箍筋约束轻骨料混凝土研究进展

箍筋约束轻骨料混凝土研究进展

张林琳

（长安大学建筑工程学院，陕西，西安710061）

摘要：轻骨料混凝土具有质量轻、保温隔热性好、工程综合造价低等优点，但与普通混凝土相比脆性显著，采用箍筋约束是提高轻骨料混凝土抗压强度与延性的有效方法。本文对箍筋约束轻骨料混凝土约束效果影响因素、承载力及约束轻骨料应力-应变曲线的研究现状进行总结，为后续相关研究提供参考。

关键词：轻骨料混凝土；箍筋约束；承载力；应力-应变曲线

引言

轻骨料混凝土大跨径桥梁、高层结构和海洋工程中均有大量应用，但脆性特征显著，实现轻骨料混凝土延性破坏机制尤为重要。施加外部约束到轻骨料混凝土使其处于多轴受压状态，限制其在轴向受压时产生的横向变形，可达到提高抗压强度和改善变形性能的目的，因此对国内外箍筋约束轻骨料混凝土研究现状进行总结。

1.约束效果影响因素

影响箍筋约束混凝土强度和变形的因素众多，如提高箍筋强度可有效提高试件的延性和极限承载力，且提高效果与配箍率相关；强度越高的混凝土横向变形越小，箍筋约束为被动约束，因而约束效果随混凝土强度的提高而降低[1]；在一定范围内增大纵筋配筋率能改善约束混凝土的延性，但作用效果并不显著[2]。对于箍筋约束轻骨料混凝土，各因素对约束效果影响与普通混凝土试件类似，但轻骨料混凝土收缩变形大，且内摩擦阻力小[3]，因此箍筋对陶粒轻骨料混凝土的约束效果不如普通混凝土。研究人员对箍筋约束轻骨料混凝土约束效果影响因素做了相关研究。Manrique等[4]研究发现纵筋布置形式和数量对约束轻骨料混凝土强度无显著影响，但对应力-应变曲线下降段有明显的改善作用；保护层对试件抗压强度也存在一定影响，有保护层的试件抗压强度平均提高10%，无保护层的试件抗压强度平均提高6%；配箍形式对应力-应变曲线下降段影响较大，配圆形螺旋箍筋的试件曲线下降段优于配矩形箍筋的试件。Khaloo[5]对8根螺旋箍筋约束高强轻骨料混凝土柱进行了轴心受压试验，考虑了混凝土强度、箍筋数量及间距的影响，混凝土强度范围在52~80MPa之间，箍筋屈服强度621MPa，试验结果表明箍筋直径较小时，试件达极限承载力时箍筋实际应变小于屈服应变的40%，侧向约束对高强轻骨料混凝土强度没有提高作用。Basset等分析了配箍形式、箍筋间距、纵筋数量等因素对箍筋约束轻骨料混凝土轴压力学性能的影响

2.承载力研究

使用箍筋约束轻骨料混凝土可提高试件承载能力。Basset等对15个约束高强轻骨料混凝土方柱及3个非约束混凝土方柱进行轴心受压试验，将约束轴压承载力实测值与现有模型计算值进行对比，发现加拿大规范（CSA1977a）未考虑箍筋的增强作用，承载力计算结果偏保守；所选模型中Kent&Park模型的承载力预测值最大；且现有模型普遍高估了此类高强轻骨料混凝土试件的延性。孟丛丛[6]完成了7根矩形箍筋约束陶粒混凝土柱轴压受力试验，混凝土强度等级为LC25，箍筋和纵筋分别采用HPB235级钢与HRB335级钢，发现长细比对箍筋约束轻骨料混凝土短柱正截面承载力影响可忽略不计，对长柱的影响可根据规范使用稳定系数进行折减，且承载力实测值大体符合或高于使用《轻骨料结构设计规程》（JGJ12-2006）[7]得到的预测值，认为中国规范有足够的安全储备。

3.应力-应变曲线

箍筋约束混凝土轴压应力-应变曲线模型的提出多基于有效侧向约束力这一媒介性变量，建立峰值应力、峰值应变计算式，并基于此建立约束混凝土应力-应变曲线。Martinez等[9]完成了27个圆形螺旋箍筋约束轻骨料混凝土柱轴压性能试验，混凝土强度为28.5~56.2MPa，建立了适用于轻骨料混凝土的侧向约束力及峰值强度计算公式。为研究约束对轻骨料混凝土延性的影响，Shah等完成了12根圆形螺旋箍筋约束轻骨料混凝土柱轴压试验，并建议了应力-应变关系数学表达式。Khaloo基于16根箍筋约束轻骨料混凝土椭圆截面柱试验数据提出了适用于螺旋箍筋约束轻骨料混凝土的应力-应变数值模型，模型假定侧向约束力沿构件高度和截面内分布不均，通过内力平衡、材料性质及截面形状来计算侧向约束力。

国内适用于箍筋约束轻骨料混凝土的应力-应变曲线的典型模型有曹祖同模型和张立新模型[3]，但模型提出时间较早，仅适用于混凝土强度较低的试件。曹祖同等对64个混凝土标号250~400的矩形箍筋约束棱柱体陶粒混凝土进行轴压试验，研究了混凝土强度、箍筋间距、纵筋等因素对应力-应变曲线的影响，研究发现配箍陶粒混凝土柱具有良好的延性，其峰值应变较素混凝土棱柱体提高较大，约提高13.6%~52.1%，但峰值应力平均为素混凝土的0.91；并给出考虑配箍密度、约束区面积与全面积比值的峰值应变计算方法、考虑混凝土强度和箍筋间距的剩余支持力计算公式与箍筋约束陶粒混凝土柱轴压本构关系方程。张立新[3]对曹祖同的的试验数据进行补充，完成了箍筋和纵筋配置不同的24根陶粒混凝土短柱轴压试验，建议的应力-应变曲线模型与文献形式相同。

结论

现箍筋约束轻骨料混凝土研究多集中于影响因素分析及承载力计算，有关轴压应力-应变全曲线数值模型的研究较少，且以往研究中配箍形式较为单一，轻骨料混凝土强度普遍较低。后续有必要开展复合箍筋约束高强轻骨料混凝土的相关研究，并建立适用范围较广的约束轻骨料混凝土应力-应变关系模型。

参考文献

[1]薛岩．钢筋混凝土柱箍筋约束性能及延性研究[D]．西安建筑科技大学，2015

[2]YongY.,NourM.G.,NawyE.G.BehaviorofLaterallyConfinedHigh-StrengthConcreteunderAxialLoads[J].JournalofStructuralEngineering,1988,114(2):332-351

[3]张立新．箍筋约束下陶粒混凝土应力-应变全曲线的研究[J]．工业建筑，1985，15(6)：13-17

[4]ManriqueM.A.,BerteroV.V.,PopovE.P.MechanicalBehaviorofLightweightConcreteConfinedbyDifferentTypesofLateralReinforcement[J].NasaSti/reconTechnicalReportN,1979,80

[5]KhalooA.R.,BozorgzadehA.InfluenceofConfiningHoopFlexuralStiffnessonBehaviorofHigh-StrengthLightweightConcreteColumns[J].ACIStructuralJournal,2001,98(5):657-664

[6]孟丛丛．钢筋陶粒混凝土受压构件受力性能研究[D]．长沙理工大学，2008

[7]轻骨料混凝土结构技术规程（JGJ12-2006）[S]．北京：中国建筑工业出版社，2006