四螺箍约束钢筋混凝土方形柱抗震性能研究.pdf
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1、将螺旋箍筋应用于钢筋混凝土方柱,通过合理的横向箍筋配置形式,不仅便利施工,还可有效地减小构件侧向约束不均匀的“拱效应”,提高其承载能力和变形能力,增强其抗震性能。基于此,对新型四螺箍约束钢筋混凝土方柱的抗震性能进行了试验研究与有限元分析。试验结果表明:水平低周反复荷载作用下,四螺箍约束钢筋混凝土方柱主要表现为弯曲破坏,其特征为在构件底部1/3高度以下形成弯曲网状裂缝;与传统单螺旋箍筋约束钢筋混凝土方柱构件相比,体积配箍率较小的四螺箍约束钢筋混凝土方柱仍能表现出更高的承载力、延性和耗能能力;纵筋率对四螺箍约束构件的抗震性能指标影响较大。有限元分析结果表明,随着四螺箍约束构件径宽比的增大,其承载力
2、提高,但变形能力降低,刚度退化现象更为严重。关键词:螺旋箍筋;钢筋混凝土方柱;抗震性能;复合约束;有限元分析中图分类号:TU528济,莫琳琳,陈宗平1,3文献标识码:AStudy on seismic performance of square reinforced concretecolumns with four interlocking spiralsStructural Safety of Ministry of Education,Nanning 530004,China)QIN Longshou-2,CHEN Jianwei,ZHOU Ji,MO Linlin,CHEN Zongp
3、ing1,3(1.College of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University,Nanning 530004,China;2.Guangxi Hualan EngineeringManagement Corporation,Nanning 530012,China;3.Key Laboratory of Disaster Prevention andAbstract:The seismic performance and construction automation of square reinforced concrete
4、 columns would beenhanced through the application of transverse reinforcement configuration containing spiral stirrup,which canweaken the arch effect of non-uniform lateral confining stress distribution and thus improve the load bearing capacityand deformation capacity of the specimen.This paper inv
5、estigated the seismic performance of a newly proposedinterlocking multi-spiral reinforced square composite column(IMSRSCC)experimentally and numerically.Theexperimental results indicated that all specimens under composite confinement exhibited similar flexural failuremode with web-like shear cracks
6、forming at the bottom of 1/3 height of entire specimen.Compared with conventionalsingle spiral reinforced square composite column(SSRSCC),the load bearing capacity,deformation capacity andthe energy dissipation capacity of IMSRSCC even with a slightly smaller volumetric ratio of transverse reinforce
7、mentwas improved,as well as the degradation speed of strength and stiffness was slower.The effect of longitudinal ratioon the seismic performance of IMSRSCC was significant.Increasing D,/B,can contribute to improving the ultimatebearing capacity of IMSRSCC,while the ductility and stiffness decreased
8、.收稿日期:2 0 2 2-0 3-2 1;修回日期:2 0 2 2-0 8-0 9基金项目:国家自然科学基金项目(5157 8 16 3);广西科技基地与人才专项(桂科AD21075031);广西八桂学者专项研究项目(2 0 197 9号);中央引导地方科技发展项目(桂科ZY21195010)Supported by:National Natural Science Foundation of China(51578163);Guangxi Science and Technology Base and Talent Special Project(AD21075031);Bagui Sch
9、olars Special Funding Project(2 0 19 7 9);Ce n t r a l G o v e r n m e n t Pr o j e c t f o r G u i d a n c e o f Lo c a lScientific and Technological Development(ZY21195010)作者简介:覃龙寿(198 4),男,高级工程师,硕士,主要从事钢-混凝土组合结构研究。E-mail:通讯作者:陈宗平(197 5),男,教授,博士,主要从事钢-混凝土组合结构研究。E-mail:第3期Key words:spiral stirrup;s
10、quare reinforced concrete column;seismic resistance;composite confinement;finiteelement analysis覃龙寿,等:四螺箍约束钢筋混凝土方形柱抗震性能研究1070引言将螺旋箍筋配置于约束混凝土柱中,具有承载力高、抗震性能好和施工便利的优势1,且核心混凝土与外部混凝土的协同工作性能较好,螺旋箍筋与混凝土的界面性能较优,避免了核心混凝土与外部混凝土产生截面分离,从而造成混凝土保护层的较快开裂剥落2。然而,在工程实践中,混凝土方柱与混凝土圆柱相比更易于支撑模板和浇筑,但单个螺旋箍筋难以对方形截面的4个角部形成有效
11、约束3,对此,已有学者对钢筋混凝土方柱的横向箍筋配置形式开展了大量研究。尹衍梁等4-5将五联锁螺旋箍筋配置形式应用于钢筋混凝土方柱中,并针对此种五螺箍方柱进行了轴压试验,研究了不同螺旋箍筋直径组合对试件力学性能的影响;翁正强等6 和WENG 等7 进一步将此种箍筋配置形式应用于型钢混凝土中,通过试验对五螺箍型钢混凝土方柱的抗震性能进行了研究;基于相似的概念,翁正强等8 和SHIH等9提出了一种圆形-星形螺旋箍筋联锁的横向钢筋配置形式。上述研究结果均表明:相同用钢量情况下,配置上述横向箍筋的混凝土方柱均表现出更强的承载能力和变形能力。但由于所配置的螺旋箍筋大小不一、形状复杂,不利于自动化预制,且
12、极易导致节点处构造过于复杂,耗时耗力。基于此,JING等10 提出了施工能更优的横向钢筋配置形式,由外部方形箍筋、拉筋和分别位于4个角部的螺旋箍筋组成。虽然此种配筋形式便于预制和运输,但由于缺少内设纵筋的联锁区域,配置此种箍筋形式的混凝土方柱通常缺乏足够的抗弯及抗剪能力。另外,针对钢混凝土组合方形柱,丁发兴等1、肖建庄等12 提出了多种内置增强措施以提高此类组合柱的侧向约束效率,然而,,在核心混凝土侧向膨胀及轴向压力作用下,外部钢管处于拉-压双向应力状态,同时,钢管的局部屈曲亦会导致其对核心混凝土侧向约束作用的削弱。为进一步增强侧向约束力,WANG等13将复材管约束核心内置于钢筋混凝土方形柱中
13、,实现了混凝土柱性能的显著提升,但由于复材管与核心混凝土的界面粘结性能较差,在地震荷载作用下极易产生分缝破坏。鉴于上述情况,本文提出了一种新型四螺箍约束钢筋混凝土方柱,将4个螺旋箍筋并束联锁与外部方形箍筋进行组合,扩大对核心混凝土有效约束面积的同时,利用螺旋箍筋减小侧向约束分布不均匀的“拱效应”。并通过试验与有限元对其极限承载力、延性、耗能、强度及刚度退化等抗震性能指标进行分析,以期为此类复合约束钢筋混凝土方柱的工程应用提供参考。1试验概述1.1试验设计本文共进行了5个试件的水平低周反复加载试验,其中四螺箍约束钢筋混凝土方柱试件4个,传统单螺旋箍筋约束钢筋混凝土方柱试件1个。试件钢筋笼的组装过
14、程如图1所示,首先将2 个螺旋箍筋相互嵌人组装成对,并在其交集联锁区域插入纵筋进行绑扎,然后按相似步骤再组装另一对螺旋箍筋,形成四螺箍联锁结构,最后将螺旋箍筋笼内置于外部矩形箍筋笼中以构成完整钢筋笼。试验考虑的变化参数包括:横向钢筋配置形式、纵筋率(纵筋直径)、螺旋箍筋体积配箍率和螺旋箍筋间距。截面形式与试件详细尺寸如图2 所示。其中四螺箍约束钢筋混凝土方柱的螺施箍筋间距包含3个水平,即:40、8 0、10 0 mm。所有试件高度和截面边长分别为10 50、2 50 mm,保护层厚度均为2 0 mm,外部方形箍筋体积配箍率均设置为1.4%,即:直径和间距分别为6、40 mm。螺旋箍筋直径均设为
15、6 mm,底座尺寸为10 0 0 mm600mm450mm。表1与表2 分别给出了钢筋与混凝土的力学性能,表3给出了试件编号与具体设计参数,通过对比I80-12和S40-12可分析相同用钢量下四螺箍约束钢筋混凝土方柱与传统单螺旋箍筋约束钢筋混凝土方柱的抗震性能差异。表1混凝土力学性能Table 1 Mechanical properties of concrete混凝土立方体抗压强度等级强度/MPaC5049.63圆柱体抗压强度/MPa37.71弹性模量/GPa34.50108地震工程与工程振动第43卷(a)工序1400A00K(b)工序2图1钢筋笼组装流程Fig.1Fabrication p
16、rocess of steel cage000S8大(c)工序3400250(z1-081)08195250375(a)单螺旋箍筋约束钢筋混凝土方柱Fig.2Dimension and reinforcement design of specimensTable 2Mechanical properties of reinforcement钢筋类型直径/mmHRB40012HRB40013HRB40014HPB300(螺旋箍筋)6HPB300(方形箍筋)6250375375(b)四螺箍约束钢筋混凝土方柱图2 试件尺寸及配筋表2 钢筋力学性能屈服强度/MPa极限强度/MPa415.19604.9
17、3396.42579.86412.99552.90364.85546.88364.13569.64250375110(c)截面尺寸单位:mm弹性模量/CPa屈服应变/u82072349222227221322812072.3781952200表3试件设计参数Table 3Specimen design parameters试件编号螺旋箍筋间距/mm160-1260180-1280140-1340140-1440S40-1240注:试件编号中字母1为四螺箍约束钢筋混凝土方柱;字母S为传统单螺旋箍筋约束钢筋混凝土方柱;字母后所接数字为箍筋间距(mm);横线后所接数字为纵筋直径(mm)。纵筋直径/m
18、m1212131412纵筋率/%2.92.93.63.92.9螺旋箍筋体积配箍率/%1.71.32.62.61.4总体积配箍率/%2.52.23.03.02.2第3期1.2试验装置和加载方案试验采用2 0 0 0 kN液压千斤顶提供竖向荷载(8 37.5kN),加载过程中竖向荷载维持恒定,使试件轴压比均为n=N/(f.A。+f.A.)=0.2 7,其中,N为竖向荷载,f。和f,分别为混凝土抗压强度和纵筋届服强度。采用50 0 kN电液伺服作动器于试件150 0 mm高度处施加水平荷载,加载装置如图3所示。本试验中,千斤顶与反力梁间设置滚动球铰装置,以确保所施加水平荷载范围内竖向荷载保持恒定,并
19、保证千斤顶与反力梁间摩擦系数小于0.0 1。同时,使用钢梁及螺栓将试件基座固定于试验台上,以确保基础不出现滑移。根据JGJ/T101一2 0 15建筑抗震试验规程14,采用如图4所示的荷载-位移混合控制加载制度,即:在试件达到屈服荷载前,采用荷载控制的分级加载方法,以10 kN为荷载增量,每级循环一次。试件屈服后进人位移控制加载阶段,以屈服位移为增量,每级循环3次,当水平承载力下降至极限承载力的8 5%时停止试验。作动器液压千斤顶刚性反力墙固定钢梁图3加载装置Fig.3 Test setup覃龙寿,等:四螺箍约束钢筋混凝土方形柱抗震性能研究钢架试件109位移24yFy力-F-24力控阶段图4加
20、载制度Fig.4Loading system1循环2 循环3循环加载方案-4位移控制阶段2试验结果与分析2.1试件破坏过程与形态在水平低周反复荷载作用下,四螺箍约束钢筋混凝土方柱与传统配箍钢筋混凝土方柱的破坏过程、裂缝发展及破坏形态基本一致,如图5所示。当试验位移角达到0.47 0%时,试件底部开始出现细微受弯裂缝;随着水平荷载增加,位移角达到1.17%时,试件角部开始出现水平裂缝,并朝试件中部横向和斜向扩展,另外,此阶段试件正负加载方向均达到极限荷载,底部纵筋达到屈服;位移角达到2.0 58%时,裂缝进一步斜向扩展,裂缝扩展区域随着位移角的增加而增加,从而在试件底部1/3高度以下区域形成网状
21、弯曲裂缝,此时,伴随着粘结裂缝的产生,试件底部混凝土保护层开始剥落;位移角达到3.2 35%时,混凝土保护层开始沿斜向裂缝剥落,试件底端靠近角部混凝土被严重压溃。回楼混凝土剥落(a)位移角 1.17%(b)位移角2.0 8 5%图5加载过程中典型试件损伤状况Fig.5Damage condition of typical specimens during the loading process图6 为各试件最终破坏形态对比,由图可知,所有试件最终破坏形态均以底部混凝土保护层压溃剥落以及网状弯曲裂缝的形成为特征。与传统单螺旋箍筋约束混凝土方柱相比,本文所提出的四螺箍约束钢筋混凝土方柱的核心混凝土
22、完整性保持得更好,且横向裂缝数量更少,表明相同体积配箍率下,四叶草式螺旋箍混凝土压溃(c)位移角3.2 35%110筋与方形箍筋的复合约束可更有效地限制核心混凝土的侧向膨胀。通过对比图6(a)、(c)、(d)、(e)可知,减小螺旋箍筋间距和增大纵筋率,均可使侧向约束分布趋于均匀,从而减少水平往复荷载作用下钢筋混凝土试件的塑性损伤。地震工程与工程振动第43卷(a)180-122.2滞回曲线图7 为各试件的加载全过程荷载-位移滞回曲线,由图可知,各试件的滞回曲线形状相似且较为饱满。在荷载控制的初始加载阶段,滞回环纤细而狭长,表明此时试件尚未达到屈服,钢筋与混凝土间的粘结良好,试件近似为弹性状态;随
23、着位移角增加,由于试件底部裂缝的出现,骨架曲线斜率逐渐变小,表现出非线性;在位移控制的加载阶段,随着试验位移角的进一步增加,钢筋进人强化阶段,滞回环面积逐渐增大饱满,滞回曲线未表现出明显捏缩现象;当骨架曲线峰值出现时,试件底部塑性角区域混凝土保护层明显剥落,随着塑性损伤的积累,骨架曲线开始下降。层间位移角/%2002 8-29-2 0-10 10.9.8150100500-50-100-150-20040-302010010203040侧移/mm(a)180-122003.82.92.01.00.01.0 2.0 2.9 3.8150100500-50-100-150-20040302010
24、010203040侧移/mm(d)140-14图7 各试件滞回曲线Fig.7Hysteresis curves of all test specimens2.3骨架曲线图8 为各试件的骨架曲线,由图可知,5个试件的骨架曲线形状均表现为“S”型分布,可分为4个工作阶段:线弹性阶段、弹塑性阶段、屈服阶段和失效阶段。从图8(c)可看出,纵筋直径对试件骨架曲线影响显著,(b)S40-12Fig.6 Final failure patterns of all specimens200-3.8-29-2.0-10 0.0 1.0 2.0 2.9 3.8150100500-50极值点-100屈服点-150-
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