高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土柱小偏壓試驗(yàn)研究

黃宏，曾仁高，張安哥，牟廷敏

(1．華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013;2．江西省建筑過(guò)程模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013; 3．四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都610041)

高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土柱小偏壓試驗(yàn)研究

黃宏1，2，曾仁高1，2，張安哥1，牟廷敏3

(1．華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013;2．江西省建筑過(guò)程模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013; 3．四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都610041)

通過(guò)12根鋼筋混凝土柱(其中9根采用了高鈦重礦渣集料)的偏心受壓試驗(yàn)，研究了高鈦重礦渣鋼筋混凝土小偏壓柱的受力性能和破壞形態(tài)。對(duì)比分析了骨料類(lèi)型和偏心距對(duì)柱的極限承載力和剛度的影響。研究結(jié)果表明:相較于普通砂石，高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土柱力學(xué)性能優(yōu)良，承載力高于普通鋼筋混凝土柱;采用了礦渣碎石、普通砂作集料的鋼筋混凝土柱的剛度略大于其它集料類(lèi)型。采用現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土偏壓柱的正截面承載力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比偏于安全，且與普通鋼筋混凝土試件的比較結(jié)果相同，因此可采用現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)高鈦重礦渣鋼筋混凝土偏壓柱進(jìn)行設(shè)計(jì)。

高鈦重礦渣 鋼筋混凝土 小偏壓柱 極限承載力 試驗(yàn)研究

隨著交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，對(duì)高速公路里程和路網(wǎng)覆蓋需求越來(lái)越大。高速公路的建設(shè)不可避免地要穿越一些砂、石資源比較缺乏的地區(qū)，例如麗江至攀枝花(簡(jiǎn)稱(chēng)麗攀)高速公路。麗攀高速公路攀枝花段長(zhǎng)約50 km，全線(xiàn)設(shè)有特大橋3座、長(zhǎng)隧道2座、橋隧比例高達(dá)90%以上，需混凝土100多萬(wàn)m3?；炷了枭啊⑹蟻?lái)源成為建設(shè)的關(guān)鍵，如從外地采購(gòu)成本巨大，且會(huì)受到季節(jié)因素影響導(dǎo)致數(shù)量不足影響工程進(jìn)度。因此，若將攀枝花所堆積的高鈦重礦渣作為粗、細(xì)集料配制高性能混凝土用于麗攀高速公路的橋梁、隧道、路面工程，工程造價(jià)將顯著降低，且對(duì)于節(jié)約自然資源、保護(hù)長(zhǎng)江上游生態(tài)平衡具有重要意義。

國(guó)內(nèi)對(duì)高鈦重礦渣的研究范圍寬泛，如周旭等［1］進(jìn)行了高鈦重礦渣碎石替代普通粗骨料的試驗(yàn)研究，得出高鈦重礦渣碎石可以用作混凝土的粗骨料;張繼東［2］對(duì)高鈦礦渣的粉磨特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明高鈦重礦渣的易磨性較普通混凝土差。焦?jié)龋?-4］進(jìn)行了全高爐礦渣和半礦渣鋼筋混凝土柱的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究了這兩種骨料類(lèi)型試件的延性性能;陳偉等［5］進(jìn)行了高鈦高爐渣鋼筋混凝土梁的純彎試驗(yàn)，研究了梁的正截面強(qiáng)度和延性;李小偉等［6-7］進(jìn)行了高鈦重渣骨料和高鈦重渣砂高強(qiáng)混凝土柱的擬靜力試驗(yàn)，研究了這兩種骨料類(lèi)型試件的抗震性能;本課題組［8］對(duì)高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土柱的軸心受壓力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:與普通鋼筋混凝土柱相比，用高鈦重礦渣作粗細(xì)集料的鋼筋混凝土柱的承載力更高、軸向變形略大，采用現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］計(jì)算的高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土試件的抗壓承載力偏于安全。目前，對(duì)于高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土柱在偏心受壓作用下的試驗(yàn)研究未見(jiàn)報(bào)道，這不利于高鈦重礦渣集料混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用推廣。

本文變化骨料類(lèi)型和偏心距共設(shè)計(jì)了12根鋼筋混凝土柱進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn)研究，此次試驗(yàn)試件的相對(duì)受壓區(qū)高度大于區(qū)分偏心受壓構(gòu)件拉、壓破壞的界限混凝土受壓區(qū)高度，為小偏心受壓范圍。通過(guò)對(duì)12根鋼筋混凝土柱的破壞形態(tài)、受力過(guò)程、承載力進(jìn)行對(duì)比分析，探討小偏心范圍內(nèi)偏心距和高鈦重礦渣粗細(xì)集料對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件承載力的影響，為高鈦重礦渣集料混凝土柱的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料選用與試件設(shè)計(jì)

試件的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C50，配制材料有海螺牌42.5級(jí)水泥、天然河砂、天然碎石、高鈦重礦渣砂(簡(jiǎn)稱(chēng)渣砂)、高鈦重礦渣碎石(簡(jiǎn)稱(chēng)渣石)、城市自來(lái)水和聚羧酸減水劑，粗骨料粒徑為5～25 mm。采用不同粗細(xì)集料配制了4種類(lèi)別的混凝土，1 m3混凝土所需要材料的用量見(jiàn)表1?；炷敛捎脭嚢铏C(jī)拌合，人工澆筑到模型內(nèi)，再用手持振搗棒振搗密實(shí)。同時(shí)預(yù)留混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊，同等條件下養(yǎng)護(hù)61 d。實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu見(jiàn)表2。

表1 混凝土原材料用量kg/m3

表2 試件主要參數(shù)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了12根牛腿柱，其中普通砂石、渣砂渣石、渣砂普石、普砂渣石各3根用于偏心受壓試驗(yàn)，試件主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。試件截面尺寸為200 mm×250 mm，柱長(zhǎng)l=1.5 m。試件采用非對(duì)稱(chēng)配筋，主筋為HRB335級(jí)鋼筋。試件的具體尺寸及配筋情況見(jiàn)圖1。遠(yuǎn)離軸向力一側(cè)縱筋直徑為12 mm，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度515 MPa;靠近軸向力一側(cè)縱筋直徑為16 mm，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度525 MPa。箍筋為HPB300級(jí)鋼筋，直徑6.5 mm，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度380 MPa。

圖1 試件的尺寸及配筋情況(單位:mm)

圖2 試件加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在5 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載裝置如圖2所示。試件兩端加載裝置為刀口鉸，用來(lái)模擬試件兩端鉸接的邊界條件。

本文用到的試驗(yàn)量測(cè)數(shù)據(jù)有試件的橫向位移、鋼筋和混凝土的縱向應(yīng)變。圖1、圖2給出了試件各測(cè)點(diǎn)的布置情況，試件的所有主筋中部位置處布置了應(yīng)變片，試件中部某一側(cè)沿截面高度縱向布置了應(yīng)變片，試件遠(yuǎn)離軸向力一側(cè)的兩端與中部布設(shè)了3個(gè)百分表。

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［10］中試驗(yàn)加載規(guī)定，試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

圖3給出了不同偏心距下柱的典型破壞形態(tài)圖。

圖3 小偏心受壓柱的典型受壓破壞形態(tài)

偏心距為20 mm的柱破壞與軸壓柱［8］的破壞類(lèi)似，沒(méi)有出現(xiàn)橫向裂縫。加載過(guò)程中，牛腿處的混凝土出現(xiàn)縱向小裂縫(由混凝土受壓破壞引起)，且隨著承載力的增加裂縫的數(shù)量增多、寬度增大，甚至有壓碎的混凝土剝落。其中PYD-1的極限承載力明顯小于本文的計(jì)算值，破壞時(shí)柱的一角有較大崩裂，觀察發(fā)現(xiàn)鋼筋偏離預(yù)計(jì)位置。分析其原因是由于鋼筋骨架在振搗過(guò)程中位置出現(xiàn)偏差導(dǎo)致試件極限承載力遠(yuǎn)小于計(jì)算值。

偏心距為40 mm的柱，靠近軸向力的一側(cè)先出現(xiàn)縱向裂縫，直到柱破壞后，遠(yuǎn)離軸向壓力的一側(cè)才出現(xiàn)橫向裂縫(由混凝土受拉開(kāi)裂引起)。其中，柱PYB-2，PYD-2的壓碎區(qū)出現(xiàn)在牛腿處受壓側(cè)，而PYA-2，PYC-2出現(xiàn)在柱身中部的受壓側(cè)。

偏心距為60 mm的柱，第一條橫向裂縫出現(xiàn)在遠(yuǎn)離軸向力一側(cè)的中部，直到荷載達(dá)到60%左右時(shí)，靠近軸向力一側(cè)才出現(xiàn)縱向裂縫。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，縱向裂縫開(kāi)展，混凝土剝落，柱成微彎狀且承載力下降。

試驗(yàn)中所有偏心距為20，40 mm的試件破壞前僅出現(xiàn)少數(shù)幾條縱向裂縫，遠(yuǎn)離軸向壓力的一側(cè)不出現(xiàn)橫向裂縫或者橫向裂縫不明顯，屬于典型的小偏心受壓破壞;偏心距為60 mm的試件在破壞前橫向裂縫數(shù)量不再增加，而縱向裂縫持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致柱破壞，破壞形態(tài)與大偏心受壓破壞接近。骨料類(lèi)型的差異并不影響試件的破壞形態(tài)。

2.2 混凝土正截面應(yīng)變

以偏心距為40 mm的試件為例，圖4列出了4種骨料類(lèi)型的試件沿截面高度不同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變分布圖，從圖中能夠看出本試驗(yàn)試件的荷載P在極限承載力Nu

0的87%以?xún)?nèi)時(shí)，試件沿截面高度的應(yīng)變分布近似在一條直線(xiàn)上。由此說(shuō)明，在接近極限承載力的加載范圍內(nèi)，鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件中采用高鈦重礦渣作粗骨料、細(xì)骨料、粗細(xì)骨料時(shí)與普通混凝土一樣，基本符合GB 50010—2010中正截面承載力計(jì)算理論的平截面假定。

圖4 各種類(lèi)型混凝土試件應(yīng)變—截面高度關(guān)系曲線(xiàn)

2.3 承載力分析

圖5所示為所有試件的荷載—側(cè)向撓度關(guān)系曲線(xiàn)。比較相同偏心距的3組試件(除澆筑出現(xiàn)異常的試件PYD-1外)，對(duì)柱的極限承載力和剛度進(jìn)行分析。結(jié)果表明:高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土試件的極限承載力明顯高于普通砂石混凝土試件;采用了礦渣碎石和普通砂作集料的試件，其剛度略大于其余3類(lèi)試件。

由圖中取峰值荷載作為實(shí)測(cè)極限承載力(Nu0)列于表2中。由于不同骨料的混凝土強(qiáng)度不同，為了便于比較，表2中計(jì)算極限承載力(Nu)為按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)對(duì)普通鋼筋混凝土偏壓柱正截面受壓承載力的計(jì)算公式(第6.2.17條，公式1—4，公式考慮了二階彎矩影響)計(jì)算所得結(jié)果，計(jì)算時(shí)混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度取值參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》［11］。比較表2中4類(lèi)骨料試件的實(shí)測(cè)極限承載力與計(jì)算極限承載力之比Nu0/Nu，除試件PYD-1外(試件加工偏差)，采用現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)骨料分別為渣砂渣石、渣砂普石、普砂渣石的3類(lèi)鋼筋混凝土試件承載力的計(jì)算情況與普通鋼筋混凝土試件相似。且計(jì)算值與試驗(yàn)值相比都偏于保守，因此可采用現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)本文研究的不同骨料類(lèi)型鋼筋混凝土試件的承載力極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

2.4 極限承載力與偏心距關(guān)系

試驗(yàn)所得不同試件的極限承載力與偏心距的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖6(去除了試件PYD-1)?？梢?jiàn)各種骨料類(lèi)型試件的極限承載力均隨著偏心距的增大而減小。

圖5 荷載—側(cè)向撓度關(guān)系曲線(xiàn)

圖6 極限承載力與偏心距的關(guān)系曲線(xiàn)

3 結(jié)論

1)對(duì)比本文所研究的4種骨料類(lèi)型的鋼筋混凝土試件，骨料類(lèi)型的差異對(duì)試件的破壞形態(tài)并無(wú)影響。

2)在達(dá)到極限承載力之前，高鈦重礦渣集料混凝土與普通混凝土一樣，基本能夠滿(mǎn)足平截面假定。

3)采用高鈦重礦渣作為粗細(xì)骨料的鋼筋混凝土小偏心受壓構(gòu)件的承載力，可按照現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果偏于安全。

4)各種骨料類(lèi)型試件的極限承載力均隨著偏心距的增大而減小。

［1］周旭，李江龍，羅崇理．高鈦高爐渣碎石用做砼骨料的研究［J］．鋼鐵釩鈦，2001(4):43-46，68．

［2］張繼東．高鈦礦渣的粉磨特性研究［J］．中國(guó)粉體技術(shù)，2005(1):21-23．

［3］焦?jié)?，陳偉，李學(xué)偉．攀鋼高爐半礦渣鋼筋混凝土柱的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)［J］．工程抗震與加固改造，2013(2):75-79．

［4］焦?jié)?，李小偉，陳偉，等．全高爐礦渣鋼筋混凝土柱的延性試驗(yàn)［J］．混凝土與水泥制品，2013(2):60-63．

［5］陳偉，黃雙華，孫金坤，等．高鈦高爐渣鋼筋混凝土梁正截面強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］．四川建筑科學(xué)研究，2009(4):51-53．

［6］李小偉，陳偉，李學(xué)偉．高鈦重渣骨料高強(qiáng)混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2013(9):96-100．

［7］李小偉，陳偉，李學(xué)偉．高鈦重渣砂HRC柱抗震性能試驗(yàn)研究［J］．世界地震工程，2013(2):39-45．

［8］管理，曾仁高，牟廷敏，等．高鈦重礦渣鋼筋砼軸壓短柱的試驗(yàn)研究［C］//第22屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(第Ⅱ冊(cè))．烏魯木齊:中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)工程專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，2013．

［9］中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

［10］中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50152—2012混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012．

［11］藍(lán)宗建．混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］．南京:東南大學(xué)出版社，2008．

Experimental study on eccentric compressive behaviors of reinforced concrete columns with high titanium heavy slag aggregate

HUANG Hong1，2，ZENG Rengao1，2，ZHANG Ange1，MOU Tingmin3
(1．College of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang Jianxi 330013，China; 2．Jiangxi Provincial Key Laboratory of Control and Simulation of Construction Process，Nanchang Jianxi 330013，China; 3．Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning，Survey，Design and Research Institute，Chengdu Sichuan 610041，China)

T he paper conducts eccentric compression test to 12 reinforced concrete columns to study the force-bearing performance and failure mode of column with high titanium heavy slag aggregate(which accounts for 3/4 of the total specimens applied)．T he results indicate that compared with its counterpart，the specimens with high titanium heavy slag aggregate stand out in both mechanical and force-bearing performance，while columns with slag-gravel or sand as aggregate display a slightly better stiffness property．Afterwards，the paper takes reference from the current design specifications for concrete structure and carry out force-bearing calculation on the normal section of the columns with high titanium heavy slag aggregate．T he calculation results show that the conclusion arrived from the test is arguably correct，at the same time the calculation confirms the previous comparison of the specimens with high titanium heavy slag aggregate and those without．T herefore，it can be said that the current specification for concrete structure can be used in the design of eccentric compression column with high titanium heavy slag aggregate．

High titanium heavy slag;Reinforced concrete;Small eccentric compressive column;Loading limit; Experimental study

TU317+．1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．42

1003-1995(2015)04-0162-05

(責(zé)任審編孟慶伶)

2014-12-08;

2015-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378206，51008122);江西省青年科學(xué)家培養(yǎng)對(duì)象(20133BCB23015);江西省重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目(20114ACB01000);江西省教育廳科技計(jì)劃落地項(xiàng)目(贛財(cái)教［2011］243號(hào));交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目(2011318351930)

黃宏(1977—)，女，江西樟樹(shù)人，教授，博士。