螺旋箍筋混凝土短柱低速?zèng)_擊作用實(shí)驗(yàn)研究

閆 艷，周錫武 *，王 波，郭沫鋒

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院，廣東佛山 528225）

螺旋箍筋柱以其優(yōu)良的構(gòu)造性能與抗沖擊性能，正廣泛應(yīng)用于各種建筑，因此研究螺旋箍筋約束混凝土的沖擊破壞性能對(duì)建筑物的抗沖擊設(shè)計(jì)具有重大意義。對(duì)于螺旋箍筋構(gòu)件靜態(tài)力學(xué)研究［1-4］和約束混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究［5-9］，前輩們做了很多理論分析。王剛［10］進(jìn)行了鋼筋混凝土柱抗落石撞擊試驗(yàn)研究，研究落石撞擊對(duì)鋼筋混凝土柱的損傷影響，并提出實(shí)用的抗撞擊處理措施。顧?quán)l(xiāng)［11］以G213線川主寺至汶川路災(zāi)后復(fù)建工程中一橋梁為研究背景，采用顯示動(dòng)力分析方法,研究落石沖擊作用下橋梁墩柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、損傷規(guī)律及其剩余承載力和橋墩受損后的通行能力評(píng)估。張?jiān)还龋?2］研究了高強(qiáng)度螺旋箍筋約束下的高強(qiáng)混凝土圓柱的延性性能與其影響參數(shù)之間的關(guān)系，編制了配有高強(qiáng)鋼筋的高強(qiáng)混凝土圓柱延性性能的非線性分析程序,對(duì)影響其延性的主要參數(shù)——軸壓比、體積配箍率、箍筋強(qiáng)度、縱筋配筋率等參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析，揭示該類構(gòu)件的位移延性系數(shù)與其影響參數(shù)之間的關(guān)系。任曉丹［13］等研究了不同加載速率下的箍筋約束混凝土力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)混凝土單軸受壓性能會(huì)受到配箍率、應(yīng)變率和混凝土強(qiáng)度等級(jí)三者的共同影響。湖南大學(xué)張懷安［14］和孫曉遜［15］探究了落錘軸向沖擊作用下CFRP-螺旋箍筋復(fù)合約束混凝土的抗沖擊性能。討論了FRP 約束混凝土構(gòu)件和螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件的性能特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了FRP-螺旋箍筋復(fù)合約束混凝土構(gòu)件。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了10 根不同箍筋間距和直徑的鋼筋混凝土短柱，試件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。試件長(zhǎng)為1 000 mm，直徑為340 mm，保護(hù)層厚度為25 mm，試件混凝土為本地生產(chǎn)C40 混凝土，箍筋采用Ⅰ級(jí)熱軋鋼筋HPB300，縱筋采用Ⅲ級(jí)熱軋鋼筋HRB335，材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 材料性能

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)在佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院超高落錘試驗(yàn)室進(jìn)行，采用圖1 示意的最新型超高落錘試驗(yàn)機(jī)加載。試驗(yàn)落錘質(zhì)量為780 kg，將落錘提升至0.5 m，對(duì)每根試件依次進(jìn)行9 次等高度軸向沖擊試驗(yàn)，通過(guò)改變沖擊次數(shù)實(shí)現(xiàn)不同沖擊能量的輸入。

圖1 落錘沖擊試驗(yàn)裝置

沖擊時(shí)試件被豎直放在鋼制圓環(huán)底座內(nèi)，底座只起安全防護(hù)作用，不對(duì)試件產(chǎn)生任何約束，底座用螺栓固定在地面鋼板上。為防止試件受沖擊力后反彈，試件頂部用繩子栓緊固定。將沖擊錘頭與試件軸線物理對(duì)中，試驗(yàn)中保持錘頭中心與試件中心在一條直線上。本試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)包括沖擊力時(shí)程曲線、鋼筋應(yīng)變時(shí)程曲線和試件表面裂縫發(fā)展。其中，沖擊力由錘頭的壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同箍筋間距和直徑的螺旋箍筋試件的沖擊力時(shí)程曲線對(duì)比如圖2～3 所示，為方便比較，將每次沖擊開(kāi)始時(shí)間定為0 時(shí)。從圖2 中可以看到，箍筋直徑相同時(shí)，螺旋箍筋在低速軸向沖擊荷載作用下的沖擊力時(shí)程曲線基本相同。而箍筋間距相同時(shí)，試件軸向沖擊力時(shí)程曲線變化較大，說(shuō)明螺旋箍筋直徑對(duì)軸向沖擊力的影響大于螺旋箍筋的間距對(duì)其的影響，如圖3 所示。從落錘接觸撞擊到反彈卸載，此時(shí)柱還未來(lái)得及變形，沖擊力主要由柱的剛性平衡。沖擊力峰值后續(xù)時(shí)程曲線為沖擊柱構(gòu)件震蕩期曲線，配筋率越大，震蕩越強(qiáng)烈。

圖2 箍筋直徑不同時(shí)試件沖擊力時(shí)程曲線

圖3 箍筋間距不同時(shí)試件沖擊力時(shí)程曲線

由表3 可以看出，沖擊力峰值與短柱靜載極限承載力呈正比關(guān)系，即F=αN，與普通箍筋約束混凝土相比，本試驗(yàn)條件下螺旋箍筋將短柱的沖擊承載力平均提高了33%，說(shuō)明螺旋箍筋能大大提高了短柱的沖擊承載力。

表3 螺旋箍筋短柱試件沖擊力峰值

圖4a 與圖4b 對(duì)比可知，箍筋直徑-沖擊力峰值曲線斜率均大于箍筋間距-沖擊力峰值曲線，說(shuō)明螺旋箍筋的直徑對(duì)沖擊承載力的影響大于螺旋箍筋的間距對(duì)其的影響，且當(dāng)螺旋箍筋的直徑越大時(shí)，箍筋間距對(duì)沖擊承載力的影響越小。由圖4c 可知，沖擊力峰值隨著配箍率增大呈二次線性增大，在配箍率較大（1.94%～2.91%）時(shí)，斜率較小，沖擊力隨配箍率增大幅度較小；在配箍率較小（0.68%～1.83%）時(shí)，斜率較大，沖擊力隨配箍率增大幅度較大。由此可得，隨著螺旋箍筋配箍率的增大，配箍率對(duì)試件沖擊力峰值的影響減弱。

圖4 不同配箍方式-沖擊力峰值曲線

3 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)、理論分析相結(jié)合的方法，詳細(xì)分析了9 根不同配箍率螺旋箍筋混凝土短柱在沖擊荷載作用下的沖擊力，研究不同短柱配箍形式對(duì)螺旋箍筋約束混凝土短柱沖擊力的影響，得到以下結(jié)論：1）螺旋箍筋的直徑對(duì)沖擊承載力的影響大于螺旋箍筋間距對(duì)其的影響，且當(dāng)螺旋箍筋的直徑越大時(shí)，箍筋間距對(duì)沖擊承載力的影響越小。2）沖擊力峰值隨著配箍率增大呈一次線性增大，在配箍率較大（1.94%～2.91%）時(shí)，配箍率增大對(duì)沖擊力峰值影響較?。辉谂涔柯瘦^?。?.68%～1.83%）時(shí)，配箍率增大對(duì)沖擊力峰值影響較大。