提高压应变与延性性能的有效措施

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：框架柱的箍筋有三个作用：抵抗剪力，对混凝土提供约束，防止纵筋压屈。其中箍筋对混凝土的约束是提高混凝土极限压应变，从而改善混凝土延性性能的主要措施。箍筋对混凝土产生约束程度的大小与箍筋的形式和构造有关，也和配箍数量有关。当混凝土向外膨胀时，圆形箍受到均匀挤压而产生拉应力，它对核心混凝土提供均匀的侧压力；矩形箍在四个转角区域对混凝土提供有效的约束，在直段上，混凝土膨胀可能使箍筋外鼓而不能提供约束。

框架柱的箍筋有三个作用：抵抗剪力，对混凝土提供约束，防止纵筋压屈。其中箍筋对混凝土的约束是提高混凝土极限压应变，从而改善混凝土延性性能的主要措施。

柱的轴心受压试验表明，轴向压应力接近混凝土峰值应力时，混凝土开始出现细小裂缝，超过峰值应力后，混凝土急剧向外膨胀、横向变形增大，竖向裂缝扩大导致混凝土最终破碎。配置箍筋后，箍筋约束限制了核心混凝土的横向变形，使核心混凝土处于三向受压的状态，混凝土的轴心抗压强度略有提高，而与其对应的峰值应变加大，更重要的是轴心受压应力—应变曲线的下降段趋于平缓，这意味着混凝土的极限压应变增大，推迟了柱的破坏。箍筋对混凝土产生约束程度的大小与箍筋的形式和构造有关，也和配箍数量有关。

箍筋的数量用一个综合指标——配箍特征值λ_v表示，它和体积配箍率有关，和箍筋抗拉强度与混凝土强度的比值有关。配箍特征值λ_v和体积配箍率ρ_v计算公式如下：

式中 f_yv——箍筋的抗拉强度设计值；

∑a_sl_s——箍筋各段体积（面积×长度）的总和，重叠部分只算一次；

l₁，l₂——箍筋包围的混凝土核心的两个边长；

s——箍筋间距。

图6-10比较了具有不同λ_v值的混凝土柱应力—应变曲线，λ_v愈大，试件到达峰值应力后的下降段愈平缓，极限压应变愈大。

图6-10 配箍特征值λ_v对混凝土应力—应变关系曲线的影响（清华大学）

图6-11所示为目前常用的箍筋形式，其中复合螺旋箍是指螺旋箍与矩形箍同时使用，连续复合螺旋箍是指用一根钢筋连续缠绕而成的螺旋式箍。

图6-11 箍筋的形式

a）普通箍 b）复合箍 c）螺旋箍 d）复合螺旋箍 e）连续复合螺旋箍

图6-12是矩形箍、圆形箍和井字形复合箍的受力示意图，它说明了为什么箍筋形式会对其产生影响。当混凝土向外膨胀时，圆形箍受到均匀挤压而产生拉应力，它对核心混凝土提供均匀的侧压力；矩形箍在四个转角区域对混凝土提供有效的约束，在直段上，混凝土膨胀可能使箍筋外鼓而不能提供约束。井字形复合箍减小了箍筋肢距，在每一个箍筋相交点处都有纵筋，纵筋是箍筋的支点（纵筋间距离称为无支长度），纵筋和箍筋构成网格式骨架，提高了箍筋的约束效果。复合螺旋箍或连续复合螺旋箍的约束效果将会更好。箍筋的间距对约束的效果也有影响，箍筋间距大于柱的截面尺寸时，对核心混凝土几乎没有约束。图6-12d表示箍筋间距越小，对核心混凝土的约束均匀，约束效果就越显著。

图6-12 箍筋约束作用比较

a）普通箍 b）螺旋箍 c）井字复合箍 d）箍筋间距对约束的影响

需要注意的是，配箍数量的效果还与轴压比有关，也就是与柱截面的受压区高度有关。清华大学土木系在20世纪80年代进行了大量柱构件试验，对轴压比和箍筋影响进行了系统研究。图6-13是一组配置普通矩形箍、复合箍和螺旋箍柱构件的试验结果，所有柱的受压区高度相同（ξ=0.3），试验结果表明，随着λ_v的增大，构件的延性比都提高了，而各种箍筋的效果不同，复合箍的效果最好，普通矩形箍的效果最差。图6-14是在不同受压区相对高度的构件中，根据试验结果回归得到的配箍特征值αλ_v（α是箍筋形式系数）与延性比_μ关系的一组曲线，由试验可知，柱的压区相对高度ξ愈小，提高配箍特征αλ_v效果愈好；随着ξ增大，曲线上升速度趋于平缓，说明箍筋的作用相对减小了。

图6-13 箍筋形式对延性比的影响（清华大学）

图6-15给出了由经验公式计算的μ—αλ_v—n关系曲线，综合地表现了上述影响^[50]，μ为延性比，n为轴压比，αλ_v是综合了箍筋形式影响的配箍特征值。由图可见，当轴压比增大时，延性比减小，但是加大配箍特征值αλ_v可以提高延性，改善柱的性能，当轴压比增大时，相对效果减小。

图6-14 柱截面压区高度不同时，箍筋对延性比的影响（清华大学）

图6-15 轴压比、配箍特征值与柱延性比的关系：μ—αλ_v—n关系曲线（清华大学）

图6-16 需要加密箍筋的部位

a）长柱 b）短柱 c）设置硬性地坪 d）填充墙

在规范中，要求框架柱端部设置箍筋加密区，箍筋加密区是提高抗剪承载力和改善柱子延性的综合构造措施，对于改善柱的性能十分重要，设计时，根据柱子的部位和重要性，选用恰当的箍筋形式、肢距和箍筋间距。规范上除了对最小配箍特征值作了规定外（与轴压比大小和箍筋形式有关），为了避免配置的箍筋量过少，还对柱的最小体积配箍率作了规定，此外，对最小箍筋直径、最大间距等都作了相应规定。这些规定都与抗震等级有关，等级愈高，要求也愈严。

图6-16给出了柱箍筋需要加密的一些情况。对于长柱，规范规定在箍筋加密区范围内（塑性铰区）加密箍筋；还有其他一些需要箍筋加密的部位：①短柱需要在柱全高加密箍筋，因为短柱主要是剪切破坏，箍筋可以减缓混凝土破碎的程度；②错层楼板共用的柱子，由于楼板与柱子单面相交，错层部分剪力大，无论是长柱还是短柱，都需要沿柱高全高加密箍筋；③由于砌筑填充墙使柱受到墙的挤压产生的集中剪力，无法计算得到，在填充墙顶的上下相邻范围内，需要加密箍筋；④当基础或地下室较深，在地面处又做了一层楼板或硬质的（例如素混凝土）地面，虽然它是非结构地面，也会对柱子产生侧向挤压，需要在地面上下相邻范围内加密箍筋。

由以上介绍可见，箍筋对于改善柱变形性能的作用十分突出，甚至可以说“对于柱子，箍筋是宝”，因此在设计中可以灵活运用这一手段，对于那些处于不利部位的柱子，对于一些需要提高其塑性变形性能的柱子，都可以将箍筋适当加密而取得不错的效果。

提高压应变与延性性能的有效措施

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