箍筋约束混凝土柱承载力与抗震性能研究

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箍筋的约束作用可以有效提高约束混凝土柱的承载能力和变形能力。《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)引入HRB500热轧钢筋,《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》(GB1499.2-2018)引入HRB600级热轧钢筋,《预应力混凝土用钢棒》(GB/T5223.3-2005)将抗拉强度标准值为800、970 MPa和1270 MPa钢棒纳入其中。采用HRB500、HRB600热轧钢筋和PC钢棒作约束箍筋,既是推广应用强度相对较高的钢筋的途径,也是保证约束混凝土柱中强度相对较高的热轧钢筋的抗压强度得以充分发挥的有效手段。在一定体积配箍率范围内,应用强度相对较高的箍筋可以减少箍筋用量,简化施工;通过强度相对较高的约束箍筋对混凝土柱施加约束,可以有效提高约束混凝土的变形能力。不论轴压柱还是抗震柱,达到峰值荷载和极限荷载时箍筋强度能否充分发挥以及箍筋强度不能充分发挥时箍筋应力水平如何取值,是工程界所关注的热点问题;随着PC钢棒作箍筋的约束混凝土柱在工程中的应用,其抗震性能和抗震设计也逐渐成为工程界所关注的问题。因此,开展强度相对较高的箍筋约束混凝土柱承载力计算与抗震性能的研究,具有重要工程实用价值。本文主要开展如下工作:(1)完成了64个PC钢棒作箍筋的约束混凝土柱轴心受压试验。混凝土强度等级为C50、C60、C70、C80,体积配箍率为0.9%、1.2%、1.6%、2.0%,箍筋抗拉强度标准值为800 MPa、970 MPa,箍筋形式为圆形螺旋箍筋和网格式箍筋。试验结果表明,PC钢棒作箍筋的约束混凝土圆柱在轴向压力作用下呈现腰鼓形破坏或单折剪切形破坏,对于确定的混凝土抗压强度和箍筋抗拉强度,约束混凝土在体积配箍率较小时发生单折剪切破坏;体积配箍率较大时发生腰鼓形破坏。基于试验结果,建立了判别发生两种破坏的体积配箍率与箍筋拉应力之积这一指标分界值,并给出相应的计算公式。试验发现在其他设计参数相同的情况下,随着非约束混凝土强度的提高,体积配箍率的增加,约束混凝土达到抗压强度时箍筋拉应变降低;在其他设计参数相同的情况下,圆形螺旋箍筋约束混凝土柱达到峰值受压荷载时的箍筋拉应变大于网格式箍筋约束混凝土柱达到峰值受压荷载时的箍筋拉应变。建立了合理考虑非约束混凝土抗压强度、体积配箍率、箍筋形式的约束混凝土柱达到峰值受压荷载时箍筋拉应变统一计算公式,提出了达到约束混凝土抗压强度时箍筋能够屈服的体积配箍率上限值计算公式和取值建议。(2)基于115组HRB500、HRB600热轧钢筋和PC钢棒作箍筋的约束混凝土柱轴心受压试验结果,考察了非约束混凝土抗压强度、体积配箍率、箍筋屈服强度、箍筋形式等关键参数对HRB500、HRB600热轧钢筋和PC钢棒作箍筋的约束混凝土柱轴心受压承载力和变形能力的影响,提出了综合考虑非约束混凝土抗压强度、体积配箍率、箍筋屈服强度、箍筋形式、截面形式、截面尺寸、箍筋间距、箍筋肢距影响的混凝土峰值压应力和峰值压应变等计算公式;建立了合理考虑高强混凝土受压横向变形能力相对偏低,HRB500、HRB600热轧钢筋和PC钢棒作约束箍筋受拉屈服时要求混凝土横向变形相对较大等特点的适用于高、中、低约束程度的HRB500、HRB600热轧钢筋和PC钢棒作箍筋的约束混凝土受压应力-应变关系模型,提出了箍筋约束混凝土柱轴压承载力计算方法。通过收集的21组约束混凝土足尺柱轴心受压试验数据,通过引入约束效率系数合理考虑截面形式、截面尺寸、箍筋间距、箍筋肢距的影响,认为对于约束混凝土轴心受压足尺柱,可放宽相关规范对约束混凝土柱中箍筋最大间距的规定,按箍筋的具体间距计算确定箍筋约束对承载力的贡献。(3)完成了15个HRB500作纵筋、800 MPa级PC钢棒作箍筋的约束混凝土方柱拟静力试验。剪跨比为2、2.5、3,试验轴压比为0.1、0.2、0.3,混凝土强度等级为C50,纵筋配筋率为0.85%、0.95%、1.15%,体积配箍率为1.1%、1.47%、1.96%。试验发现,当达到峰值荷载时,约束箍筋强度未充分发挥;当达到极限位移(荷载下降至85%峰值荷载时的位移)时,约束箍筋仍未被拉断;试件在整个受力过程中表现出较好的承载力和变形能力。
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