鋼筋輕質超高性能混凝土偏心受壓柱力學性能試驗研究

曹玉貴 李龍龍 劉沐宇* 張 強

(武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室1) 武漢 430070) (中鐵大橋勘測設計院集團有限公司2) 武漢 430050)

0 引 言

混凝土材料的輕質化和高強化是發(fā)展方向．為此，課題組研發(fā)了一種輕質超高性能混凝土(lightweight ultra high performance concrete，LUHPC)，該材料具有密度低、強度高、耐久性好的優(yōu)點[1]．采用鋼筋LUHPC制備的構件可以有效降低結構自重、提高結構的承載能力.實際工程中的混凝土柱類構件大部分處于偏心受力狀態(tài)；為了探明鋼筋輕質超高性能混凝土偏心受壓柱力學性能，以利于該材料在工程中的應用，開展其偏心受壓柱的力學性能試驗研究是十分必要的．

Yuan等[2]對工程用水泥基復合材料(engineered cementitious composites，ECC)柱進行了偏心試驗研究，發(fā)現(xiàn)ECC柱的偏壓破壞狀態(tài)與普通混凝土的不同，基于ECC的拉壓本構關系和受力平衡條件，提出了一個理論模型來預測偏壓ECC柱的彎矩曲率響應．馬愷澤等[3]試驗分析UHPC柱的偏心受壓力學性能，發(fā)現(xiàn)鋼纖維能夠提高偏心受壓UHPC柱的承載能力，通過考慮受拉區(qū)UHPC對承載力的影響，提出了偏心受壓UHPC柱的承載力計算公式．由于不同種類的混凝土材料力學性能存在差異，不同混凝土類型的偏心受壓柱承載能力計算公式并不相同．現(xiàn)有文獻表明偏心荷載對混凝土柱的承載能力有顯著影響[4-8]．目前GB50010《混凝土結構設計規(guī)范》給出了偏心受壓普通混凝土柱承載能力計算公式，但是該公式只適用于抗壓強度小80 MPa的混凝土，且沒有考慮混凝土的受拉作用．

為了明確鋼筋LUHPC偏心受壓柱力學性能，文中以偏心距和配筋率為參數(shù)，設計制作了配筋率為0%、1.39%、2.05%、3.57%的4種試件，進行偏心距為0，30，60和120 mm的加載試驗，研究了配筋率和偏心距對鋼筋LUHPC偏心受壓柱破壞形態(tài)、極限承載力、荷載-側向位移曲線和荷載-應變曲線的影響規(guī)律．

1 試驗概況

1.1 偏心受壓柱設計

試驗共設計16根鋼筋LUHPC試件，尺寸見圖1．參數(shù)為偏心距和配筋率，其中偏心距分別為0，30，60和120 mm，配筋率分別為0%、1.395%、2.05%、3.57%．試件編號及設計參數(shù)見表1．

表1 試件設計參數(shù)

1.2 鋼筋LUHPC材料力學性能

在制備鋼筋LUHPC材料時，采用的配合比見表2，并按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對鋼筋LUHPC的抗壓強度、彈性模量和劈裂強度進行測試，測試結果見表3．鋼筋的材料特性由拉拔試驗測定，測得鋼筋的屈服強度為440 MPa，屈服應變?yōu)?.002 2．

表2 鋼筋LUHPC配合比

表3 鋼筋LUHPC基本力學性質 單位：MPa

1.3 加載方案及加載裝置

試驗采用1 000 t伺服壓力試驗機對鋼筋LUHPC偏心柱進行加載．在LUHPC柱受拉側放置三個水平位移計，用于測量LUHPC柱中和兩端的水平位移．在柱的中部放置4個豎直位移計，用于測量豎向位移．應變采集主要包含LUHPC應變和縱向鋼筋應變．其中，LUHPC柱表面應變采用應變片和非接觸式DIC設備同時采集．應變片布置于1/2柱高及上方100 mm處，用以測量鋼筋LUHPC偏心柱在不同加載階段時的應變情況；同時采用DIC測量整個加載過程中LUHPC表面應變的實時變化規(guī)律．

2 試驗結果分析

2.1 典型破壞狀態(tài)

1) 在相同偏心距下，不同配筋率試件的破壞狀態(tài) 限于篇幅，文中僅給出偏心距為60 mm時的情況．不同配筋率的鋼筋LUHPC偏心柱的破壞狀態(tài)，見圖2．從左到右，試件的配筋率分別為0%、1.395%、2.05%和3.57%．從圖2可知:隨著配筋率的增加，最大受拉側混凝土裂縫逐漸變多，裂縫寬度逐漸變??；配筋率對最大受壓側的鋼筋LUHPC裂縫分布區(qū)域影響不大．SLC60-1試件最大受拉側只有一條主裂縫，SLC60-4試件受拉區(qū)出現(xiàn)較多的微小裂縫．這說明試件的配筋率的增加可以延緩受拉區(qū)鋼筋LUHPC的開裂，從而提高試件的承載能力．

圖2 配筋率對鋼筋LUHPC偏心受壓柱破壞狀態(tài)

2) 在相同配筋率下，不同偏心距試件的破壞狀態(tài) 配筋率為1.57%時，不同荷載偏心距下鋼筋LUHPC偏心柱的典型破壞形態(tài)，見圖3．由圖3可知：軸心受壓試件的混凝土發(fā)生了局部壓碎現(xiàn)象，主要是因為軸壓狀態(tài)下試件的承載能力是由鋼筋和混凝土共同承擔．隨著偏心距的增加，試件最大受拉側的裂縫逐漸增加；同時最大受壓側混凝土破壞區(qū)域隨著偏心距的增加而逐漸減小，其原因是當偏心距增大到一定程度時，試件的承載能力主要由受拉區(qū)混凝土和鋼筋控制．隨著偏心距的變大，承載力迅速變?。?/p>

圖3 偏心距對鋼筋LUHPC偏心受壓柱破壞狀態(tài)

2.2 荷載-側向撓度曲線

圖4為偏心荷載作用下鋼筋LUHPC偏心受壓柱的荷載-撓度曲線．由圖4可知：試件的承載能力隨著配筋率的增加而增加，隨著荷載偏心距的增大而減??；試件的側向撓度也隨著配筋率的增加逐漸變大．因此，增加縱筋的配筋率可以提高偏心受壓構件的變形能力．

圖4 荷載-水平位移曲線

圖5為配筋率和偏心距對鋼筋LUHPC柱極限承載力的影響圖．由圖5可知：在同一偏心距下，隨著配筋率的增加鋼筋LUHPC柱承載力逐漸變大，這主要是因為配筋率的增大使得混凝土受壓區(qū)高度變大，此外縱向鋼筋也承擔了部分荷載．隨著偏心距的增加，鋼筋LUHPC柱的承載力迅速降低．

圖5 配筋率和偏心距承載力的影響

偏心距對偏心受壓鋼筋LUHPC柱的承載能力有顯著影響，在配筋率為0%時，隨著偏心距從0增加到60 mm，承載能力下降了68.6%；在配筋率為1.359%和2.05%時，隨著偏心距從0增加到120 mm時，承載能力下降了86.2%和84.1%；在配筋率為3.57%時，隨著偏心距從0增加到90 mm，承載能力下降了71.2%．

配筋率對偏心受壓鋼筋LUHPC柱的承載能力有顯著影響，在相同偏心距時，隨著配筋率的增加，承載力主要表現(xiàn)為：當偏心距為0，30，60 mm時，當配筋率從0%增加到3.57%時，承載力分別增加了18%、23.3%、51.4%．

3 鋼筋LUHPC偏心受壓柱承載力計算修正公式

3.1 等效應力矩形參數(shù)值α1和β1的確定

根據(jù)試驗現(xiàn)象，當偏心距>60 mm時為大偏心；當偏心距<30 mm時，為小偏心．在不同大小偏心受壓時，截面應變分布和極限承載力計算公式不同．為此本文根據(jù)實測截面應變分布規(guī)律，建立了大小偏心受壓柱承載力計算修正公式．

大小偏心受壓柱截面等效應力圖式見圖6．

圖6 受力圖式

在圖6中，鋼筋LUHPC截面的應力分布由課題組之前建立的應力-應變關系計算得出，即

(1)

式中：εco和fce分別為鋼筋LUHPC的峰值應變和鋼筋LUHPC的軸心抗壓強度．

圖6中的系數(shù)α1和β1值，可以根據(jù)等效前后合力大小相等和合力作用點位置不變的原則確定，為

(2)

(3)

根據(jù)合力大小不變和合力矩位置不變的原則，可得

(4)

β1=(1-k2)

(5)

由式(4)～(5)可知:在計算α1和β1時，只需要確定的參數(shù)為鋼筋LUHPC的軸心抗壓強度fce，峰值應變εco和極限應變εcu．本次試驗鋼筋LUHPC的抗壓強度、峰值應變和極限應變分別為103.1 MPa,0.003 32和0.004 4，將其代入式(4)～(5)，可得α1和β1分別為0.934 5和0.676 7．

3.2 鋼筋LUHPC大偏心受壓柱極限承載力計算修正公式

在計算偏心受壓柱承載力計算時，還應該考慮偏心距增大系數(shù)的影響，該系數(shù)與混凝土類型有關，因此本文將修正并引用適用于鋼筋LUHPC的偏心距增大系數(shù),同時考慮鋼筋LUHPC拉應力的影響．本文修正了適用于鋼筋LUHPC的偏心距增大系數(shù)ηL公式．

(6)

鋼筋LUHPC柱在大偏心受壓極限狀態(tài)時，鋼筋合力點到受拉邊緣鋼筋LUHPC由于裂縫開展較大，不承擔拉應力，鋼筋LUHPC構件的主要拉應力由受拉鋼筋和受拉區(qū)的混凝土提供．受壓區(qū)簡化受力圖見圖6a)，拉應力簡化為矩形，折減系數(shù)為m．由柱中截面的外力和內(nèi)力對受拉鋼筋合力點的力矩平衡得：

(7)

(8)

(9)

ei=e0+ea

(10)

表4為大偏心受壓柱受壓承載力試驗值與計算值對比.由表4可知:試驗值與文中提出的大偏心承載力計算值的比值平均值為0.991，變異系數(shù)為0.049，試驗值與本文提出的大偏心彎矩計算值的比值平均值1.013，變異系數(shù)為0.008．基于計算分析，文中修正的計算公式計算結果與試驗值相對吻合．

表4 大偏心受壓柱受壓承載力試驗值與計算值對比

3.3 鋼筋LUHPC小偏心受壓柱極限承載力計算修正公式

在整個加載過程中，試件截面幾乎為全截面受壓，部分試件在接近到峰值荷載時，較小受壓側邊緣混凝土承受拉應力．此時，受拉區(qū)混凝土拉應力較小，文中在計算承載力時忽略這部分拉應力的影響[9]．同時，截面應力采用等效矩形進行計算．在達到峰值荷載時，鋼筋LUHPC柱中靠近荷載側的鋼筋已經(jīng)屈服，遠離荷載處的鋼筋還處于彈性階段．

根據(jù)簡化應力圖式和截面應變，沿鋼筋LUHPC柱縱軸方向的外力、內(nèi)力平衡和混凝土截面外力、內(nèi)力對受拉鋼筋的力矩平衡得：

(11)

(12)

采用式(11)～(12)計算得到小偏心受壓承載力和彎矩計算公式結果與試驗值相對接近，見表5．試驗值與計算值得比值的平均值分別為1.010和0.998，變異系數(shù)分別為0.011和0.012．

表5 鋼筋LUHPC柱受壓小偏心承載力試驗值與計算值

4 結 論

1) 通過觀察非接觸式DIC在峰值荷載時柱中區(qū)域應變分布情況，受拉區(qū)混凝土在產(chǎn)生裂縫的情況下依然存在拉應力，因此在偏心受壓承載力計算時需要考慮混凝土的拉應力對承載力的影響．

2) 在相同的偏心距下，當配筋率從0%增大到3.57%時，混凝土受壓區(qū)高度增加，鋼筋LUHPC偏心受壓柱的極限承載力增加了18.0%～51.4%；在相同配筋率下，當偏心距從0～120 mm時，受壓區(qū)混凝土相對受壓區(qū)高度顯著減小，鋼筋LUHPC偏心受壓柱的極限承載力下降68.6%～86.2%．

3)修正了適用于鋼筋LUHPC的等效應力矩形系數(shù)α1和β1分別為0.9345和0.6767．修正了適用鋼筋LUHPC的偏心距增大系數(shù)L．建立了大、小偏心鋼筋LUHPC偏心受壓柱極限承載力計算修正公式，計算結果與試驗值比較吻合，平均誤差為3%．