低配筋空心短柱承載能力及工程應(yīng)用研究

鄭建安

摘要：文章通過對(duì)低配筋空心短柱試樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，研究箍筋間距的變化對(duì)構(gòu)件承載力等力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：（1）試樣在加載前期表現(xiàn)為彈性變形，破壞形式主要分為端部V型破壞或中心剪切破壞;（2）箍筋數(shù)量與承載力成正相關(guān)，但是當(dāng)箍筋數(shù)量到達(dá)一定量時(shí)，極限承載力趨于穩(wěn)定;（3）實(shí)際工程可以結(jié)合承載能力與材料成本等方面綜合考慮箍筋的用量。

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土;低配筋;空心構(gòu)件;承載能力;箍筋

中圖分類號(hào)：U443.15⁺9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.044

文章編號(hào)：1673—4874（2020）11-0159—03

0引言

根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土等受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度主要控制因素為材料本身的強(qiáng)度和構(gòu)件形狀特性，材料本身強(qiáng)度的研究在過去的幾十年已經(jīng)取得較為顯著的成就，而大跨度和高層建筑促使著超高性能混凝土的快速誕生，其抗壓強(qiáng)度在外摻劑等輔助作用下能達(dá)到200MPa以上。由于超高性能混凝土具有強(qiáng)度高、延性高等優(yōu)異的性能，使得其使用范圍大幅擴(kuò)展，在材料性能得到提高的同時(shí)，為了節(jié)約材料和美化外觀，構(gòu)件的形狀也在逐步得到改進(jìn)，如構(gòu)件越來越輕薄或截面由實(shí)心改為空心等。

受傳統(tǒng)思想的束縛，超高性能混凝土構(gòu)件最初的設(shè)計(jì)形式多為實(shí)心狀，經(jīng)過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在鋼管超高混凝土實(shí)心構(gòu)件中，減少鋼筋和箍筋的用量，并不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的使用性能，還能節(jié)約大量的成本。橋梁等建筑中空心截面構(gòu)件與鋼管和FRP等材料結(jié)合使用能充分發(fā)揮材料的性能，且加入較高含量的鋼纖維后，材料的延性能得到巨大提升，此時(shí)去掉鋼套、降低鋼筋和箍筋用量不僅不會(huì)影響材料性能，還能提高施工的便捷性。

目前對(duì)于鋼管超高混凝土空心構(gòu)件，關(guān)于減少鋼筋和箍筋的用量對(duì)構(gòu)件性能產(chǎn)生的影響研究還很少見，本文設(shè)計(jì)含4根鋼筋的低配筋空心短柱研究箍筋間距的變化對(duì)構(gòu)件承載力等力學(xué)性能的影響，為實(shí)際工程提供理論支撐。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試樣設(shè)計(jì)

用于測(cè)量低配筋空心短柱承載力的試驗(yàn)采用的空心短柱截面尺寸為200mm×200mm、壁厚為30mm、高度為800mm，中空段高度為600mm，兩端各有100mm的含箍筋實(shí)心段。試驗(yàn)共設(shè)置三組試樣。試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下頁表1所示。

為了更加深入地了解低配筋空心短柱的性能，在試驗(yàn)開始之前，對(duì)本次試驗(yàn)所用的超高性能混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，制作3個(gè)立方體試樣和6個(gè)兩種尺寸的棱柱體試樣分別測(cè)量材料的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗折強(qiáng)度。結(jié)果顯示其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量分別為115MPa、28MPa和43Gpa。本次試樣所用試樣的材料配比如表2所示。在該配比基礎(chǔ)上，加入體積比為2%的鋼纖維，其長(zhǎng)度為8mm，直徑為0.12mm。

1.2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

將內(nèi)外模板和鋼筋籠布置好以后進(jìn)行試樣澆筑。鋼筋籠是由鋼筋和箍筋通過鋼絲綁扎而成。試樣澆筑完成后，進(jìn)行常規(guī)養(yǎng)護(hù)96h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28d。在試樣軸線位置上貼應(yīng)變片，用于測(cè)量在軸向荷載作用下試樣的變形和軸向應(yīng)變。應(yīng)變片位置及編號(hào)如圖1（a）所示。

將試樣放置在YAN-10000F壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。根據(jù)極限承載力理論計(jì)算，設(shè)置壓力機(jī)的檔位為5MN。保證將試樣放置在中心后進(jìn)行預(yù)加載，然后進(jìn)行分級(jí)加載，每級(jí)荷載大小為10%P（P為極限荷載），加載速率為180kN·min^-1，每級(jí)荷載加載時(shí)間持續(xù)120s，當(dāng)加載至90%P時(shí)，采用位移控制加載速率，速率設(shè)置為0.05mm·min^-1，直到試樣完全破壞后停止加載。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1破壞過程及應(yīng)變分析

A1組試樣形態(tài)在加載到50%P之前基本沒有變化;當(dāng)加載到60%P這一過程中，試樣端部出現(xiàn)掉渣和碎屑?jí)嚎s發(fā)聲的現(xiàn)象;繼續(xù)記載至70%P過程中，試樣端部開始出現(xiàn)肉眼可見的微小裂紋;當(dāng)加載到90%P時(shí)，裂紋數(shù)量明顯增多，且逐漸向試樣中心豎向擴(kuò)展;當(dāng)加載至P時(shí)，試樣發(fā)出爆裂聲，壓力機(jī)讀數(shù)快速下降，試樣端部出現(xiàn)較為明顯的V型破壞，如圖1（b）所示。這個(gè)時(shí)候試樣雖然明顯破壞，但是仍然保持完整性，并未脫落。A2組試樣的破壞形態(tài)與A1組試樣大致相同，區(qū)別在于端部出現(xiàn)裂紋的時(shí)間相對(duì)延后，試樣最終破壞時(shí)，端部的裂紋數(shù)量明顯增加。

A3組試樣破壞的過程與A1組和A2組試樣有所區(qū)別，主要在于加載至80%P時(shí)，試樣的端部和中部偏上一點(diǎn)的位置均出現(xiàn)了許多微小裂紋，當(dāng)加載至P時(shí)，試樣中部出現(xiàn)一條較為明顯的傾斜裂紋。

三組試樣的軸向應(yīng)變隨著荷載的增加而變化的情況如圖2所示。從圖中可以看出，當(dāng)加載到達(dá)70%P之前，試樣的變形主要是彈性變形，當(dāng)試樣破壞時(shí)，軸向應(yīng)變的范圍在25×10^-3～30×10^-3。在相同應(yīng)變下，A1組試樣荷載最小，A3組試樣荷載最大，A2組試樣居中，說明試樣抵抗變形的能力為A3>A2>A1，且A3組試樣應(yīng)變片s2和s4的曲線未從原點(diǎn)出發(fā)表明加載開始一段時(shí)間后該位置才開始產(chǎn)生變形。

將截面面積取為全截面面積時(shí)，極限荷載理論計(jì)算值為2342kN。極限荷載與截面面積之比表示極限應(yīng)力，三組試樣的極限應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值如表3所示。從表中可以看出，由于理論計(jì)算時(shí)，未考慮不同箍筋間距的影響，因此三種組別試樣的極限應(yīng)力和極限荷載理論值均相同，但是三組試樣的極限荷載實(shí)測(cè)值差別較大，A1組試樣低于50%的理論值，而A3組試樣與理論值十分接近，其大小關(guān)系為A3>A2>A1，與荷載一應(yīng)變曲線圖中的結(jié)果相一致，表明箍筋的增加對(duì)于提高低配筋空心短柱的極限承載力具有顯著的效果。

2.3箍筋間距分析

為了更加清晰地分析箍筋數(shù)量對(duì)試樣承載能力的影響，對(duì)A1組試樣中空段試驗(yàn)區(qū)域（長(zhǎng)度600mm）配制不同數(shù)量的箍筋，測(cè)得試樣的極限承載能力與箍筋數(shù)量的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，極限承載能力隨著箍筋數(shù)量的增加而增加，當(dāng)箍筋數(shù)量從0增加到6的時(shí)候，極限承載力增加較小，當(dāng)箍筋數(shù)量從6增加到12的時(shí)候，極限承載力增加非常明顯，但是當(dāng)箍筋數(shù)量超過12根以后，極限承載力上升基本停止，此時(shí)相對(duì)于未加入箍筋時(shí)，極限承載力上升了27.5%。從圖3還可以看出，當(dāng)箍筋數(shù)量處于6～12根時(shí)，上升的速率最大，說明存在一個(gè)最佳的箍筋數(shù)量區(qū)間，使得極限承載力效果最佳，實(shí)際工程中應(yīng)該考慮經(jīng)濟(jì)成本與材料承載能力的綜合性價(jià)比最高的箍筋數(shù)量配制。

2.4工程應(yīng)用分析

從以上的試驗(yàn)結(jié)果顯示，低配筋空心短柱在合理地選擇箍筋數(shù)量后能發(fā)揮出很好的承載能力，完全可以滿足工程需求，且在很大程度上節(jié)約了材料和經(jīng)濟(jì)成本，箍筋數(shù)量存在一個(gè)最佳區(qū)域，若構(gòu)件尺寸相似的情況下，范圍為50～100mm時(shí)，即箍筋數(shù)量為6～12根為最佳。該結(jié)果能為類似工程提供理論支撐。

3結(jié)語

本文對(duì)低配筋空心短柱試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：試樣在加載前期表現(xiàn)為彈性變形，破壞形式主要分為端部V型破壞或中心剪切破壞;箍筋數(shù)量與承載力成正相關(guān)，但是當(dāng)箍筋數(shù)量到達(dá)一定量時(shí)，極限承載力趨于穩(wěn)定;箍筋數(shù)量的最佳區(qū)域可以通過空心段長(zhǎng)度與箍筋間距進(jìn)行計(jì)算，在最佳箍筋配比下低配筋空心短柱能很好地滿足工程需求。