网格箍筋约束混凝土柱轴压受力性能试验研究

万宇通; 郑文忠; 王英

doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0504

网格箍筋约束混凝土柱轴压受力性能试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0504

万宇通^{1, 2,},
郑文忠^{1, 2, ,},
王英^{1, 2,}

1.
哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室，哈尔滨 150090
2.
哈尔滨工业大学土木工程智能防灾减灾工信部重点实验室，哈尔滨 150090

基金项目: 国家自然科学基金项目(51678190)

详细信息

作者简介:
万宇通(1997−)，男，浙江人，硕士生，主要从事约束混凝土柱轴心受压性能研究(E-mail: 691480054@qq.com)

王　英(1968−)，女，天津人，副教授，博士，博导，主要从事预应力混凝土结构研究(E-mail: wangying888@hit.edu.cn)

通讯作者:
郑文忠(1965−)，男，天津人，教授，博士，博导，主要从事混凝土及预应力混凝土结构研究(E-mail: hitwzzheng@163.com)

中图分类号: TU375.3
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2021-07-05
- 修回日期: 2021-09-15
- 网络出版日期: 2021-09-18
- 刊出日期: 2022-11-01

EXPERIMENTAL STUDY ON AXIAL COMPRESSION BEHAVIOR OF CONCRETE COLUMNS CONFINED BY GRID STIRRUPS

WAN Yu-tong^{1, 2
,},
ZHENG Wen-zhong^{1, 2
, ,},
WANG Ying^{1, 2
,}

1.
Key Lab of Structures Dynamic Behavior and Control (Harbin Institute of Technology), Ministry of Education, Harbin 150090, China
2.
Key Lab of the Smart Prevention and Mitigation of Civil Engineering Disasters (Harbin Institute of Technology), Ministry of Industry and Information Technology, Harbin 150090, China

摘要

摘要: 为研究使用网格箍筋强度不同、素混凝土轴心抗压强度不同的约束混凝土的轴压受力性能，完成了39个网格箍筋约束混凝土方柱的轴心受压试验。混凝土设计强度等级为C20、C30、C40、C50，箍筋分别选用HRB335、HRB400、HRB500、HRB600钢筋，体积配箍率范围为1.0%~2.2%。试验结果表明：约束混凝土压应力达到峰值时，受压试件的约束箍筋屈服；随着配箍特征值增大，网格箍筋约束混凝土峰值压应力和峰值压应变提高幅度增大，受压应力-应变曲线下降段变缓。根据试验结果，通过回归分析获得了网格箍筋约束混凝土峰值压应力、峰值压应变的计算公式；建立了相应的轴心受压应力-应变模型，与几种具有代表性的箍筋约束混凝土应力-应变模型的对比表明，建立的模型与试验结果吻合较好；提出了约束混凝土极限压应变计算方法。
- 结构工程 /
- 受压应力-应变关系 /
- 试验研究 /
- 网格箍筋约束混凝土 /
- 峰值压应力 /
- 峰值压应变
Abstract: In order to study the axial compression behavior of the confined concrete with grid stirrups of different strength and plain concrete of different axial compressive strength, the axial compression tests of 39 concrete square columns confined by grid stirrups were completed. The stirrups are made of HRB335, HRB400, HRB500 and HRB600 reinforced bar. The volume stirrup ratio is between 1.0% and 2.2%. The design strength grades of concrete are C20, C30, C40 and C50. The test results show that stirrups yield under the peak stress of confined concrete. With the increase of the stirrup characteristic value, the increasing degree of peak stress and peak strain of the concrete confined by grid stirrups increases and the descending branch of stress-strain curve become flat. According to the test results, formulas for calculating peak stress and peak strain of concrete confined by grid stirrups are obtained. The corresponding axial compression stress-strain model is established. The comparison with several typical stress-strain models of concrete confined by stirrups shows that: the results calculated by the axial compressive stress-strain model are in a good agreement with the test results, thusly another method for calculating the ultimate compressive strain of confined concrete is proposed.
- structural engineering /
- compressive stress-strain relationship /
- experimental study /
- concrete confined by grid stirrups /
- peak compressive stress /
- peak compressive strain

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图 1 试件设计　/mm

Figure 1. Design of specimens

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图 2 箍筋应变片布置

Figure 2. Layout of stirrup strain gauge

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图 3 试验加载装置

Figure 3. Loading device of test

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图 4 加载装置简图

Figure 4. Diagram of loading device

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图 5 试件C-31破损情况

Figure 5. The damage of specimen C-31

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6 试件C-1~C-39约束混凝土受压应力-应变曲线

6. Compressive stress-strain curve of specimen C-1~C-39

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图 7 素混凝土轴心抗压强度对约束混凝土轴压性能的影响

Figure 7. Influence of axial compressive strength of plain concrete on axial compressive property of confined concrete

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图 8 体积配箍率对约束混凝土轴压性能的影响

Figure 8. Influence of volume stirrup ratio on axial compressive property of confined concrete

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图 9 箍筋屈服强度对约束混凝土轴压性能的影响

Figure 9. Influence of yield strength of stirrups on axial compressive property of confined concrete

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图 10 峰值压应力、峰值压应变与有效约束应力关系

Figure 10. Relationship between peak stress, peak strain and effective confinement stress

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11 约束混凝土应力-应变曲线的对比

11. Comparison between stress-strain curves of confined concrete

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表 1 试件设计参数

Table 1. Design parameters of specimens

试件编号	混凝土设计强度等级	a/mm	H/mm	箍筋牌号	ρ_v/(%)	s/mm	d/mm	箍筋形式	ρ_s/(%)
C-1	C20	400	1300	HRB335	1.40	80	8	双向四肢箍	0.71
C-2	C20	400	1300	HRB335	1.80	60	8	双向四肢箍	0.71
C-3	C20	400	1300	HRB335	2.20	50	8	双向四肢箍	0.71
C-4	C20	400	1300	HRB400	1.10	75	8	双向三肢箍	0.47
C-5	C20	400	1300	HRB400	1.35	60	8	双向三肢箍	0.47
C-6	C20	400	1300	HRB400	1.60	50	8	双向三肢箍	0.47
C-7	C20	400	1300	HRB500	1.00	80	8	双向三肢箍	0.47
C-8	C20	400	1300	HRB500	1.25	65	8	双向三肢箍	0.47
C-9	C20	400	1300	HRB500	1.50	55	8	双向三肢箍	0.47
C-10	C30	400	1300	HRB335	1.40	80	8	双向四肢箍	0.71
C-11	C30	400	1300	HRB335	1.80	60	8	双向四肢箍	0.71
C-12	C30	400	1300	HRB335	2.20	50	8	双向四肢箍	0.71
C-13	C30	400	1300	HRB400	1.10	75	8	双向三肢箍	0.47
C-14	C30	400	1300	HRB400	1.35	60	8	双向三肢箍	0.47
C-15	C30	400	1300	HRB400	1.60	50	8	双向三肢箍	0.47
C-16	C30	400	1300	HRB500	1.00	80	8	双向三肢箍	0.47
C-17	C30	400	1300	HRB500	1.25	65	8	双向三肢箍	0.47
C-18	C30	400	1300	HRB500	1.50	55	8	双向三肢箍	0.47
C-19	C40	400	1300	HRB335	1.40	80	8	双向四肢箍	0.71
C-20	C40	400	1300	HRB335	1.80	60	8	双向四肢箍	0.71
C-21	C40	400	1300	HRB335	2.20	50	8	双向四肢箍	0.71
C-22	C40	400	1300	HRB400	1.10	75	8	双向三肢箍	0.47
C-23	C40	400	1300	HRB400	1.35	60	8	双向三肢箍	0.47
C-24	C40	400	1300	HRB400	1.60	50	8	双向三肢箍	0.47
C-25	C40	400	1300	HRB500	1.00	80	8	双向三肢箍	0.47
C-26	C40	400	1300	HRB500	1.25	65	8	双向三肢箍	0.47
C-27	C40	400	1300	HRB500	1.50	55	8	双向三肢箍	0.47
C-28	C40	400	1300	HRB600	1.00	65	6	双向四肢箍	0.70
C-29	C40	400	1300	HRB600	1.20	50	6	双向四肢箍	0.70
C-30	C40	400	1300	HRB600	1.40	40	6	双向四肢箍	0.70
C-31	C50	400	1300	HRB400	1.10	75	8	双向三肢箍	0.47
C-32	C50	400	1300	HRB400	1.35	60	8	双向三肢箍	0.47
C-33	C50	400	1300	HRB400	1.60	50	8	双向三肢箍	0.47
C-34	C50	400	1300	HRB500	1.00	80	8	双向三肢箍	0.47
C-35	C50	400	1300	HRB500	1.25	65	8	双向三肢箍	0.47
C-36	C50	400	1300	HRB500	1.50	55	8	双向三肢箍	0.47
C-37	C50	400	1300	HRB600	1.00	65	6	双向四肢箍	0.70
C-38	C50	400	1300	HRB600	1.20	50	6	双向四肢箍	0.70
C-39	C50	400	1300	HRB600	1.40	40	6	双向四肢箍	0.70
注：a为方柱截面边长；H为柱高；ρ_v为柱中间区段体积配箍率；s为柱中间区段箍筋间距；d为箍筋直径；ρ_s为纵筋核心截面配筋率(纵筋总截面面积与核心截面面积之比)。

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表 2 混凝土基本力学性能

Table 2. Basic mechanical properties of concrete

混凝土设计强度等级	f_cu/MPa	f_co/MPa	E_c/MPa	ε_co/(×10⁻⁶)
C20	23.7	18.0	27 286	1434
C30	32.2	24.5	30 507	1550
C40	38.3	29.1	32 199	1626
C50	60.6	47.4	36 069	1883
注：f_cu为边长150 mm立方体抗压强度；f_co为轴心抗压强度；E_c为弹性模量；ε_co为峰值压应变。

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表 3 钢筋基本力学性能

Table 3. Basic mechanical properties of steel bars

钢筋牌号	f_y/MPa	f_u/MPa	ε_y/(×10⁻⁶)	ε_u/(%)	E_s/(×10⁵MPa)
HRB335	370	550	1850	17.6	2.00
HRB400	480	640	2400	15.8	2.00
HRB500	527	721	2635	11.7	2.00
HRB600	657	873	3285	10.7	2.00
注：f_y为钢筋的屈服强度；f_u为钢筋极限强度；ε_y为与f_y相应的钢筋屈服应变；ε_u为与f_u相应的钢筋峰值应变；E_s为钢筋的弹性模量。

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表 4 试件参数及试验结果

Table 4. Parameters and test results of specimens

试件编号	f_co/MPa	f_yv/MPa	ρ_v/(%)	f_cco/MPa	ε_cco/(×10⁻⁶)	ε_cc85/(×10⁻⁶)	f_cco/f_co	ε_cco/ε_co	ε_svo/(×10⁻⁶)	N_ccu/N_cc/(%)	约束程度
C-1	18.0	360	1.40	28.0	6848	13 238	1.56	4.91	2846	−	中
C-2	18.0	360	1.80	30.3	7360	30 340	1.68	6.07	4174	75	中
C-3	18.0	360	2.20	32.3	8802	40 429	1.79	6.14	3932	61	中
C-4	18.0	480	1.10	25.6	7004	19 934	1.42	5.67	3106	−	中
C-5	18.0	480	1.35	27.2	8136	35 143	1.51	5.67	3969	−	中
C-6	18.0	480	1.60	29.1	8666	43 742	1.62	6.04	4142	−	中
C-7	18.0	527	1.00	25.0	6981	21 560	1.39	4.90	3129	54	中
C-8	18.0	527	1.25	28.7	6886	18 086	1.59	4.96	3523	−	中
C-9	18.0	527	1.50	29.6	7037	−	1.64	5.16	3538	−	中
C-10	24.5	360	1.40	32.4	5844	8568	1.32	3.90	3231	−	中
C-11	24.5	360	1.80	35.5	6405	21 081	1.45	3.93	3505	55	中
C-12	24.5	360	2.20	40.6	6324	24 104	1.66	4.17	3285	64	中
C-13	24.5	480	1.10	32.5	5736	9304	1.33	3.93	3325	−	中
C-14	24.5	480	1.35	35.0	4853	9531	1.43	3.74	3577	−	中
C-15	24.5	480	1.60	36.4	4309	11 365	1.49	3.98	2856	−	中
C-16	24.5	527	1.00	31.7	4556	9099	1.29	3.41	5470	−	中
C-17	24.5	527	1.25	36.7	4491	9991	1.50	2.91	3139	−	中
C-18	24.5	527	1.50	39.3	6129	11 514	1.60	3.97	4892	−	中
C-19	29.1	360	1.40	38.5	4631	7763	1.32	3.62	3243	−	中
C-20	29.1	360	1.80	39.0	6119	18 709	1.34	3.73	3956	−	中
C-21	29.1	360	2.20	41.5	6284	22 484	1.43	3.86	3983	58	中
C-22	29.1	480	1.10	37.0	4232	6686	1.27	2.69	2827	−	中
C-23	29.1	480	1.35	40.7	5739	7641	1.40	3.64	3662	−	中
C-24	29.1	480	1.60	42.2	5788	11 097	1.45	3.73	4112	−	中
C-25	29.1	527	1.00	36.3	4458	6791	1.25	3.50	4109	25	中
C-26	29.1	527	1.25	38.7	4852	5288	1.33	1.89	4852	54	中
C-27	29.1	527	1.50	41.8	5678	18 121	1.44	4.16	4228	−	中
C-28	29.1	657	1.00	38.7	5676	10 687	1.33	3.49	3795	−	中
C-29	29.1	657	1.20	46.8	6387	14 444	1.61	3.93	4703	−	中
C-30	29.1	657	1.40	50.7	8904	18 288	1.74	5.48	4708	35	中
C-31	47.4	480	1.10	56.1	3797	5699	1.18	2.06	3256	−	低
C-32	47.4	480	1.35	56.1	4054	5508	1.18	2.42	4173	28	低
C-33	47.4	480	1.60	58.8	4712	8114	1.24	2.50	4100	−	中
C-34	47.4	527	1.00	52.3	5620	6396	1.10	3.11	4649	37	低
C-35	47.4	527	1.25	56.7	5230	11 040	1.20	3.04	3524	41	低
C-36	47.4	527	1.50	60.2	6444	8542	1.27	3.42	4704	43	中
C-37	47.4	657	1.00	57.4	8066	10 611	1.21	4.28	3705	−	低
C-38	47.4	657	1.20	59.5	6025	14 271	1.26	3.26	4257	−	中
C-39	47.4	657	1.40	60.0	9800	15 927	1.27	5.20	5687	−	中
注：f_yv为箍筋屈服强度；f_cco为约束混凝土峰值压应力；ε_cco为约束混凝土峰值压应变；ε_cc85为约束混凝土压应力下降至0.85f_cco时的压应变；ε_svo为约束混凝土峰值压应力下的箍筋拉应变；N_ccu/N_cc为试件的第一根箍筋被拉断时的荷载与峰值荷载之比。

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网格箍筋约束混凝土柱轴压受力性能试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0504

作者简介:
万宇通(1997−)，男，浙江人，硕士生，主要从事约束混凝土柱轴心受压性能研究(E-mail: 691480054@qq.com)

王　英(1968−)，女，天津人，副教授，博士，博导，主要从事预应力混凝土结构研究(E-mail: wangying888@hit.edu.cn)

通讯作者:
郑文忠(1965−)，男，天津人，教授，博士，博导，主要从事混凝土及预应力混凝土结构研究(E-mail: hitwzzheng@163.com)

计量

EXPERIMENTAL STUDY ON AXIAL COMPRESSION BEHAVIOR OF CONCRETE COLUMNS CONFINED BY GRID STIRRUPS

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doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0504

作者简介: 万宇通(1997−)，男，浙江人，硕士生，主要从事约束混凝土柱轴心受压性能研究(E-mail: 691480054@qq.com) 王 英(1968−)，女，天津人，副教授，博士，博导，主要从事预应力混凝土结构研究(E-mail: wangying888@hit.edu.cn)

通讯作者: 郑文忠(1965−)，男，天津人，教授，博士，博导，主要从事混凝土及预应力混凝土结构研究(E-mail: hitwzzheng@163.com)

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出版历程

EXPERIMENTAL STUDY ON AXIAL COMPRESSION BEHAVIOR OF CONCRETE COLUMNS CONFINED BY GRID STIRRUPS

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作者简介:
万宇通(1997−)，男，浙江人，硕士生，主要从事约束混凝土柱轴心受压性能研究(E-mail: 691480054@qq.com)

王　英(1968−)，女，天津人，副教授，博士，博导，主要从事预应力混凝土结构研究(E-mail: wangying888@hit.edu.cn)

通讯作者:
郑文忠(1965−)，男，天津人，教授，博士，博导，主要从事混凝土及预应力混凝土结构研究(E-mail: hitwzzheng@163.com)