高強混凝土柱小偏心受壓性能尺寸效應試驗研究

摘要：為了解高強混凝土柱小偏心受壓性能的尺寸效應，進行了3組不同幾何尺寸的高強混凝土柱小偏心受壓破壞試驗，其截面幾何尺寸分別為200 mm×200 mm、400 mm×400 mm、800 mm×800 mm，對比分析了其破壞形態、承載力、變形能力及截面應變分布規律，揭示了其尺寸效應規律。研究結果表明，高強混凝土柱的小偏心受壓破壞形態和橫截面應變分布規律基本相同，其尺寸效應不明顯；高強混凝土柱的小偏心受壓承載力和變形能力存在明顯尺寸效應，隨著截面尺寸的增大，其極限承載力的安全儲備量減小，變形能力減弱。

關鍵詞：高強混凝土；鋼筋混凝土柱，小偏心受壓；力學性能；尺寸效應

中圖分類號：TU375

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0001-06

混凝土作為土木、水利等工程結構的主要材料，在工程結構中得到廣泛應用。隨著工程結構向大跨度、超高層及超大型方向發展，對混凝土性能提出了更高的要求。隨著水泥品種的改善以及外加劑的使用，工程中使用的混凝土強度越來越高。混凝土屬于準脆性材料的范疇，試驗研究表明^[1-5]，試件尺寸對其強度和韌性都有一定影響，即混凝土的力學性能存在隨著幾何尺寸的變化而變化的尺寸效應。鋼筋混凝土構件是由混凝土和鋼筋2種材料組成的，其力學性能直接取決于混凝土和鋼筋的力學性能，混凝土材料的尺寸效應必然直接反映到鋼筋混凝土構件的力學性能中。另外，鋼筋混凝土構件中鋼筋和混凝土共同工作的基礎是它們之間存在的粘結力，而鋼筋和混凝土之間粘結力的大小受鋼筋直徑和外形、鋼筋間距、混凝土強度、混凝土保護層厚度及混凝土澆筑時鋼筋所處的位置等影響，這些因素的影響程度都會隨構件尺寸的不同而變化，進而其力學性能隨構件尺寸不同發生變化，加劇鋼筋混凝土構件力學性能受尺寸效應的影響。因此，開展大尺寸鋼筋混凝土構件破壞試驗，研究其破壞機理和力學性能，基于此開展鋼筋混凝土構件尺寸效應研究^[6-10]，是建立更為科學、合理、可靠的鋼筋混凝土結構設計方法的需要。本文進行不同幾何尺寸的高強混凝土柱小偏心受壓性能試驗，分析其力學性能的尺寸效應規律。

1試驗方案

1.1試件設計

共設計6個試件，其截面尺寸分別為200 mm×200 mm、400 mm×400 mm、800 mm×800 mm，試件相應編號為DZ200、DZ400、DZ800，每種截面2個試件，試件長細比均為4.5。試件初始偏心距設為0.25 h0，為小偏心受壓。為保證試件在受壓加載過程中不發生柱端加載點處破壞，以及便于試驗加載，將柱端設計成牛腿形式，并按照牛腿的設計方法加密箍筋。柱中部不設箍筋，以保證試驗結果不受箍筋對混凝土的約束作用影響，柱中受力縱筋采用對稱配筋方式^[11-13]。各試件的具體配筋情況如圖1所示。

試件制作所用混凝土為商品混凝土，強度等級為C60，混凝土實測立方體抗壓強度為63.7 MPa，彈性模量為44.5 GPa。鋼筋的實測力學性能見表1。

1.2加載方案

試驗在北京工業大學工程結構試驗中心的4 000 t多功能電液伺服加載系統上進行，試驗加載裝置及位移、材料應變測點布置如圖2所示。試驗采用力與位移混合控制加載。加載前進行預加載^[14]，以檢查各儀表是否工作正常，以及消除試件的非結構性變形。正式加載時，每級加荷增量為計算極限荷載的10%，加載的時間間隔為10 min，加荷至計算極限荷載的60%后，每級加荷增量調整為計算極限荷載的5%，加荷至其90%后，加荷由力控制改為位移控制，并加荷直至試件破壞。人工觀測裂縫。

2試驗結果及分析

2.1破壞形態

各試件的破壞形態如圖3所示。由圖3可見，3種不同幾何尺寸的試件受拉側均出現較少的彎曲橫向裂縫，且裂縫發展較緩慢，加載至接近極限荷載時，壓區混凝土應變達到極限壓應變，保護層混凝土開裂，并發出“噼啪”的響聲，幾秒鐘后，試件發出很大的“砰”的響聲，試件受壓區混凝土均被嚴重壓碎，破壞區域成錐體，部分混凝土碎塊崩出，受壓鋼筋屈曲并向外鼓出，試件受拉側彎曲橫向裂縫向內開展至截面中部。各尺寸試件均在受壓區混凝土壓碎后，因有效截面面積減小嚴重，導致試件突然出現一條破壞斜裂縫，將試件混凝土完全剪開，試件抗壓承載力突然完全喪失，并導致受拉側保護層混凝土大片脫落，受拉鋼筋外露。由此可見，各組試件均表現為混凝土首先壓碎的脆性破壞形態，沒有明顯預兆，屬于典型的小偏心受壓破壞形態。

DZ200-1試件在加荷至第5級荷載時，試件受拉側下部出現1條初始彎曲橫向裂縫，DZ200-2試件在加荷至第4級荷載時，試件受拉側上部出現1條初始彎曲橫向裂縫，試件破壞時，2個試件的混凝土壓碎區域長度分別為320、350 mm，深度為150、140 mm，2個試件破壞后形成的斜裂縫與其豎向縱軸夾角約為36°和38°。DZ400的2個試件在加荷至第4級荷載時，在試件受拉側分別出現4條和2條初始彎曲橫向裂縫，試件破壞時，2個試件的混凝土壓碎區域長度分別為750、700 mm，深度為280、260 mm，破壞后形成的斜裂縫與其豎向縱軸角約為30°和33°。DZ800的2個試件分別在加荷至第9級和第10級荷載時，在試件受拉側中部出現1條彎曲橫向初始裂縫，試件破壞時，2個試件的混凝土壓碎區域長度均為1 600 mm，深度分別為420、500 mm，2個試件破壞后形成的斜裂縫與其豎向縱軸夾角約為27°。

由不同幾何尺寸的試件破壞形態比較可知，在研究的尺度范圍內，大尺寸試件的受壓區破壞區域略大些，大尺寸試件與小尺寸試件的破壞形態基本相同，沒有表現出明顯的尺寸效應，只是截面尺寸越大，試件從出現“噼啪”的混凝土破壞聲音到完全破壞的持續時間越短，試件破壞脆性越顯嚴重些。

2.2承載力

各試件極限荷載的實測值和規范值列于表2，其中實測值為試驗過程中的最大荷載值，規范值為按我國現行混凝土結構設計規范 ^[15]中相應公式計算所得（材料強度按實測值代入），將實測值與規范值的比值稱為安全儲備系數。

由表2可知，使用規范公式計算所得試件極限荷載與其實測值相比，不同幾何尺寸的試件其差異不同。當截面尺寸較小時，計算值低于實測值，試件有較大的安全儲備。隨著截面尺寸的增大，試件的安全儲備系數逐漸減小，與試件DZ200相比，試件DZ400降低了19.5%，試件DZ800降低了40.5%，且試件DZ800已沒有安全儲備，實測值低于計算值。因此，使用基于小尺寸試件試驗研究成果所建立的混凝土柱小偏心受壓設計計算公式設計大尺寸實際構件，會過高的估計柱的承載力，使設計結果偏于不安全。

圖4為各試件的相對彎矩曲率關系曲線。其中彎矩實測值考慮試驗過程中試件撓度的變化，取每級荷載的實測偏心距與豎向荷載的乘積；彎矩規范值為按規范公式計算所得的極限彎矩值；曲率Φ值是根據柱中4根受拉鋼筋和4根受壓鋼筋的應變差值求得，取4對數據的平均值作為該試件的曲率。為便于比較，對變量進行無量綱化，將各試件的實測彎矩值與按規范計算所得彎矩值的比值作為縱坐標，將Φ·h0作為橫坐標（h0為截面有效高度），得到圖4中的曲線。

由圖4可見，3組曲線的峰值隨著尺寸的增大而降低，即按規范公式計算大尺寸構件極限彎矩值，其結果的安全性逐漸降低；峰值點所對應的相對曲率也隨著尺寸的增大而減小，即隨著尺寸的增大，小偏心受壓構件的變形能力逐漸減弱。圖5為不同尺寸的準脆性結構的名義強度與相對撓度關系曲線^[1]，該圖表明，小尺寸的準脆性結構有較大的韌性，而大尺寸的準脆性結構的韌性較小，這與試驗所得結果相符。

2.3截面應變規律

3種不同幾何尺寸試件的截面實測應變分布如圖6所示。由圖6可見，不同幾何尺寸試件的截面應變發展變化規律基本相同，荷載較低時，截面應變分布線性規律較好；隨著荷載增大，裂縫出現并開展、延伸，中和軸向受壓邊移動，受壓區高度逐漸減小，截面應變分布的線性規律有所減弱，但直至試件破壞，截面應變分布規律仍均可近似為線性。因此，混凝土柱的截面應變規律不存在明顯的尺寸效應問題，平截面假定對大尺寸混凝土柱仍適用。

2.4側向撓度

各試件的荷載跨中撓度曲線見圖7。由圖7可見，隨豎向荷載增大，不同尺寸試件的撓度曲線變化規律基本相同。各試件在極限荷載作用下的柱中撓度值列于表3。由表3可知，隨著截面尺寸的增大，試件DZ200的相對撓度（柱中撓度/柱高）較大，試件DZ400和DZ800的相對撓度接近，且明顯小于試件DZ200，即大尺寸混凝土柱的側向彎曲變形比小尺寸試件要小些。

2.5縱筋應變

不同幾何尺寸試件在不同荷載下的鋼筋應變發展規律見圖8，其中縱筋應變測點為各試件的柱中測點（即圖2的1-1截面測點）。由圖8可見，各試件達到極限荷載時均為受壓鋼筋先屈服，受拉鋼筋未屈服，且隨著幾何尺寸的增大，受拉鋼筋應變減小，即受拉鋼筋的拉應力逐漸減小。

3結論

1）當荷載偏心距取為0.25 h0時，不同幾何尺寸高強混凝土柱的受壓破壞形態基本相同，均是典型的小偏壓脆性破壞，其尺寸效應不明顯。

2）高強混凝土柱的小偏心受壓承載力存在明顯尺寸效應，隨著截面尺寸的增大，高強混凝土柱的承載力安全儲備量減小，即按現行混凝土結構設計規范設計的大尺寸高強混凝土柱的安全性偏低。

3）高強混凝土柱的小偏心受壓變形能力存在尺寸效應，與其極限承載力相對應的彎曲曲率隨著其幾何尺寸的增大而減小，即其變形能力減弱。

4）高強混凝土柱在小偏心受壓情況下的橫截面應變分布規律基本符合平截面假定，不存在明顯的尺寸效應問題。

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（編輯胡玲）