重复荷载作用下箍筋约束混凝土T形柱性能

王晓伟， 李政儒

(河北工业大学 a. 土木与交通学院； b. 河北省土木工程技术研究中心， 天津 300401)

T形截面柱作为异形柱的一种，柱肢与墙同厚，具有室内不露柱楞、美观实用、有效提高房屋空间利用率等优点，应用前景良好。但T形柱因截面形状不规则，力学性能较传统矩形柱有很大差异，变形能力差且易发生脆性破坏，通过配置适量箍筋可对T形柱核心混凝土进行有效约束，改善其受力性能。

1903年Consider首次提出利用螺旋箍筋约束混凝土并进行研究，之后的100多年里国内外学者对此做了大量研究，提出了许多经典模型[1～7]，认为影响箍筋对核心混凝土约束效果的主要因素为箍筋间距、箍筋强度、配箍形式和配箍特征值，但上述研究主要集中在配置普通箍筋、螺旋箍筋和复合箍筋的矩形、圆形截面构件。目前国内外关于T形柱的大部分研究主要集中在承载力、节点及抗震性能等方面[8～10]。文献[11～13]通过单调轴心受压试验研究了箍筋约束混凝土T形柱约束混凝土的强度、变形与配箍特征值的关系，但目前尚未见轴心受压重复荷载作用下箍筋约束混凝土T形柱受力性能的研究。

结构构件在实际使用期间可能会承受荷载随机或有规律地多次重复加卸作用，因此本文通过箍筋约束混凝土T形柱轴心受压重复荷载试验研究T形柱的受力性能，分析试件的破坏过程及特征，研究不同配箍对试件的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、刚度退化及延性的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

图1 试件设计尺寸及配筋/mm

1.2 材料性能

参考GB/T228.1-2010《金属材料室温拉伸试验方法》[14]，测得纵筋屈服强度为380.0MPa，极限强度为544.2MPa，弹性模量为2.16×105MPa；箍筋屈服强度为460.0MPa，极限强度为656.3MPa，弹性模量为2.10×105MPa。

混凝土原材料采用42.5级普通硅酸盐水泥、优质河砂、细石(粒径5～10mm)、高效减水剂(减水率≥15%)。参照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》[15]，设计配合比为水泥∶砂∶碎石∶水∶减水剂=390∶880∶950∶180∶2(kg)。每个试件均预留150mm×150mm×150mm的立方体试块和150mm×150mm×300mm的棱柱体试块，测得各试件的混凝土立方体抗压强度fcu、混凝土轴心抗压强度fc如表1所示。根据实测结果计算的各试件配箍特征值λv(λv=ρv×fyv/fc，fyv为箍筋屈服强度)如表1所示。

表1 试件实测参数

1.3 测点布置

钢筋应变片布置如图2所示。浇筑试件前，在纵筋中部预埋应变片6片，位置如图2a所示；在中间三层箍筋上共预埋应变片18片，其中第一、三层应变片位置如图2b所示，第二层应变片位置如图2c所示。在试件中部对称布置2组共4个YWD-100型位移计测量其横向变形，布置如图3a所示；在试件中部布置2个YWD-100型位移计测量其纵向变形，测量标距为240mm，布置如图3b所示。试件的横向变形取两组横向位移计测量结果的平均值，纵向变形取两个竖向位移计的平均值。

图2 钢筋应变片布置

图3 位移计布置/mm

1.4 加载装置及加载制度

试验在河北工业大学土木工程实验中心的5000kN电液伺服压力试验机上进行。加载装置示意图如图4所示，加载前对试件进行调平对中，保证轴心受压。全程采用位移加载，加载过程中上压板保持静止，下压板随千斤顶的上升对试件施加轴向荷载。T1～T5采用等应变增量的重复完全加卸载，每次加载至预定应变值后全部卸载至应力为零，再加载至包络线，预定应变值按等应变增量(Δε=1×10-3)控制；T6采用单调轴心受压加载方式。

图4 加载装置

2 试验结果及分析

2.1 试验过程及破坏特征

重复荷载作用下试件骨架曲线、试件横向应变、纵筋应力-应变包络线以及箍筋应力-应变包络线示意图如图5所示。结合图5分析重复荷载作用下试件破坏过程如下：

图5 重复荷载作用下试件的骨架曲线、横向应变、纵筋及箍筋的应力-应变包络线

(3)随着荷载循环次数的增加，试件横向应变急剧增长，达到7000×10-6～8000×10-6时，核心混凝土膨胀导致箍筋屈曲、外鼓。对配箍特征值较小的试件，相邻裂缝延伸并连接，之后缝间混凝土被压碎，形成斜向破坏面；对配箍特征值较大的试件，原有纵向裂缝扩展、延伸，之后缝间混凝土被压碎，形成纵向压碎破坏面。试件破坏形态如图6及表2所示：试件T1，T2，T3发生斜向破坏，破坏面与水平面的夹角为65°～75°，试件T4，T5发生纵向压碎破坏。

图6 试件破坏形态

结合图5分析重复荷载作用下纵筋与箍筋的应变发展过程如下：

表2 试验结果

注：表中，Δc为峰值荷载即试件最大承载力对应的变形；Δ50为试件承载力下降至最大承载力的50%时对应的变形；μ50为延性系数，μ50=Δ50/Δc

2.2 荷载-位移滞回曲线及骨架曲线

各试件荷载-位移滞回曲线及骨架曲线试验结果如图7所示。由图7a～7e各试件滞回曲线可知：轴心受压重复荷载作用下，各试件在达到峰值荷载前的各个循环均存在较大的可恢复变形，残余变形较小；随着配箍特征值的增大，达到峰值荷载所需循环次数增加；峰值以后各循环的残余变形增大且残余变形增长速度随配箍特征值的增大而减缓。

分析图7a～7e各试件的骨架曲线可知骨架曲线大致分为四个阶段：(1)加载初期，试件荷载快速增长，变形增长相对缓慢。(2)继续加载至约峰值荷载的70%，荷载增速减缓。配箍特征值较小的试件(T1、T2)，骨架曲线达到峰值前，斜率没有明显减小；配箍特征值较大的试件(T3～T5)，骨架曲线的斜率逐渐减小，曲线弯曲，随后到达峰值，到达峰值前试件变形增长较快，荷载增速减缓。(3)峰值过后进入下降段，下降段初期荷载下降较快，变形缓慢增加。当荷载下降至峰值荷载的80%左右时，荷载下降减缓，变形增长加快，骨架曲线出现反弯点。(4)之后骨架曲线逐渐趋于平缓，保护层大面积剥落，纵筋压曲，荷载缓慢下降。

由图7f，7g对比分析可知：(1)当混凝土轴心抗压强度相同时，随着配箍特征值的增大，试件的峰值荷载、峰值变形增大，骨架曲线下降段越来越平缓。(2)试件T4，T6的箍筋间距相同，配箍特征值相近，加载方式不同。试件T4的骨架曲线与试件T6的荷载-位移曲线的变化趋势基本一致，峰值荷载相近，曲线下降段均较为平缓，不同加载方式下试件的受力性能接近。

图7 滞回曲线及骨架曲线

2.3 试件的刚度退化

从达到峰值荷载的循环开始计算，试件刚度K=Pi/Δi，其中Pi为第i次循环的峰值荷载；Δi为第i次循环的峰值位移[16]。试件的刚度退化曲线如图8所示。由图8可以看出各试件刚度退化趋势基本一致：荷载下降初期，各试件的刚度退化曲线基本呈直线；继续加载至试件骨架曲线的反弯点时，试件的刚度退化曲线弯曲，刚度下降速度减缓；继续加载，试件保护层大面积剥落、丧失承载力，纵筋压曲，荷载下降缓慢，刚度退化曲线趋于平缓。至试件的骨架曲线反弯点时，试件T4，T5的刚度退化较T1～T3减缓了约20%，结合表1分析可知，适当增大试件的配箍特征值可以有效地延缓试件的刚度退化。

图8 刚度退化曲线

2.4 试件的延性

本文采用延性系数来表征试件后期即峰值荷载后的变形能力，并研究配箍特征值对其的影响，定义延性系数为μ50=Δ50/Δc。各试件的延性系数试验结果如表2所示，轴心受压重复荷载作用下试件的延性系数与配箍特征值的关系如图9所示。由试验结果可知，配箍特征值越大，试件骨架曲线下降段越平缓，延性系数越大。

通过对试验数据回归分析，得到延性系数与配箍特征值的关系为：

(1)

式(1)的系数Adj.R2=0.9731，均方根误差Re=0.0113。由图9可以看出，式(1)的计算结果与试验结果吻合较好，可以用于重复荷载作用下箍筋约束混凝土T形柱延性系数的计算。

图9 试件延性系数与配箍特征值的关系

3 结 论

本文对轴心受压重复荷载作用下箍筋约束混凝土T形柱进行了试验研究，得出以下主要结论：

(1)轴心受压重复荷载作用下箍筋约束混凝土T形柱的破坏过程与单调轴心受压荷载作用下相似，配箍特征值较小的试件(λv=0.0872～0.2111)易发生斜向破坏，破坏面与水平面的夹角为65°～75°；配箍特征值较大的试件(λv=0.2304～0.2618)易发生纵向压碎破坏。

(2)各试件滞回曲线达到峰值荷载所需循环次数随着配箍特征值的增大而增加，峰值后各循环的残余变形增大且增长速度随配箍特征值的增大而减缓。当混凝土轴心抗压强度相同时，试件峰值荷载、峰值变形随着配箍特征值的增大而增大，两种不同加载方式下试件的受力性能接近。

(3)配箍特征值越大，骨架曲线下降段越平缓，随着配箍特征值的增大，试件的刚度退化得到有效延缓，试件的延性越好。本文建立了延性系数计算公式，计算结果与试验结果吻合较好，可用于轴心受压重复荷载作用下箍筋约束混凝土T形柱延性系数的计算。

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