区域约束混凝土轴心受压矩形柱受力性能研究.pdf

第30卷 第3期重 庆 建 筑 大 学 学 报Vol. 30No .3 2008年6月Journal of Chongqing Jianzhu UniversityJ un. 2008 区 域 约 束 混 凝 土 轴 心 受 压 矩 形 柱 受 力 性 能 研 究 3收稿日期2 25 作者简介 曹新明(62) ,男,副教授,主要从事结构工程研究。(2) x 曹新明1,杨力列2,朱国良1 (1.贵州大学 职业技术学院,贵阳 550003 ;2.贵州省建筑工程质量监督总站,贵阳 550003) 摘要:在试验研究基础上对区域约束混凝土(RCC)轴心受压矩形柱与复合约束混凝土(NCC)矩形柱进 行了对比分析,在同等配箍率情况下,在箍筋屈服以前,区域约束混凝土的约束效率经初步推断可提高 约50 % ,峰值前的区域约束混凝土柱应力应变关系更接近于线性;随着荷载的增加,复合约束混凝土柱 截面向圆形过渡,核心区内角部混凝土部分脱落,矩形方箍有应力松弛现象,而区域约束混凝土柱始终 保持截面为矩形,箍筋的应力一直保持持续增长,受力均匀;区域约束混凝土柱破坏形态也与复合约束 混凝土柱完全不同,在承载力下降段,当复合混凝土柱以剪压形式破坏时,区域约束混凝土柱沿中间弱 约束处分成细长的小柱,经过很大的变形后,小柱仍然保持很好的完整性,柱的残余承载力在40 %以 上,预计这种特点将会对结构的抗震性能产生良好的影响。 关键词:区域约束混凝土;约束效率;破坏形态;完整性;抗震性能 中图分类号:TU375. 3 文献标志码:A 文章编号:100627329(2008)0320083204 Mechanical Properties of Regional Confined Rectangular Concrete Columns under Axial Loads CAO Xin2ming , YANG Li2lie ,ZHU Guo2liang (1. School of Civil Engineering , Guizhou University , Guiyang 550003 , P. R. China; 2. Guizhou Construction Quality Supervision Station , Guiyang 550003 , P. R. China) Abstract :Based on experimentthatal results , we conclude that confinement in regional confined concrete(RCC) columns is more efficient than that in normal confined concrete(NCC)columns. As loads increase , NCC column sections tend to become round ; the corner concrete in the core area may break ; and , the strains of external stirrup s tend to drop slightly after the peak load.RCC columns , however , remained thoroughly rectangular and the stirrup strain increased steadily.The failure mode of RCC columns was totally different from t hat of NCC columns. While NCC columns tended to fail in shear , followed b a rapid drop in load carrying capacity , the RCC columns developed gaps in their midsections and the columns separated into several slender columns. After a long deformation perio d , the RCC columns retained approximately 40 %of their load carrying capacity. It can be expected t hat this characteristic may benefit the anti2seismic capacity of structures. Keyw ords : Regional co nfined concrete( RCC ) ;efficient ; failuremode;slendercolumns ;anti - seismic capacity 就矩形截面柱而言,传统的钢筋约束混凝土约束 方式强调对构件整体的约束,约束强度最高处为截面 的核心,典型约束配筋方式有螺旋箍筋、 井字箍筋 等 1 ,如图1 (a - e)所示。高层建筑下部的柱子由于所 受载荷很大,为了满足轴压比的要求,截面往往很大, 常常形成短柱。短柱的延性很差,一旦出现破坏,会造 成严重后果。为了解决短柱问题,又有了芯柱等构造 形式 2 (图1f),为了提高轴向抗压强度,降低构件截 面,台湾的尹衍 推出了一笔箍、 格网箍等多种配箍构 造方式 3 (图1 g - i)。 为了提高柱子在反复荷载作用下的抗剪性能,有 X形配筋(图5) ,天津大学李忠献等还推出了分体 柱 4(图 6),以降低柱子侧向刚度,提高抗震性能。 综合以上配筋形式,可以看到各有不足:1)传统约 束方式强度对构件整体的约束,约束强度最高处为构 件核心位置,我们知道,除轴心受力构件外,受力最大 8 :2007 11 1 :19 0E 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图1 矩形截面柱配筋形式 的位置不在截面的中部,因此,约束的有效性不足;2) 对于抗震结构,芯柱的配筋方式可以提高往复荷载作 用下的构件核心部位的承载力,但其施工复杂,且构件 中部配置的钢筋对非轴心受压下的构件承载力帮助不 大,材料性能得不到发挥;3)X形配筋只能改善构件延 性性能,对承载力没有贡献;4)分体柱能有效解决短柱 问题,但以牺牲承载力为代价,总的构件截面加大,造 成材料的浪费。 图2X形配筋 图3 分体柱 根据前期研究 5 ,纵向钢筋与箍筋对约束有同样 贡献:只有在合理配置及纵筋配筋率与箍筋配箍率相 互比例为0. 52时,约束效率最高。 基于合理布置约束钢筋以充分发挥约束效率的目 的及纵向钢筋与横向箍筋对混凝土约束有同样贡献的 原则,提出了区域约束的概念。图4为典型区域约束 混凝土柱配筋形式:利用纵向钢筋及横向箍筋将截面 分成若干个小约束区域,在每一个约束区域布置有纵 向钢筋及横向箍筋,组成钢筋骨架,对其所围合的混凝 土进行有效约束,各个约束区域又通过混凝土及约束 箍筋相互联系,形成区域约束与整体约束相结合,充分 发挥约束钢筋的作用,有效改善了约束混凝土的工作 性能。 图4 区域约束混凝土典型截面 由于约束机制改变,使得区域约束混凝土构件工 作性能及破坏形态与其它约束构造形式有了明显的不 同。为了充分了解这种约束情况下构件的工作机理, 推动区域约束混凝土结构向实际应用的转化,结合试 验情况对区域约束混凝土轴心受压情况下的工作性能 进行分析比较。 1 试验简况 对14个尺寸为250250500 mm的短柱进行 了对比试验,混凝土强度等级为C50 ,试验情况分析参 见文献4。 试验中发现,表层混凝土保护层首先退出工作,之 后,复合约束混凝土柱(有效约束)破坏先由角部开始, 当角部混凝土压碎脱落后,方箍应力松弛(从最大应变 2 500 下降到1 500 ,而峰值荷载时的应变为2 000 ),约束强度降低,混凝土有效面积迅速降低,中 部复合箍筋作用明显增加,承载力下降段截面向圆形 过渡,最后箍筋拉断;复合约束混凝土角部箍筋量小, 对纵向钢筋提供的支承不足,纵向钢筋较区域约束混 凝土柱中纵向钢筋容易失稳,从而导致构件承载力的 下降。再有,由于外围矩形箍筋应力松弛,约束力主要 由中部箍筋提供,所以,箍筋的破坏也基本上发生在中 部的复合箍筋中,仅有个别点由于纵筋失稳向外鼓曲 导致外围箍筋断裂。说明复合箍筋中箍筋受力是不均 匀的(见图5a ,图6a)。而区域约束混凝土破坏先从柱 中部开始,矩形箍筋的长边外突,而短边基本上不变 形,对角部混凝土形成了良好的约束作用,在承载力下 降段,角部混凝土保持良好的整体性,并阻止中间部分 混凝土破碎后脱落,柱子形状完整(见图5b ,图6b)。 图5 截面变形情况对比 2 受力分析 与复合约束柱最强的约束区在截面的核心不同, 区域约束柱的强约束区在4个角部。在4个角区,纵 向钢筋与箍筋形成的钢筋笼形成一个约束的主体,并 且该部分的箍筋量比柱四边中点位置的箍筋量大 一倍。 井字配箍柱箍筋由一方箍及两矩形箍组成,而区 域约束混凝土柱箍筋由四个矩形闭合箍组成。对于靠 近周边的混凝土,方箍在每边的自由长度均较大,其中 48重 庆 建 筑 大 学 学 报 第30卷 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图6 柱试验情况对比 部对混凝土的约束作用较小,而矩形箍有一个边的自 由长度小,短边的约束作用比方箍大。假设同一闭合 箍内两纵向钢筋之间形成拱作用,则有图7所示的y 方向箍筋对混凝土的横向约束分布形式。从中可以看 出,井字配箍约束混凝土柱约束应力在柱四边中部集 度大,角部小,而区域约束混凝土柱对混凝土的约束应 力两端大,中部小,此时,两者的配箍率相等。 图7 井字箍筋约束柱与区域约束柱横向约束应力分布 约束应力的具体分布情况受混凝土强度、 箍筋直 径等诸多因素影响,难于确定。 现通过箍筋屈服前的截面应力平衡对区域约束混 凝土柱与井字箍筋约束柱的约束效率进行分析。假设 在同样的轴向力作用下,混凝土横向变形相同,箍筋截 面面积As相同,则井字箍筋约束柱的1、2号筋在y方 向上产生的拉力为: T N y1= T N y2= Asy (1) 假设3号筋对其封闭区域外部混凝土没有约束贡献。 区域约束混凝土柱的1、2号筋在y方向上产生的 拉力为 TRy= TRy=y( ) 由 6 y =0,井字箍筋约束柱产生的横向约束力 的合力为: T N =2T N y1+2T N y2=4Asy (3) 而区域约束柱产生的横向约束力的合力为: T R =4T R y1+2T R y2=6Asy (4) 这里,上标N表示井字箍筋柱, R表示区域约束 柱,钢筋应力y。 当箍筋屈服,y= fy,于是 T R =6Asy=1.5T N (5) 说明在箍筋屈服前,区域约束混凝土箍筋的约束较井 字箍约束的效率高约50 %。 随着荷载的增加,箍筋逐渐进入屈服,对于井字箍 筋约束混凝土柱,当箍筋较密时,能阻止角部混凝土脱 落。随着变形的发展,井字箍中外圈箍筋逐渐向圆形 过渡,应力也趋于均匀,约束效率提高。当箍筋略为稀 疏时,角部混凝土脱落,有效截面损失,峰值承载力略 有下降。而区域约束混凝土柱的约束箍筋自始至终变 形持续发展,受力均匀,保持很高的约束效率。 图8 荷载2应变关系 图8为试验得到的两根复合约束混凝土柱及一根 区域约束混凝土柱荷载-应变关系图,图中NCC表示 复合约束柱, RCC为区域约束柱,箍筋间距分别为 50 mm及70 mm。 从图8中可以看出,在受力的初始阶段,复合约束 柱的应变值略比区域约束柱的大,但数值很接近,当承 载力达到70 %左右时,复合约束柱变形逐渐进入非线 性,到承载力峰值时,应变发展较快,而区域约束混凝 土柱在峰值前基本上保持线性,在接近承载力峰值时, 变形略为增加。 复合箍筋约束柱NCC - 50a峰值应变为0. 017 , NCC - 50b峰值应变为0. 028 ,而区域约束混凝土柱 RCC - 70峰值应变为0. 012 8 ,均远大于普通混凝土 极限应变 5 。 另外,由于复合约束对角部纵向钢筋的横向支持 力较小,容易导致角部纵向钢筋的屈服,提早退出工 作,从而降低柱子的承载力(图)。 58第3期 曹新明,等:区域约束混凝土轴心受压矩形柱受力性能研究 8 : 12 As2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图9 纵筋屈服示意 3 结论 区域约束混凝土作为一种新的结构形式,其力学 性能及破坏形态与传统约束混凝土均有不同。由于约 束机制的改变,使其受力性能得到有效改善。 1)与同样配箍率的井字箍筋配箍形式相比,在箍 筋屈服前,其约束效率约提高50 %; 2)复合约束混凝土柱伴随着约束区内角部混凝土 脱落,外围方箍的应力松弛,截面倾向于向圆形过渡, 而区域约束混凝土始终保持矩形截面不变,在承载力 后期,截面转化为几个细长的小柱,小柱的形态完整; 3)承载力峰值前区域约束混凝土柱基本上为线 性,有效提高了弹性设计范围混凝土强度取值(可以有 效利用约束后混凝土强度) ;区域约束混凝土柱的延性 性能很好,在承载力下降到峰值荷载的80 %时的应变 均在弹性极限应变的2倍以上,且当在应变达到0. 1 时,承载力仍然在峰值承载力的40 %以上,这种特点 预计会对结构抗震性能提供很大帮助; 4)经推论,区域约束混凝土柱的破坏形态有利于 解决结构抗震中短柱问题:在柱破坏阶段,柱子首先转 化为细长的小柱,柱子的抗弯刚度下降,变形能力提 高,吸收地震能量的能力提高,从而改善结构的抗震 性能。 参考文献: 1 ACI318295/ ACI318R - 95. 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