受小偏心荷载作用、采用600MPa级钢筋加固的方形混凝土柱的行为

采用 Grade 600MPa 钢筋的方形混凝土柱小偏心受压试验研究表明，通过优化箍筋配置（间距≤5D）可有效延缓混凝土压碎并充分发挥高强钢筋塑性潜力，建议其服务抗压强度为570MPa，并建立了验证良好的有限元模型。

　　

马立成|史庆轩|马玲|车家岭|马占武|马燕

北方民族大学土木工程学院

摘要

为了研究受小偏心荷载作用时采用600MPa级钢筋加固的方形混凝土柱的力学行为，并确定600MPa级钢筋的抗压设计强度，共建造并测试了九根带悬挑的HSRC（高强钢筋混凝土）柱。本研究考虑了600MPa级钢筋在受压时的屈曲行为，并采用了一种新型箍筋配置。测试变量主要包括箍筋比、纵向钢筋比、箍筋强度和间距。分析了HSRC柱在小偏心压缩作用下的性能，如破坏模式、荷载-位移关系、纵向钢筋的荷载-应变关系、承载能力以及弯矩和曲率的演变。为确保HSRC柱在受小偏心荷载作用时表现出良好的力学性能，并使600MPa级钢筋能够充分发挥其塑性强度，箍筋间距不应超过5D，其中D表示纵向钢筋的直径。同时，为了进一步了解HSRC柱在小偏心荷载作用下的行为，建立了一个合适的有限元模型并通过试验结果进行了验证。基于试验结果和数值分析，建议600MPa级钢筋的抗压设计强度为570MPa。最后，提出了一种考虑约束效应的实用方法来精确预测承载能力。

引言

在超载、大跨度和高层建筑中使用高强度钢筋作为加固材料，可以解决混凝土浇筑相关的问题，增加可用建筑面积，并提高施工的经济效益[1]。然而，当在混凝土柱中使用高强度钢筋时，其抗压设计强度可能会受到限制。主要原因是在高强度钢筋屈服之前，混凝土就已经发生压碎破坏，此时高强度钢筋的屈服应变超过了混凝土的极限抗压应变（通常，对于短期受载的普通混凝土，εcu≈0.003）[2]。因此，高强度钢筋的强度潜力无法得到充分发挥，导致钢筋混凝土柱的承载能力和经济效益被高估。鉴于此，由于缺乏足够的试验数据来证明高强度钢筋加固柱的力学性能，并明确其抗压设计强度，目前高强度钢筋在钢筋混凝土柱中的应用尚未得到广泛认可。例如，NZS 3101-2006规范限制了混凝土柱中纵向钢筋的设计强度不得超过500MPa[3]；《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）将混凝土柱中纵向钢筋的设计强度控制在435MPa以内[4]；尽管ACI 318-19规范允许在特殊弯矩框架柱中使用550MPa级钢筋[5]。

当在钢筋混凝土柱中使用高强度钢筋时，需要减小钢筋直径以提高经济效益。不幸的是，这可能导致纵向钢筋发生弹性屈曲，从而无法充分发挥高强度钢筋的强度潜力[6][7]。众所周知，钢筋的细长比对其屈曲行为有显著影响。此外，一些研究结果表明，纵向钢筋的屈曲行为与其屈服强度也密切相关[8][9][10]。这些研究表明，随着钢筋强度的提高，临界细长比会减小；同时，纵向钢筋的非弹性屈曲风险也会增加，因为极限强度与屈服强度的比值减小。此外，即使混凝土的极限抗压应变与高强度纵向钢筋的屈服应变没有显著差异，也不能忽视非弹性屈曲引起的应力软化效应，因为纵向钢筋的屈曲通常会导致构件的刚度急剧下降和强度降低。因此，亟需解决高强度钢筋的屈曲行为对钢筋混凝土柱力学性能的显著影响问题。为了充分发挥高强度钢筋的强度作用，在使用它们时，需要通过提供足够的侧向约束来延缓混凝土的压碎破坏。同时，还需要采取措施控制箍筋间距以防止纵向钢筋的屈曲。

为了提高混凝土的极限抗压应变，已经有很多关于采用普通强度和高强度箍筋加固的约束混凝土柱的研究成果[11][12][13][14]。这些研究表明，由于箍筋对核心混凝土提供了足够的侧向约束，混凝土的压碎破坏得到了延迟，且箍筋的约束效应受到箍筋配置、箍筋强度和箍筋比的显著影响。基于稳定性理论和试验结果，苏等人[15]提出并验证了一种适用于圆形和矩形截面柱的纵向钢筋简化屈曲模型。此外，还提到S/D比值是影响纵向钢筋屈曲行为的重要因素，其中S和D分别代表箍筋间距和纵向钢筋直径。Lukkunaprasit等人[16]开发了一种使用钢管防止纵向钢筋屈曲的新装置，并进行了相关试验研究。试验结果表明，在高轴荷载下，钢管能够有效抑制纵向钢筋的屈曲。杨等人[17]通过监测纵向钢筋的侧向位移完成了一系列试验，以研究其屈曲行为。研究指出，纵向钢筋的屈曲行为受到混凝土保护层厚度的影响，而与箍筋比、纵向钢筋直径和屈服强度无关。

现有文献中，Rautenberg等人[18][19]、Ou等人[20][21]、Sokoli等人[22]、Zhang等人[23][24]和Li等人[25]对高强度钢筋混凝土柱进行了测试。然而，这些研究主要集中在高强度钢筋对地震性能的影响方面。关于高强度钢筋加固的混凝土柱在小偏心荷载作用下的行为，分析和实验研究非常有限。因此，目前的规范中尚未提供实用可靠的计算方法来设计高强度钢筋混凝土柱。这也是为什么高强度钢筋在钢筋混凝土柱中的应用尚未得到广泛应用的直接原因。几十年来，随着钢铁制造技术的快速发展，中国大陆已经具备了生产600MPa级高强度钢筋的能力，这种钢筋具有明显的屈服平台、线性预屈服行为、较高的塑性和抗拉强度与屈服应力比等优点[26][27]。然而，关于采用600MPa级钢筋加固的混凝土柱在小偏心荷载作用下的力学行为的研究仍然非常有限。

本研究为了提供关于HSRC柱在小偏心荷载作用下的力学性能的试验数据，确定600MPa级钢筋的抗压设计强度，并提出计算HSRC柱承载能力的方法，共建造并研究了九根带悬挑的HSRC柱。

试验细节

试件

在实验计划中设计并建造了九根带悬挑的柱试件。每个试件分为两部分：两个端悬挑区（每个高度为400毫米）和一个高度为800毫米的中央测试区。在两端设置悬挑区的目的是为了方便施加偏心荷载。两个端悬挑区与中央测试区一起浇筑。所有试件的几何尺寸保持一致。为了避免试件在悬挑区发生破坏

试验观察

采用600MPa级钢筋加固的柱子在受小偏心荷载作用下的破坏模式与当前研究中的传统RC柱基本相同。所有试件的破坏都是由于混凝土在压缩区的压碎引起的。所有试件的裂缝扩展过程在整个试验过程中差异不大。图4显示了试件的裂缝分布情况。图5展示了最终的破坏模式

总体描述

本文采用ABAQUS通用有限元程序对受偏心荷载作用的HSRC柱进行了数值模拟实验[32]。当前有限元模型采用了分离建模方法[36]。为了有效避免剪切自锁问题并保证计算精度，使用C3D8R单元模拟混凝土和连接板；而对于钢筋元素，则使用T3D2单元，因为它能够满足要求

荷载-弯矩关系

为了评估当前设计规范对采用600MPa级钢筋的RC柱的适用性，将试验结果与GB50010-2010规范计算的P-M交互曲线进行了比较。GB50010-2010规范采用了平面截面假设，并通过小偏心荷载下受压构件的公式得到了极限承载能力。混凝土的极限抗压应变设定为0.0033。进行了纤维截面分析

结论

研究了采用600MPa级钢筋加固的方形混凝土柱在小偏心荷载作用下的行为。共测试了九根带悬挑的柱子，主要结论如下：

• (1)
  受小偏心荷载作用的HSRC柱的整体破坏模式由压缩区的混凝土控制，而非拉伸区。随着箍筋比和纵向钢筋比的增加，柱子的初始刚度、承载能力和延性得到了提高

作者贡献声明

车家岭：撰写、审稿与编辑。马占武：资金筹集。马燕：撰写、审稿与编辑。马立成：撰写、初稿编写、软件应用、方法研究、实验设计、资金筹集。史庆轩：撰写、审稿与编辑、方法研究、实验设计、资金筹集、概念构思。马玲：资金筹集

未引用参考文献

[33]。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，也没有任何形式的专业或其他个人利益涉及可能影响本文所述观点或评审过程的产品、服务或公司。

致谢

作者非常感谢北方民族大学“中央高校基础科学研究专项基金”（2025QNPY05）、陕西省自然科学基金“基础研究实验室”重点项目（2025SYS-SYSZD-048）、国家自然科学基金（项目编号52578248、42402297）以及宁夏自然科学基金（2025AAC030049）提供的财政支持。