重復(fù)荷載下600 MPa級(jí)鋼筋混凝土軸壓柱受力性能研究

李艷艷,劉彬

(河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院, 天津300401)

0 引言

600 MPa級(jí)鋼筋具有強(qiáng)度高、延伸性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)保節(jié)約、經(jīng)濟(jì)高效的新型建筑材料。然而，由于缺乏600 MPa級(jí)鋼筋混凝土構(gòu)件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前并未列入現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)。許多專家學(xué)者研究了高強(qiáng)鋼筋在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[1-5]，主要集中于對(duì)各種配置HRB400、HRB500鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能研究。鋼筋混凝土柱是鋼筋混凝土最基本的構(gòu)件，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了許多的試驗(yàn)研究和理論分析[6-12]。但在實(shí)際工程中，鋼筋混凝土柱不僅僅承受單調(diào)荷載，往往主要承受重復(fù)荷載。且研究結(jié)果表明，兩種情況下柱的受力性能是不相同的[13-17]。鑒于此，有必要對(duì)重復(fù)荷載作用下配置600 MPa高強(qiáng)鋼筋的鋼筋混凝土軸壓柱進(jìn)行力學(xué)性能研究。

1 試件方案

設(shè)計(jì)并制作了10根鋼筋混凝土軸壓構(gòu)件，包括8根配置600 MPa級(jí)鋼筋、1根配置HRB400鋼筋和1根配置HRB500鋼筋為受力縱筋的鋼筋混凝土受壓構(gòu)件。采用對(duì)稱配筋，保護(hù)層20 mm，C40混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為44.13 MPa，C50混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為49.3 MPa。具體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1，具體配筋見(jiàn)圖1。

表1 構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of compression members

600 MPa級(jí)鋼筋的材料性能如表2所示。

表2 鋼筋材料力學(xué)性能實(shí)測(cè)值Tab.2 Mechanical properties of reinforcement

圖1 軸壓試件示意圖
Fig.1 Axially compressed specimen sketch

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

所有試驗(yàn)均在1 000 t微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。量測(cè)項(xiàng)目包括軸向荷載N、4個(gè)縱向變形以及鋼筋和混凝土的應(yīng)變，如圖2所示。其中，在構(gòu)件上部放置荷載傳感器以采集施加在構(gòu)件上的荷載值，在柱中位置對(duì)面布置兩個(gè)位移計(jì)進(jìn)行縱向變形的量測(cè)，標(biāo)距為L(zhǎng)/2。另外，在試驗(yàn)裝置的頂板與底板之間對(duì)角布置兩個(gè)位移計(jì)，以采集600 MPa級(jí)鋼筋混凝土柱的軸向壓縮位移值。在縱向鋼筋和試驗(yàn)柱四面的中心位置粘有電阻應(yīng)變片，以采集受壓鋼筋和混凝土的應(yīng)變值。所有數(shù)據(jù)均使用DH3818-3采集系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)變信號(hào)采集。

(a) 加載裝置

(b) 儀表布置

圖2 加載裝置及測(cè)試方案
Fig.2 Loading instrumentation and schematic diagram

2.2 加載制度

在正式加載前，先進(jìn)行預(yù)加載。預(yù)加載時(shí)測(cè)量柱的四個(gè)側(cè)面的混凝土壓縮應(yīng)變，并根據(jù)收集的應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)柱位置的調(diào)整，直到試驗(yàn)柱四個(gè)側(cè)面混凝土的壓縮應(yīng)變基本相等時(shí)，即構(gòu)件的物理對(duì)中，再正式進(jìn)行加載。

試驗(yàn)采用荷載—位移控制。先使用荷載控制，每一級(jí)加載值為計(jì)算承載力的10 %，待持荷時(shí)間結(jié)束，緩慢將荷載卸載至零，再重新加載至下一級(jí)計(jì)算荷載值。加載達(dá)到承載力計(jì)算值的90 %左右或當(dāng)鋼筋屈服后，改由位移速率控制加載，直至試件破壞，荷載下降至峰值荷載的30 %左右，試驗(yàn)結(jié)束。

圖3 破壞形態(tài)Fig.3 Failure pattern

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 破壞現(xiàn)象

在加載初始時(shí)，軸壓構(gòu)件上下端頭會(huì)出現(xiàn)少許微小的縱向裂紋，并隨著荷載值的逐漸增加，會(huì)有少量延伸。當(dāng)加載值到達(dá)受壓承載力的90 %左右時(shí)，裂縫會(huì)發(fā)展至軸壓構(gòu)件柱中位置。接近峰值荷載時(shí)，構(gòu)件會(huì)持續(xù)發(fā)出混凝土被壓碎的聲音，軸壓構(gòu)件中部的混凝土開(kāi)裂，隨后出現(xiàn)豎向貫通裂縫，沿柱表面形成主斜剪切裂縫，并貫穿整個(gè)截面。隨著位移的繼續(xù)增加，受壓承載力下降，柱中部分成為裂縫發(fā)展的主要區(qū)域。荷載下降至峰值荷載的80 %后，混凝土保護(hù)層開(kāi)始逐漸破裂和剝落。荷載下降至峰值荷載的50 %以下，裂縫繼續(xù)發(fā)展，寬度變大，軸壓構(gòu)件混凝土保護(hù)層的嚴(yán)重剝落，鋼筋暴露可見(jiàn)，縱筋隆起外突。試件破壞狀態(tài)見(jiàn)圖3。

3.2 荷載—位移曲線

圖4給出了部分試件的荷載—位移關(guān)系曲線。

(a) 試件B3荷載—位移曲線

(b) 試件D2荷載—位移曲線

圖4 荷載—位移曲線
Fig.4 Load-displacement curves

在加載開(kāi)始初期，軸壓構(gòu)件剛度較大，隨著重復(fù)荷載的卸載和再加載的不斷進(jìn)行，曲線的斜率也在逐漸減小，這是由于軸壓構(gòu)件在重復(fù)加載過(guò)程中，發(fā)生累積損傷，導(dǎo)致壓縮剛度逐漸退化。在加載前期，滯回環(huán)面積非常小，之后隨荷載和位移的增加，在位移控制階段加卸載次數(shù)的增多，每一級(jí)滯回環(huán)的面積逐漸變大，尤其是在軸壓構(gòu)件達(dá)到峰值荷載之后，滯回環(huán)的面積顯著增大，表現(xiàn)出耗能逐漸增多的特點(diǎn)，并且在每次循環(huán)之后，都會(huì)留下殘余位移，在破壞時(shí)殘余位移達(dá)到最大。

3.3 名義壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖5繪制了不同影響因素下鋼筋混凝土柱的名義應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。

(a) 不同混凝土強(qiáng)度的鋼筋混凝土柱的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

(c) 不同體積配箍率的鋼筋混凝土柱的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

(d) 不同鋼筋強(qiáng)度的鋼筋混凝土柱的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

圖5 不同影響因素下鋼筋混凝土柱的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系
Fig.5 Stress-strain relationships of the RC columns under different influence factors

① 混凝土強(qiáng)度的影響。

由圖5(a)可以看出，當(dāng)構(gòu)件的縱筋配筋率相同時(shí)，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，軸壓試件的峰值應(yīng)力也隨之增大；構(gòu)件A2的峰值應(yīng)變達(dá)到0.003 55，構(gòu)件B2的峰值應(yīng)變達(dá)到0.003 41，由此可見(jiàn)，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，峰值應(yīng)變卻略有所減小。

② 縱筋配筋率的影響。

由圖5(b)可以看出，當(dāng)構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度相同時(shí)，構(gòu)件A1的峰值應(yīng)變接近0.003，而構(gòu)件A2的峰值應(yīng)變達(dá)到0.003 55，構(gòu)件A3的峰值應(yīng)變達(dá)到0.003 25，配筋率較大的構(gòu)件A2、A3的峰值應(yīng)變、峰值應(yīng)力均明顯高于配筋率較小的構(gòu)件A1，但當(dāng)配筋率較大時(shí)，構(gòu)件的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變隨縱筋配筋率的變化則較不明顯，甚至略有下降。同時(shí)隨著配筋率的增加，應(yīng)力—應(yīng)變曲線后期下降平緩，延性較好。

③ 配箍率的影響。

由圖5(c)可以看出，當(dāng)構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度和縱筋配筋率相同體積配箍率不同時(shí)，構(gòu)件的峰值應(yīng)力隨著體積配箍率的提高而增大；構(gòu)件B2的峰值應(yīng)變達(dá)到0.003 41，構(gòu)件D2的峰值應(yīng)變達(dá)到0.003 38，由此看出，隨著體積配箍率的提高，峰值應(yīng)變也會(huì)略有增大。

④ 鋼筋強(qiáng)度的影響。

由圖5(d)可以看出，構(gòu)件A1的峰值應(yīng)變接近0.003，而構(gòu)件C1的峰值應(yīng)變達(dá)到0.003 55，構(gòu)件A1比構(gòu)件C1的峰值應(yīng)變更小，但后期延性較好，而兩者峰值應(yīng)力相差不大。由此可見(jiàn)，對(duì)于改善混凝土軸壓柱延性性能而言，HRB400鋼筋要略優(yōu)于600 MPa級(jí)鋼筋。

3.4 荷載—鋼筋應(yīng)變曲線

試件的荷載—鋼筋應(yīng)變曲線如圖6所示。

(a) 屈服鋼筋的荷載—鋼筋應(yīng)變關(guān)系

(b) 未屈服鋼筋的荷載—鋼筋應(yīng)變關(guān)系

圖6 600 MPa級(jí)鋼筋混凝土柱的荷載—鋼筋應(yīng)變關(guān)系
Fig.6 Load-strain relationships of the RC columns with 600 MPa steel bars

從圖中可以看出，在外部荷載較小時(shí)，荷載和鋼筋應(yīng)變大致呈線性關(guān)系。隨著外部荷載的繼續(xù)增加，混凝土開(kāi)始出現(xiàn)裂縫并不斷延伸，曲線的斜率隨之減小，表現(xiàn)出明顯的非線性。在試件達(dá)到極限承載力時(shí)，鋼筋開(kāi)始屈服或接近屈服，鋼筋的壓應(yīng)變基本達(dá)到并超過(guò)規(guī)范規(guī)定的混凝土極限壓應(yīng)變，有的甚至可達(dá)到0.004 8。但從圖6(b)中看出，部分試件在達(dá)到極限承載力時(shí)，鋼筋應(yīng)變僅有0.002 37，鋼筋并未屈服，而是在峰值過(guò)后才迅速屈服，這種情況更容易出現(xiàn)在縱向配筋率較大的試件中。

3.5 軸心受壓承載力分析

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)中對(duì)鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件承載力計(jì)算公式為：

(1)

表3 軸心受壓柱計(jì)算結(jié)果1Tab.3 Count results of columns under axial load

注1：Nu是試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際所測(cè)得的峰值荷載；Nu1是按鋼筋實(shí)測(cè)強(qiáng)度及混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度按公式(1)計(jì)算得的受壓承載力；Nu2是按鋼筋強(qiáng)度取400 MPa及混凝土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值按公式(1)計(jì)算得到的受壓承載力。

4 結(jié)論

① 配置600 MPa級(jí)鋼筋的混凝土軸壓柱在重復(fù)荷載作用下的破壞形態(tài)與普通鋼筋混凝土軸壓柱的破壞形態(tài)相似。

② 軸壓試件的峰值應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度的提高而增大，但峰值應(yīng)變卻略有減小；軸壓構(gòu)件的峰值應(yīng)變會(huì)隨縱筋配筋率的增大而增大，但當(dāng)配筋率較大時(shí)，則影響不大；軸壓構(gòu)件的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變隨體積配箍率的提高而增大。