高強鋼筋混凝土柱小偏心受壓性能試驗研究

馬立成，史慶軒,2，王 朋,2，王秋維,2

(1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西，西安 710055；2.西安建筑科技大學結構工程與抗震教育部重點實驗室，陜西，西安 710055)

近年來，我國建筑業發展面臨結構調整和轉型升級的挑戰，普通鋼筋混凝土材料已難以滿足重載、大跨以及超高層結構實現節能減排的發展需求。因此，推動高強鋼筋和高強混凝土的應用，已成為我國建筑業發展的重要目標之一[1-4]。

美國和新西蘭等國家已推廣應用600 MPa 級及以上的高強鋼筋[5-6]，而中國《混凝土結構設計規范》(GB 50010-2010)[7]中鋼筋強度等級最高僅為500 MPa 級熱軋帶肋鋼筋。在我國，制約高強鋼筋廣泛應用的主要原因，除高強鋼筋的研發和生產問題外，與高強鋼筋相適應的結構設計理論仍不成熟也有很大程度的影響，甚至一些觀念還阻遏了高強鋼筋的推廣應用[8]?，F階段，江蘇天舜金屬材料集團有限公司已成功生產出HTRB630 級高強鋼筋，且已被納入我國有關標準[9]，但針對HTRB630 級鋼筋混凝土構件的受力性能和理論分析研究不足，相關工程應用鮮見報道。目前，國內學者針對高強鋼筋混凝土柱抗震性能進行了大量的試驗研究[10-17]，但有關高強鋼筋混凝土柱小偏心受壓性能試驗研究較少，高強鋼筋潛在的強度優勢在混凝土柱中能否充分發揮仍未定論。李義柱[18]、張建偉等[19]、戎賢等[20]進行了有關600 MPa級鋼筋混凝土柱小偏心受壓性能的試驗研究，結果表明：小偏心受壓柱撓度較小，破壞較突然，無明顯預兆，脆性破壞特征明顯，且小偏心受壓試件的變形能力受箍筋間距及其屈服強度影響較大。事實上，高軸壓比作用下，鋼筋混凝土柱易呈現小偏心受壓破壞，可見，對高強鋼筋混凝土柱小偏心受壓性能的研究應予以重視。

鑒于上述分析，本研究結合課題組前期高強箍筋約束混凝土的研究成果[21]，采用高強箍筋提升高強鋼筋混凝土柱的變形能力。通過HTRB630級高強鋼筋混凝土方形截面柱的小偏心受壓性能試驗，分析其破壞過程、破壞形態、承載能力等；在試驗研究的基礎上，澄清HTRB630 級鋼筋受壓強度發揮的定量問題?？紤]箍筋對混凝土的約束作用，提出HTRB630 級鋼筋混凝土柱小偏心受壓承載力計算公式，以期為該類構件的正截面承載力計算和規范修訂時提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

試件尺寸及配筋如圖1 所示，柱的截面尺寸350 mm×350 mm，設計混凝土強度等級為C50，縱向鋼筋采用HTRB630 級鋼筋，箍筋采用1100 MPa級高強箍筋。試件設計考慮的因素主要有配筋率、配箍率、箍筋間距和荷載偏心距。各試件設計一覽表見表1。為加強箍筋對混凝土的約束作用，箍筋形式為“一筆畫”井字復合箍筋；為便于偏心加載，柱端設置牛腿，并進行箍筋加密，以防止柱端先于測試區破壞；所有試件均采取平臥振搗方式澆筑，鋼筋骨架及模板如圖2 所示。

表1 試件主要設計參數Table 1 Main design parameters of the specimens

圖1 試件尺寸、配筋及測點布置 /mmFig.1 Details of column specimens and layout of the strain gauges

圖2 試件制作Fig.2 Configuration of the specimens

1.2 材料力學性能

鋼筋力學性能試驗方法按文獻[22]中的相關規定進行，每種規格鋼筋預留3 個標準試樣，試驗結果的平均值見表2。

表2 鋼筋力學性能Table 2 Mechanical properties of reinforcements

試件澆筑混凝土時，預留6 個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的標準立方體試塊，與試件在同一條件下養護，測得混凝土標準立方體抗壓強度的平均值為48 MPa，可求得混凝土軸心受壓強度平均值為31.06 MPa。

1.3 試驗裝置和加載制度

試驗在西安建筑科技大學結構與抗震實驗室進行，采用20 000 kN 液壓伺服壓力試驗機，加載裝置如圖3 所示。為便于偏心距控制，在端部設置刀口支座。

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Schematic view and photo of the test setup

所有試件均采用單調位移控制進行分級緩慢加載，每級加載位移為1 mm。為便于觀察試件損傷演化過程并確保每一級荷載下試件的損傷能夠充分發展，每級位移加載結束，間隔3 min～5 min觀察試驗現象。正式加載前，預加載100 kN，確保試件單向偏心受壓且數據采集穩定可靠。然后卸載，為保證試件穩定，卸載至30 kN，進行正式加載。當試件承載力明顯下降，達到破壞狀態時，停止加載，測試結束。

1.4 測試內容

測試內容主要包括鋼筋應變測試，試件豎向和橫向位移測試。在試件中部的3 道箍筋上布置應變片，每道箍筋設置7 個應變片；同樣，縱筋也布置3 道應變片。詳細的測點布置及對應的應變片編號如圖1 所示。沿柱高方向對稱布置5 個水平位移計，測量試件不同位置的側向撓度；在對應偏心方向兩側面分別布置2 個豎向位移計，以測量試件的豎向變形；在垂直于偏心方向的一側布置3 個豎向位移計，便于測量試件的彎曲變形。具體的位移計布置如圖4 所示。

圖4 試件位移計布置 /mmFig.4 Layout of the LVDTs

2 試件破壞現象和破壞形態

試驗加載初期，荷載較小，沒有明顯的可觀現象；當荷載增加至約峰值荷載的30%時，試件受拉側出現微小橫向裂縫，隨著荷載增加，已有橫向裂縫延伸，裂縫寬度增大，新的橫向裂縫不斷涌現；當荷載增加至約峰值荷載的80%時，試件受壓側出現微小豎向裂縫，進一步加載，受壓側豎向裂縫沿柱高方向延伸，裂縫數量增多，寬度變大，受拉側橫向裂縫進一步延伸；當荷載增加至峰值荷載時，試件側向撓曲變形肉眼可觀，受壓側豎向裂縫數量進一步增加，混凝土保護層局部起皮掉渣，受拉側水平裂縫基本貫通，裂縫數量基本不再增加；隨著軸向位移進一步增加，試件側向撓曲明顯，受拉側橫向裂縫繞過試件角部向受壓側延伸，受壓側混凝土保護層呈板狀翹起，角部保護層混凝土剝落，鋼筋外露，受荷過程中伴隨著混凝土破壞發出的“咔嚓”聲。最終破壞形態如圖5 所示。由圖可以看出，所有試件均呈現小偏心受壓破壞。

圖5 試件的破壞形態Fig.5 Failure modes of the specimens

3 試驗結果及分析

3.1 荷載-撓度關系曲線

試件的實測荷載-半高處撓度曲線對比如圖6所示。由圖6 可知，加載初期，試件半高處撓度隨著荷載增大呈線性增長，處于彈性工作狀態；當荷載增加至約峰值荷載的80%時，由于保護層混凝土裂縫數量增多，試件剛度略有下降；峰值荷載后，受壓側混凝土保護層剝落，受拉側橫向裂縫變寬，試件剛度由正值變為負值，荷載進入下降段，但由于箍筋對核心混凝土提供了有效的約束作用，延緩了核心混凝土強度衰減速率，試件承載力下降緩慢。

3.2 荷載-鋼筋應變關系曲線

試件的實測荷載-半高處縱筋應變關系曲線如圖7 所示。加載初期，縱筋與混凝土共同承受豎向荷載，鋼筋應變隨著荷載增加呈線性增長；加載中期，部分保護層混凝土退出工作，荷載增長速度減緩，鋼筋應變隨著荷載增加呈非線性增長；加載后期，大部分保護層混凝土退出工作，核心混凝土軟化，截面中性軸偏向受壓側，試件承載力基本不再增加，鋼筋應變迅速增長。

圖7 荷載-縱筋應變關系曲線Fig.7 Load-strain of longitudinal bars

當荷載達到峰值承載力時，所有試件的5 號、6 號、7 號縱筋應變超過了屈服應變，受壓側保護層混凝土脫落，1 號、2 號、3 號縱筋應變沒有達到屈服應變，試件的破壞模式為典型的小偏心受壓破壞。在最初加載階段，受拉側1 號、2 號、3 號縱筋應變出現負值的主要原因是，所有試件均為小偏壓受荷，當荷載較小時，試件處于全截面受壓狀態，故出現了壓應變。不難發現，試件的8 號縱筋應變在峰值荷載前呈現壓應變，峰值荷載后壓應變隨著荷載增加而減小，最后甚至呈現拉應變。究其原因，峰值荷載前，截面中性軸處于1 號與8 號縱筋之間，試件沒有明顯的損傷，中性軸位置基本保持不變，8 號縱筋處于受壓狀態，因此呈現壓應變，峰值荷載后，混凝土軟化，中性軸沿偏心方向遠離8 號縱筋，其壓應變隨著中性軸偏離而減小，最終由壓應變轉為拉應變。對比試件PZ5 和其他試件可知，在初始受荷階段，受拉側縱筋出現壓應變的現象隨荷載偏心距的增大而減弱。

縱筋應變測試結果表明，HTRB630 級鋼筋混凝土柱在小偏心受荷作用下，受壓側鋼筋強度優勢能夠充分發揮，且有一定的塑性變形能力，可用于鋼筋混凝土小偏心受壓構件配筋設計。

試件的實測荷載-半高處箍筋應變關系曲線如圖8 所示。由圖8 可知，試件承載力達到峰值時，箍筋均未屈服，但箍筋為核心混凝土提供了有效的約束作用，有助于延緩承載力衰減，提升小偏心受壓構件的變形性能。

圖8 荷載-箍筋應變關系曲線Fig.8 Load-strain of transverse bars

3.3 參數分析

1) 配筋率

由圖6(a)可知，提高配筋率，能夠明顯增加試件的初始剛度。其原因是，增加配筋率，初始受荷時，在相同荷載作用下，高配筋率試件的受拉側鋼筋應變較小，試件剛度增加。然而，峰值荷載后，曲線的下降段沒有明顯變化，這是因為，加載后期，試件的變形能力主要受混凝土變形控制。當然，試件PZ6(縱筋配筋率為1.96%)與試件PZ1(縱筋配筋率為1.50%)相比，其承載力提高了6.92%。

2) 偏心距

由圖6(b)可知，增大偏心距，試件的承載力明顯減小。通過全曲線分析可以發現，在峰值承載力前，偏心距大的試件剛度退化較快，而下降段剛度退化較緩慢。其原因是，偏心距增大，截面相對受壓區高度減小，在相同荷載作用下，偏心距大的試件受拉側鋼筋應變較大，試件剛度退化較快，而峰值荷載后，偏心距大的試件受壓側混凝土破壞較晚，故峰值后剛度退化緩慢。

3) 配箍率

由圖6(c)可知，隨著配箍率增加，試件的承載力提高，試件PZ4 與試件PZ3 相比，承載力提高了8.44%，而試件PZ3 和試件PZ2 相比，承載力僅提高了2.82%，但在一定程度上提升了試件的變形能力?？梢?，提高配箍率能夠保證箍筋給核心混凝土提供有效的約束作用，從而提高了混凝土抗壓強度，延緩了核心混凝土強度衰減速率，使得試件荷載-半高處撓度曲線更為平緩。但配箍率超過1.50%時，其對承載力的影響并不明顯。

4) 箍筋間距

由圖6(d)可知，在配箍率相差不大的情況下，密配小直徑箍筋較疏配大直徑箍筋承載力高，下降段更為平緩。其主要原因是，減小箍筋間距，削弱了箍筋約束混凝土的弓弦效應[23]，使核心混凝土在柱高方向得到了良好的約束，改善了試件的受力性能。

3.4 小偏心受壓正截面承載力計算

3.4.1 荷載-彎矩關系曲線

為了評估現行規范對HTRB630 級鋼筋混凝土小偏心受壓柱的正截面承載力計算方法的適用性，采用XTRACT 纖維截面分析軟件，輸入與現行規范相一致的材料本構，求得荷載-彎矩關系曲線如圖9 所示。由圖可知，現行規范低估了HTRB630級鋼筋混凝土小偏心受壓柱正截面承載力。

圖9 偏心受壓柱荷載-彎矩關系曲線Fig.9 Load-bending moment interaction of eccentrically compressed column

事實上，試驗結果表明箍筋對試件承載力有明顯影響，因此，需要考慮箍筋對核心混凝土的約束，給出HTRB630 級鋼筋混凝土小偏心受壓柱的正截面承載力計算方法。參照Mander 箍筋約束混凝土本構，按文獻[24]對Mander 本構進行修正。修正的原因是，Mander 本構按箍筋的屈服強度來計算約束混凝土強度，而本文選用高強箍筋，試件承載力達到峰值時，箍筋未屈服。修正計算式如下：

式中：fcc、fco分別為約束混凝土與非約束混凝土的軸心抗壓強度；k2為有效約束系數；bc為核心混凝土邊長；s為箍筋間距；sl為相鄰縱筋間距；ρsv為體積配箍率；fyv為箍筋屈服強度。

將修正后的箍筋約束混凝土本構輸入XTRACT纖維截面分析軟件，求得荷載-彎矩關系曲線如圖9 所示。由圖9 可知，計算結果與試驗值較為接近，且偏于保守。其中，計算結果高估了試件PZ2的承載力，其原因是，試件PZ2 配箍率較高，但箍筋對混凝土強度提高有限，式(1)高估了約束混凝土強度。為此，當1100 MPa 級箍筋配箍率超過1.50%時，建議式(1)按照1.50%考慮。按照1.50%考慮后，其余參數不變，求得約束混凝土強度fcc為58.36 MPa，承載力試驗值與計算值之比為1.03。

3.4.2 承載力計算方法

基于XTRACT 纖維截面分析軟件，考慮箍筋對核心混凝土的約束作用，可較為準確地求得HTRB630 級鋼筋混凝土柱小偏心受壓承載力，但纖維截面分析不便于工程設計，有必要給出便于工程應用的承載力計算方法。為此，考慮箍筋對核心混凝土的約束作用，由式(1)和式(2)求得箍筋約束混凝土強度后，可參照《混凝土結構設計規范》[7]計算HTRB630 級鋼筋混凝土小偏心受壓柱正截面承載力。計算簡圖如圖10 所示，計算式如下：

圖10 小偏心受壓柱截面應力-應變簡圖Fig.10 Stress-strain diagram of the columns section under small eccentric loading

計算結果見表3。由表3 可知，計算結果與試驗值較接近，且偏于保守，Nue/Nuc平均值為1.09，變異系數為0.033。3.2 節表明：HTRB630 級鋼筋受壓應力達到了實測屈服強度，式(5)～式(8)中εcu取0.0033，基于平截面假定，求得＞595 MPa。

表3 峰值荷載試驗值與計算值比較Table 3 Comparison of calculated and experimental values of bearing capacity

4 結論

通過6 根高強鋼筋混凝土方形截面柱的小偏心受壓試驗，分析了配筋率、配箍率、箍筋間距和荷載偏心距等因素對試件破壞過程、破壞形態和變形能力的影響，所得結論如下：

(1) HTRB630 級鋼筋混凝土小偏心受壓柱與普通鋼筋混凝土小偏心受壓柱的破壞形態基本相同，受壓區HTRB630 級鋼筋能夠達到屈服強度，且塑性變形能夠充分發揮。

(2) 提高1100 MPa 級箍筋的配箍率，可提升HTRB630 級鋼筋混凝土柱小偏心受壓承載力；當配箍率超過1.50%時，對試件承載力提高不明顯，但能在一定程度上改善試件的變形能力。

(3) 考慮1100 MPa 級箍筋對核心混凝土的約束，提出的HTRB630 級鋼筋混凝土柱小偏心受壓承載力計算方法能夠較為準確地預估試件承載力，且偏于保守，可為該類構件正截面設計和規范修訂時提供參考；為保證箍筋能夠給混凝土提供足夠的約束作用，箍筋間距不應超過80 mm。