外包活性粉末混凝土型鋼柱軸壓性能分析

卜良桃，劉 勇

湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082

【土木建筑工程 / Architecture and Civil Engineering】

外包活性粉末混凝土型鋼柱軸壓性能分析

卜良桃，劉 勇

湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082

采用不同力學(xué)性能等級(jí)的活性粉末混凝土材料，制作3組外包活性粉末混凝土無(wú)縱筋型鋼組合柱，并在型鋼上設(shè)置抗剪銷釘，對(duì)其進(jìn)行軸壓承載力性能試驗(yàn). 結(jié)果表明，型鋼與活性粉末混凝土具有良好的協(xié)同工作能力，試件破壞時(shí)未出現(xiàn)保護(hù)層混凝土剝離現(xiàn)象，有較好的整體性能. 提出該組合柱在軸向荷載下有彈性階段、銷釘抗滑移階段、協(xié)同工作階段、塑性階段和破壞階段5個(gè)過(guò)程，以柱端部劈裂破壞為主要破壞形式，活性粉末混凝土與型鋼的強(qiáng)度都能較充分發(fā)揮. 參考相關(guān)規(guī)范提出了該組合結(jié)構(gòu)的近似承載力公式.

結(jié)構(gòu)工程；活性粉末混凝土；無(wú)縱筋；型鋼組合柱；軸壓試驗(yàn)；劈裂破壞

活性粉末混凝土(reactive powder concrete，RPC)是一種新型的高致密水泥基復(fù)合材料，具有強(qiáng)度大、韌性高和體積穩(wěn)定性良好等優(yōu)越的材料性能，已有學(xué)者將其大量應(yīng)用于橋梁、市政、核電、港口海洋和修復(fù)加固等領(lǐng)域[1]. 林震宇等[2]對(duì) 22 根不摻鋼纖維的圓鋼管RPC短柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)套箍指標(biāo)在0.182～0.666 時(shí)試件多呈剪切破壞形態(tài)，套箍指標(biāo)在 0.660～1.329 時(shí)試件呈兩端局部鼓曲破壞，建立了圓鋼管 RPC 的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變等特征參數(shù)的計(jì)算方法，并推薦了圓鋼管 RPC 軸壓短柱極限承載力統(tǒng)一計(jì)算公式. 朱倩等[3]考慮了鋼管 RPC 短柱構(gòu)件的界面黏結(jié)性能和尺寸效應(yīng)，基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論和厚壁圓筒理論，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，推導(dǎo)出圓形及方形鋼管 RPC軸壓短柱極限承載力實(shí)用計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好. 王鈞等[4]通過(guò) 2 根不同壁厚免拆柱模的RPC混凝土短柱與 1 根普通鋼筋混凝土方柱的軸壓試驗(yàn)對(duì)比研究，探討了配有鋼纖維 RPC 免拆柱模的鋼筋混凝土短柱軸壓承載力計(jì)算方法，表明免拆柱模顯著提高了試件的極限承載力，且限制了試件的側(cè)向變形與軸向變形. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)和深圳大學(xué)等高校相繼研究了活性粉末混凝土的配制技術(shù)、材料力學(xué)性能，以及活性粉末混凝土梁、板和柱的構(gòu)件性能，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算，提出了相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算公式[5-10].

本研究根據(jù) RPC 材料的超高抗壓強(qiáng)度，提出了外包活性粉末混凝土無(wú)縱筋型鋼柱的組合結(jié)構(gòu)，即在型鋼外澆筑一層較薄的活性粉末混凝土材料形成組合柱，并通過(guò)設(shè)置抗剪銷釘，保證型鋼與活性粉末混凝土層協(xié)同工作[11-12]. 試驗(yàn)結(jié)果表明，外包活性粉末混凝土的無(wú)縱筋型鋼組合柱具備超高強(qiáng)度、優(yōu)良耐久性等優(yōu)點(diǎn).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共制作 3個(gè)外包活性粉末混凝土型鋼柱試件，設(shè)計(jì)的主要變量是 RPC的強(qiáng)度. 試件編號(hào)用Z-RPC力學(xué)性能等級(jí)表示，劃分為Z-120、Z-150和Z-180 三組編號(hào). 考慮試驗(yàn)壓力機(jī)的最大荷載，試驗(yàn)柱的截面尺寸為200 mm×160 mm，高為1 200 mm，長(zhǎng)細(xì)比為 7.5.活性粉末混凝土截面面積為 29 874 mm2，型鋼截面面積為2 126 mm2，截面含鋼率為6.6%. 采用無(wú)縱筋型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，在型鋼上焊接直徑為6 mm的箍筋，間距為200 mm，同時(shí)在型鋼腹板處焊接銷釘[13-14]. 試件截面尺寸及箍筋與銷釘布置示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 試件截面和箍筋與銷釘布置示意圖(單位：mm)Fig.1 Sketch map of specimen section and location of stirrups and pins(unit：mm)

活性粉末混凝土采用湖南固力工程新材料有限公司提供的干混料，配制RPC120、RPC150和RPC180三種力學(xué)性能等級(jí)的RPC材料，水膠比分別為 0.2、0.18和0.16，鋼纖維摻量均為 2%(體積分?jǐn)?shù))，拌合料現(xiàn)場(chǎng)攪拌后立即入模澆筑，將試件保濕養(yǎng)護(hù) 24 h后，放入養(yǎng)護(hù)池進(jìn)行熱水養(yǎng)護(hù)48 h，養(yǎng)護(hù)溫度控制在 70～80 ℃[15].

1.2 材料試驗(yàn)和力學(xué)性能

表1 RPC基本力學(xué)性能指標(biāo)

表2 鋼材力學(xué)性能指標(biāo)

1.3 加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

加載裝置采用電液伺服協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)，采用混合控制的加載方法，在達(dá)到試件預(yù)估極限荷載的 80% 前，加載方法采用荷載控制，并分級(jí)施加，每級(jí) 200 kN，當(dāng)達(dá)到預(yù)估極限荷載的 80%后采用位移控制，直至試件破壞. 為使試件各部分接觸良好，試驗(yàn)前對(duì)試件分級(jí)進(jìn)行預(yù)加載，每級(jí)預(yù)加軸力 200 kN，加載至 800 kN時(shí)，檢查加載裝置和測(cè)試儀表工作情況. 在試驗(yàn)加載過(guò)程中，為實(shí)時(shí)監(jiān)控試件的破壞情況，選取部分應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)及軸向變形作為監(jiān)控指標(biāo)，特別是在試件接近破壞時(shí)，隨試驗(yàn)過(guò)程調(diào)整加載數(shù)值及速度.

試驗(yàn)中進(jìn)行了軸向變形和RPC表面及型鋼應(yīng)變的測(cè)量. 其中應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在柱身中間截面，單根試件的型鋼和混凝土表面主要位置共布置9個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，如圖2，S代表型鋼應(yīng)變片， R代表 RPC 應(yīng)變片.

圖2 試件測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：mm)Fig.2 Layout of strain gauges(unit：mm)

2 結(jié)果及分析

2.1 荷載與軸向變形關(guān)系

試件的軸壓荷載P與軸向變形Δ曲線見(jiàn)圖3. 其中Δ的測(cè)量值為試件在加載點(diǎn)的軸向位移值，包含支撐底座及上下端墊塊的壓縮變形，由于測(cè)試結(jié)果顯示該部分引起的誤差極小，所以Δ表征試件在試驗(yàn)過(guò)程中柱的軸向變形量. 試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載階段卸載后大部分形變恢復(fù). 3組試件Z-120、Z-150和Z-180 的荷載變形關(guān)系曲線在發(fā)展趨勢(shì)上基本類似，歸納其規(guī)律可將試驗(yàn)過(guò)程大致分為5個(gè)階段：

1)彈性階段.試驗(yàn)由開(kāi)始加載至 600～800kN左右(彈性階段結(jié)束時(shí)軸向荷載為P1)，該部分荷載P與Δ基本保持線性關(guān)系，該線段的斜率與彈性協(xié)調(diào)階段基本一致. 在軸壓荷載作用下混凝土應(yīng)力主要通過(guò)與型鋼表面之間較弱的界面黏結(jié)力傳遞給型鋼，混凝土與型鋼共同工作.

2)抗滑移階段.由P1加載至1 000 ～1 200kN(界面滑移階段結(jié)束時(shí)軸向荷載為P2)， 試件在該階段出現(xiàn)了較大的軸向變形，P-Δ曲線在荷載P1附近出現(xiàn)明顯折點(diǎn). 由于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中型鋼表面光滑，與混凝土黏結(jié)力較小，在軸壓荷載作用下加載端活性粉末混凝土與型鋼界面發(fā)生軟化，產(chǎn)生相對(duì)滑移[19-20]，因此在軸壓荷載增加P1時(shí)，界面處的相對(duì)滑移使軸向變形增大. 隨著軸壓荷載的增加，銷釘開(kāi)始提供抗滑移剪切力，當(dāng)軸壓荷載增加至P2時(shí)，滑移階段結(jié)束.

3) 協(xié)同工作階段.發(fā)生在P2至極限荷載Pu的90% 左右(協(xié)同工作階段結(jié)束時(shí)軸向荷載為P3)之間，由于在界面黏結(jié)力和銷釘抗滑移剪切力的共同作用下，RPC與型鋼繼續(xù)協(xié)同工作. 此階段P與Δ呈良好線性關(guān)系.

4)塑性階段.由P3加載至極限荷載Pu， 軸向荷載達(dá)到P3左右，出現(xiàn)較短暫的塑性階段，P-Δ曲線開(kāi)始逐漸呈非線性關(guān)系發(fā)展，在試驗(yàn)中能聽(tīng)到柱中有清脆的響聲，隨著荷載繼續(xù)增加響聲越頻繁，次數(shù)越多.

5)破壞階段.當(dāng)荷載超過(guò)極限荷載Pu后，試驗(yàn)柱的承載力逐步降低，降至 80%Pu左右后，由于試件端部的縱向裂縫逐步貫通，承載力開(kāi)始急劇下滑.

圖3 試件荷載-變形關(guān)系曲線Fig.3 Load-deformation relationship curves of specimens

2.2 裂縫發(fā)展及破壞特征

3組試件的裂縫發(fā)展和破壞特征基本相同，以試件 Z-150 為例，圖 4 為試件 Z-150 裂縫發(fā)展簡(jiǎn)圖. 在軸壓荷載加載至 3 100 kN 左右時(shí)，在試件端部開(kāi)始出現(xiàn)幾條微弱的初始裂縫，裂縫寬度較小，走向不規(guī)則，沿裂縫發(fā)展方向?qū)挾然揪鶆?，同時(shí)能稀疏聽(tīng)到柱身內(nèi)鋼纖維被拔出或拉斷的清脆響聲. 隨著荷載進(jìn)一步增加，原裂縫的長(zhǎng)度和寬度有部分發(fā)展，同時(shí)在B1面上端部新增幾條縱向裂縫，當(dāng)增加至極限荷載時(shí)，表面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的主裂縫，裂縫相對(duì)較少，裂縫長(zhǎng)度和最大裂縫寬度不大，裂縫集中出現(xiàn)在柱的兩端，部分柱腳有貫穿裂縫，試驗(yàn)柱開(kāi)裂后迅速發(fā)展至極限荷載，但柱身表面裂縫發(fā)育較緩. 在超過(guò)極限荷載后產(chǎn)生多條縱向裂縫，隨著荷載的增加，形成一條向柱身中部延伸的縱向主裂縫，同時(shí)柱端部分混凝土被壓潰，部分柱腳混凝土被壓潰，柱下端部的裂縫相互貫通，在H2面柱下端型鋼翼緣與混凝土交界處有條縱向裂縫，該縱向主裂縫隨著加載的繼續(xù)迅速?gòu)闹讼蛑胁堪l(fā)展，從該主裂縫中可以明顯看到混凝土中鋼纖維被拉屈或拉斷，柱的承載力降低到 1 310 kN時(shí)停止加載.

圖4 試件Z-150裂縫發(fā)展簡(jiǎn)圖Fig.4 Crack patterns of Z-150

試件 Z-150 的最終破壞形式以B1、B2面RPC 的端部縱向劈裂裂縫為主，同時(shí)存在與縱向劈裂裂縫互相垂直的橫向裂縫. 主要原因是由于外包活性粉末混凝土比型鋼突出，導(dǎo)致外包活性粉末混凝土和型鋼受力的不均勻，使構(gòu)件在端部發(fā)生破壞；同時(shí)端部腹板處核心混凝土受到型鋼翼緣板的擠壓作用，且腹板處銷釘外側(cè)的混凝土相對(duì)較厚，B1、B2面相比H1、H2面更易發(fā)生縱向劈裂裂縫.

2.3 荷載應(yīng)變曲線

荷載應(yīng)變關(guān)系曲線表明：試件破壞時(shí)，柱身中部的RPC測(cè)點(diǎn)大部分處于彈性階段，部分型鋼腹板測(cè)點(diǎn)在達(dá)到極限荷載后屈服.

圖5 試件荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Load-deformation relationship curves of specimens

3 對(duì)比分析

3.1 試驗(yàn)組對(duì)比

試驗(yàn)表明，提高 RPC 力學(xué)性能等級(jí)，能明顯提高試驗(yàn)柱的極限承載力，其中試件 Z-150的極限承載能力較試件 Z-120 提高約 600 kN ，試件 Z-180 的極限承載能力較試件 Z-150 提高約 300 kN，采用 RPC 150 的試件承載力提高最為顯著. 而 RPC 180 由于水膠比較低，部分水泥基未充分水化反應(yīng)，影響了試件的承載能力.

3組試件的荷載變形關(guān)系曲線在發(fā)展趨勢(shì)上基本類似，都有較明顯的5個(gè)破壞階段. 在銷釘抗滑移階段，由于混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)型鋼界面的黏結(jié)力影響不大，3組試件中的荷載P1和P2值基本相近. 試件Z-120 的P1≈800kN，P2≈1 040kN；試件Z-150的P1≈660kN，P2≈1 100kN；試件Z-180 的P1≈700kN，P2≈1 150kN.

3組試件的裂縫發(fā)展及破壞特征也基本相同，裂縫出現(xiàn)階段較晚，最終破壞形式均以端部劈裂破壞為主. 初始裂縫出現(xiàn)的階段較晚，之后試件很快達(dá)到極限承載力，超過(guò)極限荷載后，裂縫發(fā)展迅速，均有縱向裂縫出現(xiàn).Z-180 由于水膠比較低，流動(dòng)性偏差，所以在荷載超過(guò)極限荷載后有少量保護(hù)層混凝土剝離，而Z-120和Z-150 并未出現(xiàn)此現(xiàn)象.

3.2 理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由試驗(yàn)結(jié)果可知，該新型組合結(jié)構(gòu)的 RPC 與型鋼有較好協(xié)同工作能力，在計(jì)算極限承載能力時(shí)滿足平截面假定，根據(jù)GB 50010—2010[21]與YB 9082—2006[22]關(guān)于正截面受壓承載力的計(jì)算公式，該結(jié)構(gòu)的軸壓承載力為

Nu=0.9φ(fcAc+fssyAss)

(1)

其中，φ為與構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比相關(guān)的軸壓穩(wěn)定系數(shù)，本試驗(yàn)構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比為 7.5 ，φ取1.0；fc為RPC軸心抗壓強(qiáng)度平均值；fssy為型鋼屈服強(qiáng)度；Ac為RPC截面面積；Ass為型鋼面積.

根據(jù)式(1)分別計(jì)算3組試驗(yàn)柱的軸壓承載力，結(jié)果見(jiàn)表3. 由表3可見(jiàn)，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好.

表3 軸壓承載力試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較1)

1)Na和Nb分別為試驗(yàn)柱軸壓承載力計(jì)算值和試驗(yàn)值.

4 結(jié) 論

1)由于型鋼和外包活性粉末混凝土在端部受力不均勻，組合柱的最終破壞形式以柱端部劈裂破壞為主，且腹板處核心混凝土受到型鋼翼緣板的擠壓作用，以型鋼腹板相垂直的B1、B2面的縱向劈裂裂縫為主，同時(shí)存在與縱向劈裂裂縫相垂直的橫向裂縫. 協(xié)同工作階段、塑性階段和破壞階段.

2)提高RPC力學(xué)性能等級(jí)，能提高試驗(yàn)柱的極限承載力，其中RPC150的承載力提高最顯著.

3)外包活性粉末混凝土無(wú)縱筋型鋼組合柱的軸壓承載力計(jì)算公式可以采用式(1)，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好.

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[22] YB 9082—2006 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. YB 9082—2006 Technical specification steel-Reinforced concrete structures[S].(in Chinese)

【中文責(zé)編：坪 梓；英文責(zé)編：之 聿】

2016-08-23；Accepted：2017-02-20

Professor Bu Liangtao．E-mail: plt63@126.com

Analysis of axial bearing capacity of encased reactive powder concrete composite steel columns

Bu Liangtao and Liu Yong

School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, P.R.China

We use three levels of mechanical properties of reactive powder concrete (RPC) to produce three groups of encased RPC composite columns with longitudinal reinforcement steel, and set up shear pin and then test the performance of axial bearing capacity. The results show that steel and RPC have strong adhesion. The protective layer of RPC is not peeled off when specimen damage occurs, which means that RPC has a good overall performance. According to the experimental phenomena, we propose five different processes of the composite column under the axial load: the elastic stage, the anti-slip stage, the cooperative working stage, the plastic stage and the failure stage. The main damage form is the splitting failure at column ends. The advantages of RPC and steel can be fully developed. The approximate bearing capacity formula of the composite structure is given.

structural engineering; reactive powder concrete; no longitudinal reinforcement; steel reinforced concrete columns; axial compression test; splitting failure

：Bu Liangtao，Liu Yong．Analysis of axial bearing capacity of encased reactive powder concrete composite steel columns[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(3): 245-251.(in Chinese)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278187)；國(guó)家火炬計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013GH561393)

卜良桃(1963—)，男，湖南大學(xué)教授.研究方向：工程結(jié)構(gòu)可靠性鑒定與加固技術(shù)研究.E-mail:plt63@126.com

TU 317.1；TU 323.1

A

10.3724/SP.J.1249.2017.03245

Foundation：National Natural Science Foundation of China(51278187)；China Torch Program(2013GH561393)

引 文：卜良桃，劉 勇．外包活性粉末混凝土型鋼柱軸壓性能分析[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2017，34(3)：245-251.