圆钢管约束钢筋混凝土压弯构件抗震性能试验研究

注： ①试件的命名方法中：CRC 表示 Circular Rainforced Concrete；CTRC 表示 Circular Tube confined RC； 60 表示混凝土强度为 C60；8 表示试件的轴压比为 0.8。 ②表中 D 为钢管外径，t 为钢管厚度，则 D/t 为钢管的径厚比；fcu10 为边长为 100mm 的混凝土立方体抗压 强度；fy 和 εy 分别为钢管的屈服强度和屈服应变；N 为试件的轴力；n0 为轴压比，n0=N/(fcoAc)，fco 为轴心 抗压强度（fco 与 fcu10 之间的换算关系见文献[4]） ，Ac 为核心混凝土的毛面积；Pu 为试验得到的试件的峰值 承载力。
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2.3 加载制度
图 3 为试验中的水平荷载加载制度。 水 平荷载的施加采用荷载－位移双控制的方 法：试件屈服前，采用荷载控制分级加载， 直至试件屈服，对应于每个荷载步循环一 次；试件屈服后，采用位移控制，取屈服位 移的倍数为级差进行控制加载， 对应于每个 荷载步循环两次。
1. 前言
钢管约束钢筋混凝土柱就是将钢筋混 凝土柱中的箍筋换成钢管,钢管不直接承担 纵向荷载， 从而使钢管与混凝土之间只存在 横向的相互作用， 以充分发挥钢管对核心混 凝土的有效约束。 在 Tomii 等人的最初研究 中
[1,2]
强混凝土结构是将高强混凝土浇灌到钢管 内，二者作为一个整体共同受力，高强混凝 土在钢管的约束下，脆性得到改善，轴压比 限值提高，但是高强混凝土的刚度大、变形 小，钢管的紧箍作用较小，性能改善有限
[5,6]
；除此之外，钢管混凝土结构的梁柱节
点复杂， 特别是钢管混凝土柱与钢筋混凝土 梁的连接仍然是工程应用的难题。 钢管约束 钢筋混凝土结构就是针对上述问题提出的 一种新型的结构形式： 将高强混凝土灌入配 有纵向受力钢筋的钢管（圆形或者方形） ， 由纵筋和混凝土承受轴力和弯矩， 钢管以受 环向力为主。 钢管约束钢筋混凝土继承了密 排箍筋混凝土和钢管混凝土结构的优点， 并 在较大程度上克服了二者的缺点。 目前国内 外对钢管约束钢筋混凝土柱的滞回性能的 研究多集中在短柱 [1,2,7] 和方形截面构件方 面， 而对中长柱压弯构件和圆形截面构件的 研究很少。 本文针对这一问题对圆钢管约束 钢筋混凝土压弯构件进行了滞回性能研究， 建议了构件的截面抗弯承载力的计算方法， 可为工程实践提供参考。
混凝土 外凸
0 图 3 水平荷载加载制度 Fig. 3 Load programs for lateral load
时间
2.4 破坏模式
图 4 为钢筋混凝土对比试件和试件 CTRC-60-8 的破坏模式图。从图中可看出， 钢筋混凝土对比试件在端部弯矩最大处保 护层严重脱落，箍筋加密区外纵筋失稳，混 凝土被严重压溃， 从而导致试件的轴力迅速 降低为零，并失去水平承载能力。而圆钢管 约束混凝土试件的破坏现象不明显； 柱端钢

圆钢管约束钢筋混凝土压弯构件抗震性能试验研究
刘界鹏，张素梅
哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨（150090） 摘 要： 本文进行了四个圆钢管约束钢筋混凝土压弯构件和一个普通钢筋混凝土对比试件的 滞回性能试验研究。试验中的主要参数为轴压比（n0=0.34、0.65、0.8）和混凝土强度（C30 和 C60） 。试验结果表明，由于圆钢管对核心混凝土的有效约束，核心高强混凝土柱的承载 力、延性和耗能能力得到了显著提高。随轴压比和混凝土强度的提高，圆钢管约束钢筋混凝 土压弯构件的承载力提高； 但轴压比和混凝土强度对试件的延性无明显影响。 根据试验结果， 建议了圆钢管约束钢筋混凝土柱截面抗弯承载力的计算方法，提出了设计建议。 关键词：圆钢管约束钢筋混凝土，压弯构件，轴压比，截面抗弯承载力
2.2 加载和测量装置
本次试验在哈尔滨工业大学力学与试 验中心进行。 试验采用仿日本建研式加载装 置，加载装置简图见图 2(a)。加载装置加载 装置主要由 L 形大梁、 四连杆机构、 反力架 和伺服作动器等组成。四连杆机构可使 L 形大梁在垂直方向和水平方向自由移动， 而 不发生转动， 从而实现了柱顶为嵌固端的边 界条件。 水平荷载由固定于反力墙上的水平 作动器施加， 竖向荷载由安装在分配梁上的
，钢管约束钢筋混凝土这一构件形式
的提出是为了防止钢筋混凝土框架结构中 的短柱或边柱发生剪切破坏并提高其延性。 Aboutaha1999 年进行了三个矩形钢管约束 钢筋混凝土中长柱和三个普通钢筋混凝土 柱对比试件的试验研究 ，试验中用的混凝 土圆柱体强度为 83Mpa； 试验结果表明， 矩 形钢管的约束有效的改善了高强混凝土柱 的延性， 因此钢管约束钢筋混凝土这一结构 形式对于高强混凝土在抗震结构中的应用 具有重要的意义。 高强混凝土具有强度高、 变形小和耐久 性好等优点，能适应现代工程结构向大跨、 重载、高耸发展和承受恶劣环境条件的需 要， 混凝土的高强化是现代混凝土结构发展 的重要趋势 。但高强混凝土也有其致命的 弱点，那就是高强混凝土的延性很差，容易 产生脆性破坏。 目前工程中通常采用密排箍 筋混凝土和钢管混凝土两种结构形式以增 加高强混凝土的延性。 对于密排箍筋高强混 凝土柱，随着箍筋加密，延性增加，轴压比 限制值增大， 但是过密的箍筋会使施工带来 不便，混凝土的浇注质量难以保证。钢管高
[4] [3]
2. 试验研究
2.1 试件设计
试验以框架柱为研究对象， 假定柱子为 两端固端模型，先对柱子施加竖向轴力，然 后在柱子顶端施加反复作用的水平荷载， 以 模拟地震荷载。 试验研究的主要参数为轴压比、 混凝土
-1行了 5 个 试件的试验研究， 其中包括一个内添普通强 度混凝土（C30）的圆钢管约束钢筋混凝土 柱，三个内添高强混凝土（C60）的圆钢管 约束钢筋混凝土柱和一个普通箍筋约束高 强混凝土（C60）对比试件。图 1 所示为钢 筋混凝土对比试件和钢管约束钢筋混凝土 柱的配筋图。 试验中将柱子两端的混凝土梁 固定，以模拟柱子的两端嵌固模型，混凝土 梁的截面为 400×300×800mm。如图 1 中所 示， 钢筋混凝土对比试件的截面取一个底层 框架柱的 1/3 模型，混凝土截面直径为 225.7mm，纵筋配置为 4φ14，纵筋配筋率 为 1.54 ％；柱子两端箍筋加密区长度为 200mm，箍筋布置为 φ8@50，体积配箍率 为 2.31%；非加密区长度为 800mm，箍筋 布置为 φ8@100，配箍率为 1.16%；柱子的 长度为 1200mm，则其长细比为 21.3。对比 试件的钢筋配置保证试件在发生破坏时为 弯曲破坏而不是剪切破坏。 钢管约束钢筋混 凝土的核心混凝土直径及纵筋配置与钢筋 混凝土对比试件相同；箍筋按构造通长配 置，φ8@100，体积配箍率为 1.16%。由图 1(b)可看出，为保证钢管不承担纵向荷载， 在柱上下两端距梁下翼缘 15mm 处将钢管 断开。 为防止钢管在端部由于混凝土受压外 鼓而造成钢管焊缝撕裂， 在钢管端部对其加 强 ， 加 焊 了 一 个 高 度 为 20mm ， 厚 度 为 5.72mm 的钢板加强环。各试件的混凝土强 度、钢管屈服强度、钢管尺寸见表 1。
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φ
φ
φ8
纵筋：直径 13.3mm， 屈服强度 506Mpa 箍筋：直径 8.1mm， 屈服强度，305Mpa
φ
纵筋：直径 13.3mm， 屈服强度 506Mpa 箍筋：直径 8.1mm， 屈服强度，305Mpa
(a) 钢筋混凝土对比试件 图 1 试件细部图 Fig. 1 Details of test columns
2000 kN 压力 传感器 2500 kN 液压 千斤顶 四连杆
N
分配梁 反力架 L 形刚性大梁 反力墙 应变片 630kN 伺服作动器 延伸杆
P
LVDT
(a) 加载装置
(b) 测量装置 图 2 试验加载及测量装置 Fig. 2 Schematic of test set-up and instrumentation layout
管断开处混凝土保护层有剥落现象， 但没有 纵筋失稳现象发生， 端部钢管内混凝土有轻 微外鼓现象，但没有压溃现象，说明钢管在 端 部 受 到 了良 好 的 横 向约 束 作 用 。试 件 CTRC-60-6 和 CTRC-30-8 的破坏模式与试 件 CTRC-60-8 基本相同； 而试件 CTRC-60-3 的轴压比较小， 混凝土只是在端部弯矩最大 处产生了受拉开裂现象。
(b) 圆钢管约束钢筋混凝土
表 1 试件参数及试验结果 Table 1 Parameters and Test Results of the Test Specimens 试件 CRC-60-8 CTRC-60-8 CTRC-60-6 CTRC-60-3 CTRC-30-8 t (mm) － 2.67 2.67 2.67 2.67 D/t － 86 86 86 86 fcu10 (MPa) 52.5 52.5 52.5 52.5 38.9 fy(MPa) － 436 436 436 436 εy (µε) － 2214 2214 2214 2214 N (kN) 1225 1200 980 520 900 n0 0.81 0.8 0.65 0.34 0.8 Pu (kN) 158.01 231.58 199.49 138.66 163.27
一个 2500kN 油压千斤顶施加。千斤顶由油 泵通过溢流阀供油， 在试验中实时保持轴力 的稳定。千斤顶上设一个 2000kN 的压力传 感器，用以测量轴力。中部的水平反复荷载 由液压伺服作动器施加， 作动器的最大静态 加载值为 630kN，最大行程为 500mm。分 配梁与 L 形大梁间设有辊轴， 以使它们之间 能自由滑动。 由于四连杆机构不能承担水平 方向和垂直方向荷载， 所以水平力 P 和竖向 力 N 即为试件所受的剪力和轴力。 图 2(b)为试验测量装置。 本次实验的量测内 容为荷载－位移曲线和钢管或箍筋的应变 变化， 因此测量装置包括位移测量装置和应 变测量装置。 位移测量装置由三个位移传感 器组成，用于测量水平位移，位移传感器的 布置位置为柱子中部，柱端梁中部和底部。 在梁中部和下部布置水平位移传感器可以 检验柱端梁有无转动。 水平位移传感器固定 在延伸杆上， 延伸杆通过螺栓固定在底部柱 端梁上， 这样可以保证位移传感器所测位移 为柱顶和柱中相对于柱底的位移， 而不包含 整个试件的刚体位移。 钢管和箍筋的应变由 应变片测得：对于箍筋约束混凝土构件，在 柱端四个面的第一根和第二根箍筋上分别 布置了一片应变片，共布置 16 片应变片； 对于圆钢管约束钢筋混凝土试件， 分别在钢 管的两端和中间四面分别布置了环向应变 片，并在中间四面布置了纵向应变，即每个 试件共布置了 16 片应变片。