面的夾角大致在60°~ 80°之間，屬于壓剪破壞，各試件試驗結(jié)果列于表3。

2.2試驗結(jié)果分析

2.2.1試件的承載力

 結(jié)合表2、表3可知，單層箍筋約束試件（FY-10~ FY-12）混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與雙層箍筋約束試件（FY-1~FY-3）近似，而雙層箍筋約束試件的軸向承載力沒有明顯的提高，這說明內(nèi)層箍筋的存在對提高箍筋約束混凝土柱的峰值荷載作用不大。

 雙層箍筋約束下的核心混凝土由于受到內(nèi)外雙層箍筋的約束，所承受的軸力可分為兩部分，一部分是處于外層箍筋約束區(qū)內(nèi)的混凝土，這部分混凝土均受到外層箍筋的約束，另一部分是處于內(nèi)層箍筋約束區(qū)內(nèi)的混凝土，這部分混凝土同時受到內(nèi)、外層箍筋的約束。由于兩部分約束的作用不同，軸心抗壓強(qiáng)度也不同。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)對軸心受壓構(gòu)件正截面承載力的定義，將軸心受壓雙層箍筋約束混凝土柱的峰值荷載公式表示為：

式中：fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；Acor為構(gòu)件的核心混凝土的截面面積；fy'為縱筋的抗壓強(qiáng)度；fy1，fy2分別為外、內(nèi)層箍筋抗拉強(qiáng)度；As’為縱筋的截面面積；Ass1，Ass2為外、內(nèi)層箍筋的換算截面面積，Ass1=

層單根箍筋的截面面積，dcor1，dcor2分別為外、內(nèi)層箍筋筒直徑，s為箍筋間距；a為箍筋對混凝土約束的折減系數(shù)，本次試驗a值取1;β為雙層箍筋約束混凝土的換算系數(shù)。

 為計算雙層箍筋約束混凝土的換算系數(shù)β，將式(1)中的N與N1=fkAcor+fy'As'+2a(fylAss1+fy2Asa2)進(jìn)行線性擬合，如圖5所示。得到N=1.088N1，相關(guān)系數(shù)為0.996 89，相關(guān)程度很高，將換算系數(shù)β代回到式(1)中得到的計算結(jié)果列于表3。由表3可知計算得到的峰值荷載與試驗的峰值荷載之間的相對誤差在-12. 5%~5.9%之間，表明式(1)計算精度較好。

2.2.2試件的變形

 將本次試驗的12根試件數(shù)據(jù)按混凝土強(qiáng)度和箍筋形式分成4組作對比分析，各試件軸向壓力與豎向應(yīng)變（通過位移計采集）的關(guān)系曲線如圖6~9所示。結(jié)合表3和圖6～9可以看出，雙層箍筋試件除FY-9為脆性破壞外，其余各試件下降段平緩，均表現(xiàn)出良好的延性。橫向?qū)Ρ入p層箍筋各組數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，峰值荷載隨著混凝土強(qiáng)度的提高而提高，峰值應(yīng)變隨混凝土強(qiáng)度的提高而明顯降低�；炷�土強(qiáng)度相同的每組試件在線彈性階段的曲線吻合較好，峰

值荷載差異不大，下降段因配箍特征值的不同而存在差異，整體趨勢表現(xiàn)為試件的內(nèi)外層配箍特征值越高，試件的延性越好，與單層箍筋約束混凝土（FY-10~FY-12）的規(guī)律類似。

結(jié)合表3中各個試件的配箍特征值和應(yīng)變延性系數(shù)分析可知，F(xiàn)Y-9的配箍特征值與FY-8近似，但應(yīng)變延性系數(shù)卻相差較大，導(dǎo)致試件FY-9脆性破壞的因素可能包含以下幾點：1）在搬運鋼筋籠的過程中，F(xiàn)Y-9鋼筋籠局部鋼筋損傷而沒有及時發(fā)現(xiàn)，在下降段時因發(fā)生應(yīng)力集中導(dǎo)致鋼筋突然斷裂，造成整體的脆性破壞；2）在對中時出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致試件呈小偏心受壓而造成的脆性破壞。

  圖10為雙層箍筋約束試件（FY-1~FY-3）與其對應(yīng)單層箍筋約束試件（FY-10~FY-12）的對比荷載．應(yīng)變曲線�？梢钥闯鲈诜逯岛奢d之前，單層箍筋約束的荷載一應(yīng)變曲線與雙層箍筋約束的荷載一應(yīng)變曲線吻合度較高，而下降段時雙層箍筋約束曲線處于單層箍筋的上方且荷載下降速度明顯比單層箍筋約束試件的慢，這很好地說明了采用雙層箍筋的形式能夠較大程度上改善試件的延性。

 圖1 1為雙層箍筋各組試件的橫向變形系數(shù)(V)和縱向應(yīng)變均值(ε)的關(guān)系曲線。由圖11可知，在受壓初期不同混凝土強(qiáng)度試件的橫向應(yīng)變系數(shù)均在0~0.2的范圍內(nèi)上下波動，在達(dá)到峰值應(yīng)變的70%后，泊松比突然增長，這表明試件的內(nèi)部在70%峰值應(yīng)變時內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，箍筋開始發(fā)揮約束作用。結(jié)合2.1節(jié)的試驗現(xiàn)象，可還原雙層箍筋混凝土柱內(nèi)部裂縫的演變過程，即加載初期，試件內(nèi)部由于豎向變形較小而產(chǎn)生少量的微小裂縫，其橫向變形比較均勻。隨著荷載的增加，當(dāng)達(dá)到峰值荷載的70%左右時，內(nèi)部混凝土開始出現(xiàn)較多裂縫，隨之裂縫由內(nèi)向外擴(kuò)展，在達(dá)到80%峰值荷載時擴(kuò)展至混凝土表面，超過峰值荷載后裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，最終形成斜向破壞面。

 為探究雙層箍筋約束構(gòu)件整體應(yīng)變與中截面應(yīng)變均值的關(guān)系，以典型組試件( FY-1~FY-3)為研究對象進(jìn)行分析，將位移計測得的數(shù)據(jù)除以標(biāo)距再乘以106即可把位移轉(zhuǎn)化為微應(yīng)變，如圖12所示�？梢钥闯�，中截面應(yīng)變片的數(shù)據(jù)在圖像的上升段與位移計采集的數(shù)據(jù)吻合較好，在峰值荷載前后中截面應(yīng)變片出現(xiàn)“折回”段。這是由于當(dāng)軸力到達(dá)試件的極限承載力后，縱筋屈服，內(nèi)外層箍筋對核心混凝土的約束開始增長，保護(hù)層由于沒有箍筋的約束，表面的微小裂縫隨試件的豎向變形迅速開展、貫通，最后保護(hù)層翹曲、脫落。粘貼在混凝土表面的縱向應(yīng)變片隨保護(hù)層共同變形，由彈性階段時的壓應(yīng)力逐漸變?yōu)楸Ｗo(hù)層翹曲后的張拉應(yīng)力，與柱身的宏觀破壞過程相一致，延性越好對應(yīng)圖像中應(yīng)變片曲線的拐點越平滑。結(jié)合圖11,12可以看出，在試件表面粘貼應(yīng)變片能夠通過表面應(yīng)變的情況來揭示箍筋發(fā)揮約束作用的過程。

3  結(jié)論

 (1)雙層箍筋試件除FY-9外，其余試件在破壞過程中均顯示出良好的延性，證明試驗所設(shè)計的試件能夠在保證延性的同時減小柱子的截面尺寸，降低造價，有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

 (2)在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2010)定義基礎(chǔ)上，提出雙層箍筋約束混凝土柱極限承載力的計算公式，結(jié)果顯示計算峰值荷載與試驗峰值荷載之間的相對誤差在- 12. 5%~5.9%，計算精度較高，計算公式簡便，適合工程應(yīng)用。

 (3)雙層箍筋混凝土柱的配箍特征值對應(yīng)變延性系數(shù)影響較大，總體趨勢為隨內(nèi)外層配箍特征值的增大而提高，與單層箍筋約束混凝土的規(guī)律一致，而對峰值荷載的提高作用不明顯。

 (4)雙層箍筋混凝土柱的延性明顯優(yōu)于單層箍筋混凝土柱且保護(hù)層脫落不明顯，中截面應(yīng)變片測得的變形與柱身的宏觀變形相一致，應(yīng)變片曲線中的“折回”段亦能在一定程度上反映試件的延性。