內置塊石RC墩柱軸壓性能試驗研究

黃群賢，陳志超，郭子雄，劉陽

（華僑大學 土木工程學院，福建 廈門，361021）

內置塊石RC墩柱軸壓性能試驗研究

黃群賢，陳志超，郭子雄，劉陽

（華僑大學 土木工程學院，福建 廈門，361021）

在福建沿海地區石結構房屋加固改造背景下，從合理利用廢棄石材，減少固體廢棄物排放角度出發，提出一種新型內置塊石RC墩柱。通過4個內置塊石RC墩柱軸壓性能試驗，研究內置塊石、內置塊石類型（整體型、節段型和塊體型）等對RC墩柱軸壓性能的影響，分析試件的破壞形態、承載能力、變形特征及應變發展等。研究結果表明：與普通RC柱相比，內置塊石RC墩柱能顯著提高RC柱的軸壓承載力，提高幅度與內置塊石類型有關，內置整體性塊石RC柱的豎向承載力提高幅度可達115%；內置塊石類型對RC柱破壞形態有重要影響，整體型內置塊石RC柱的破壞形態為脆性破壞，塑性變形能力差，但極限變形能力比普通RC柱的優；內置塊體型塊石RC柱破壞形態與普通RC柱相似，具有較好的變形能力；與普通RC柱相比，內置節段型和塊體型塊石RC墩柱具有較好的豎向承載能力和變形能力。

RC墩柱；內置塊石；節段型；塊體型；軸壓性能

石結構房屋是閩南沿海地區居民采用的主要房屋形式之一，具有造價低廉、取材方便、抗風耐濕、耐腐蝕等優點。據統計資料，整個閩南沿海地區現有石結構房屋面積超過1億m2，形成了別具特色的石建筑文化。由于石結構房屋整體性和抗震能力較差，存在“小震成災、小震大災”的隱患［1-3］。隨著農村地區石結構房屋的加固改造及農村地區城鎮化進程， 許多存有大量石結構房屋的村落將被大規模拆遷改造，由此將產生大量的舊石材。目前，對石結構房屋拆除所產生舊石材的普遍處理方法是當作固體廢棄物與其他建筑垃圾隨地掩埋，造成花崗巖石材這種不可再生資源的極大浪費。已有的關于石結構房屋的研究主要集中在石墻、石梁和石樓板等的加固［4-7］，對廢棄石材再利用技術的研究仍未見報道，因此，有必要尋求一種科學、合理有效利用廢棄石材的技術。在建筑垃圾回收利用研究領域中，混凝土廢棄物的再利用技術得到國內外學者的大量研究［8-12］，其中再生骨料混凝土技術已得到廣泛使用。但該技術存在過程繁瑣、成本高、能源消耗大等問題，制約其在實際工程中的推廣應用。針對再生骨料混凝土回收利用存在的問題，吳波等［13-17］提出了一種新的鋼管再生混合構件的技術，通過薄壁鋼管再生混合短柱軸壓、抗剪及抗震性能試驗研究，驗證該技術的有效性，試驗結果表明鋼管再生混凝土混合構件的軸壓、受剪和抗震性能總體上接近或略低于全現澆鋼管混凝土構件。該技術簡化了混凝土廢棄物的再生利用工藝，有效提高再生混凝土的使用效率，該技術在實際工程中得到了成功應用。李佰壽等［18-19］采用薄壁方形鋼管再生混合短柱進行軸壓性能試驗和抗震性能試驗，也取得一定的成果。目前，有關石結構房屋拆除后廢棄舊石材回收利用的研究仍然是個空白。為解決廢棄舊石材的科學有效合理利用問題，基于再生混合構件的思路，本文作者提出了一種內置塊石RC混合構件技術，將石結構房屋拆除后的廢棄條石放入鋼筋籠內，然后整澆成新的混合構件。為驗證該技術的有效性，開展了內置塊石RC墩柱的軸壓性能試驗研究，重點研究內置塊石、塊石形式等對RC墩柱軸壓性能的影響。

1 試驗

1.1 試件設計

試驗共設計4個現澆鋼筋混凝土圓形墩柱試件，其中1個試件為普通鋼筋混凝土柱，其余3個試件為內置有不同形式塊石的現澆混凝土柱。內置塊石形式包括整體型、節段型和塊體型等3種。4個試件中，RC-1為對比件，RC-2為內置整體型塊石試件，RC-3為內置節段型塊石試件，RC-4為內置塊體型塊石試件。

試件幾何尺寸及配筋構造如圖1所示。所有試件均為直徑400 mm，高度1 200 mm的鋼筋混凝土圓形墩柱，混凝土強度設計等級為C25，縱筋和箍筋分別采用HRB335級和HPB300級鋼筋，保護層厚度為30 mm。為避免加載過程中柱端發生局部受壓破壞，柱上下兩端設置有直徑為50 mm、間距為50 mm的鋼筋網片。

現澆混凝土立方體抗壓強度實測平均值為 27.1 MPa，實際鋼筋的物理力學性能見表 1。舊石材取自閩南石結構房屋拆除廢棄條石，石材抗壓強度為 130 MPa，彈性模量為45 GPa。整體型塊石的長×寬×高為150 mm×150 mm×1 000 mm，節段型塊石的長×寬×高為150 mm×150 mm×300 mm，塊體型塊石粒徑為150～200 mm，制備成的塊石如圖2所示。試件RC-4石塊混合比為7.8%，其中混合比為混合柱內石塊體積與整個混合柱的體積的比值。

圖1 試件尺寸及配筋Fig.1 Dimension and reinforcement details of specimens

表1 鋼筋力學性能Table 1 Material properties of steel

圖2 內置塊石形式Fig.2 Form of stone material

1.2 試件制作

所有試件在實驗室內現場澆注制作。試件采用鋼模施工，施工前按設計要求綁扎好鋼筋籠并放入鋼模內。制作內置整體型塊石RC墩柱，首先往鋼模內灌入約100 mm厚的混凝土，然后吊入整體型塊石，繼續灌入混凝土并用插入式振搗棒不斷振搗，直至鋼模填滿。內置整體型塊石RC墩柱具體施工工藝示意圖如圖3所示。內置節段型塊石RC墩柱的制作與內置整體型塊石RC墩柱類似，只是節段應分次吊裝放置。內置塊體型塊石RC墩柱的制作過程中將混凝土與塊石交替放入鋼模內并不斷振搗，直至將鋼模填滿。所有試件澆筑完成后，放置室內自然養護。

圖3 內置塊石墩柱施工工藝Fig.3 Construction technology of RC pier infilled with big stone

1.3 加載及量測方案

試驗在華僑大學結構實驗室10 MN電液伺服長柱試驗機上進行，試驗加載裝置如圖4所示。試驗采用分級加載制度，彈性范圍內采用荷載控制，每級荷載為預計極限荷載的1/10；每級荷載的持荷時間為2 min，當縱筋屈服后改用位移控制，并以0.5 mm/min的速度加載至最大荷載的60%，終止加載。

在試驗機臺座上安裝4個100 mm量程的導桿式位移計，以量測墩柱的軸向變形；在混凝土中部沿環向安裝3個引伸儀（LVDT），以量測柱中部混凝土的軸向變形，引伸儀標距為 400 mm。試驗采用電阻應變片量測墩柱縱筋應變和箍筋應變發展。在柱縱筋中部環向布置縱筋應變片，用于判斷柱是否處于軸心受力狀態，監測縱筋是否達到屈服應變。箍筋應變片布置在距柱底450 mm和600 mm處，用于測量試件側向膨脹時箍筋的應變發展。圖4所示為加載裝置與測點布置示意圖，圖5所示為鋼筋應變布置圖。

圖4 試驗加載裝置和測點布置Fig.4 Test setup and layout of LVDTs

圖5 鋼筋應變片布置Fig.5 Arrangement of strain gauges

試驗過程中所有應變、荷載和位移數據均通過DH3816靜態應變采集儀自動采集。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗過程及破壞特征

各個試件的最終破壞形態如圖6所示。

圖6 試件最終破壞形態Fig.6 Ultimate failure modes

對比試件 RC-1在加載初期處于彈性工作狀態。當豎向荷載達到極限荷載的40%時，墩柱上部一側出現第1條豎向裂縫。隨著荷載的增加，橫向變形增大，柱身上部的裂縫數量增多。當豎向荷載達到2 300 kN時，試件豎向荷載位移曲線呈現明顯的非線性特征。當豎向荷載達到極限荷載的85%，柱身中部出現多條貫穿裂縫，最后伴隨著混凝土保護層的嚴重剝落，豎向承載力嚴重退化，試件壓潰破壞。

試件RC-2由于截面核心區整體型塊石的存在，試件初始剛度增大，豎向變形相對較小。當荷載為2 800 kN左右，柱身上部出現第1條豎向裂縫。隨著荷載增加，柱身上部的裂縫不斷出現，在荷載為4 000 kN時，幾條主要裂縫的裂縫寬度達到1.5 mm，試件荷載位移曲線呈現明顯的非線性變化特征。當試件到達極限承載力5 994 kN時，豎向裂縫貫通，伴隨著一聲劈裂，柱底部混凝土保護層局部劈裂掉落，軸向承載力急劇下降，試驗終止。試件最終呈現局部劈裂的破壞形態。

試件RC-3在加載過程中，當荷載達2 500 kN時，柱中部開始出現裂縫，隨著荷載的增加，裂縫增多，裂縫寬度也不斷變大，且混凝土保護層出現起皮并逐漸脫落。當荷載達到極限承載力4 080 kN時，裂縫貫通，柱身出現1條明顯的主斜裂縫，柱子的軸向承載力嚴重退化，試件最終呈現壓剪破壞形態。

試件RC-4的破壞過程與對比件RC-1相似。當加載到2 400 kN時，墩柱中上部混凝土才出現豎向裂縫。隨著荷載的增大，裂縫寬度不斷增大，荷載達3 350 kN時，混凝土大面積起皮、剝落，試件的軸向承載力迅速下降，隨著大量混凝土的剝落，試件壓潰。

為考察試件內部塊石與混凝土2種材料的界面粘結性能及塊石的損傷特征，試驗結束后，將試件RC-2和 RC-3塊石外部混凝土剔除，得到整體型塊石和節段型塊石的破壞特征，如圖7所示。由圖7可知：RC-2整體型塊石澆筑過程對中較好，而 RC-3部分塊石呈現一定的傾斜，擺放位置也未能準確對中。此外整體型塊石和階段型塊石破壞的位置主要集中在試件中部，其中節段型塊石出現較明顯的豎向劈裂裂縫，這與塊石澆筑過程中塊石放置對中不準，且出現一定傾斜，導致塊石受力不均勻有關。而整體型塊石在澆筑過程中對中較準確，條石截面在豎向受力過程中受力均勻，因此，破壞處出現多條較細的豎向裂縫。此外剝離過程中，塊石與混凝土黏結界面并未出現明顯的黏結破壞，共同工作性能較好。

2.2 縱筋和箍筋應變

2.2.1 縱筋應變

柱縱筋應變的變化如圖8所示。由圖8可知：內置塊石試件縱筋應變發展速率要比對比件的小，表明由于塊石的彈性模量比素混凝土的大，塊石的存在增大試件的豎向剛度，在變形協調下，相同荷載下內置塊石試件縱筋的應變發展要比對比件的小。

此外，各試件的縱筋應變在試件達到最大承載力時均能達到屈服應變，表明縱筋強度得到了充分發揮。試件RC-1和試件RC-4在達到承載力最大值后縱筋應變仍得到較大發展，最大應變分別達到 7 312 με和7 508 με，而試件RC-2和RC-3最大應變僅為2 055 με和1 976 με，表明試件RC-1和RC-4后期塑性變形較好，鋼筋的延性得到充分的發揮，而試件RC-2和RC-3達到荷載峰值后，試件發生脆性破壞，內部塊石開裂，承載力迅速下降，塑性變形量小，導致縱筋應變發展不充分。

圖7 塊石破壞形態Fig.7 Ultimate failure modes of infilled stone

圖8 典型縱筋荷載-應變曲線Fig.8 Typical load-strain curves of longitudinal rebar

2.2.2 箍筋應變

箍筋應變在一定程度上反映試件橫截面的膨脹變形，試件典型箍筋應變的變化如圖9所示。從圖9可以看出：在試驗初期，各試件箍筋應變發展速率大致相當，隨著荷載增大，對比件橫向膨脹變形明顯增大箍筋，其應變發展速率明顯比內置塊石試件的大。當豎向荷載達到承載力最大值時，各試件豎向裂縫發展充分，橫向膨脹增大，箍筋的應變得到了較大發揮。破壞時，所有試件的箍筋應變均未達到屈服應變。

圖9 典型箍筋荷載-應變曲線Fig.9 Typical load-strain curves of stirrupts

2.3 P-Δ曲線及其主要特征點

試件的P-Δ曲線如圖10所示，其主要特征點試驗值見表2，表2中Pm為試件荷載最大值，Δm為最大荷載 Pm所對應的位移；Pu為荷載下降至極限承載力的 85%所對應的荷載，Δu為極限變形對應于 Pu的位移。從圖10和表2可以看出：

圖10 試件荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves of specimens

表2 試件主要特征點試驗值Table 2 Test results at main characteristic points of specimens

1） 內置塊石能夠顯著地提高RC柱子的軸壓承載力，提高幅度與塊石類型有關，其中內置整體型塊石RC墩柱豎向承載力為對比件的 2倍多，內置節段型和塊體型塊石RC柱軸壓承載能力也分別提高了46%和23%。

2） 與對比件RC-1相比，內置塊石RC柱初始剛度均有不同程度地提高。試件初始剛度取原點處的切線剛度，各試件的初始剛度如表1所示。其中內置整體型塊石RC柱初始豎向剛度提高幅度可達53%，而內置節段型塊石RC柱提高幅度較低為19%，內置塊體型塊石RC柱提高幅度僅為4%，與對比件RC-1相當。主要是由于花崗巖石材彈性模量比混凝土要高，內置整體型塊石受力明確，基本呈現均勻受壓受力狀態，而對內置節段型塊石，塊石與塊石間的受力復雜，且受其擺放狀態有關，因此，影響到塊石對試件豎向剛度的貢獻度。

3） 就構件本身，內置整體型和節段型塊石RC柱的塑性變形能力較差，其中內置整體型塊石RC柱發生局部劈裂的脆性破壞，豎向承載力急劇下降，塑性變形能力最差。但與對比件相比，內置塊石RC柱最大荷載所對應的位移和極限變形均比普通 RC柱的大，其中內置整體型塊石增幅最大，分別增加了61%和26%。

3 結論

1） 與普通RC柱相比，內置塊石RC柱軸壓承載力得到明顯提高，提高幅度與塊石類型有關，其中內置整體型塊石 RC柱軸壓承載能力提高幅度可達115%，內置節段型和塊體型塊石RC柱軸壓承載能力也分別提高了51%和23%。

2） 內置塊石類型對 RC柱的破壞形態有重要影響，內置整體型塊石RC柱發生局部劈裂的脆性破壞，內置節段型塊石RC柱發生壓剪破壞，內置塊體型塊石RC柱破壞形態與普通RC柱類似。

3） 內置整體型塊石RC柱塑性變形性能差，但其極限變形仍比其他試件的優。內置塊體型塊石RC柱具有較好的塑性變形性能。

4） 與普通RC柱相比，內置節段型和塊體型塊石RC墩柱具有較強的豎向承載能力和變形能力。

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（編輯 楊幼平）

Experimental study on axial compression behavior of reinforced concrete piers infilled with big stone

HUANG Qunxian， CHEN Zhichao， GUO Zixiong， LIU Yang

（College of Civil Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China）

With the background of retrofitting of stone masonry buildings in Southeast China， for rational utilization of waste stone material， a new style of reinforced concrete （RC） pier infilled with big stone was proposed. In order to investigate the axial compressive behavior of RC pier infilled with big stone， four specimens were tested under axial loading. Particular emphasis was given to the effects of the presence and the forms of big stone infilled in RC piers. The RC pier un-infilled with big stone was tested as control specimen. The big stone infilled in RC piers had three forms which were monoblock， segment and lump. Based on the test results， the failure modes， bearing capacity， deformation characteristic and the development of strain were analyzed. The results indicate that compared with the RC piers， the presence of stone infilled in RC piers can significantly improve the compression capacity of RC pier， and the increase is related to the form of large stone. The axial compression capacity of RC pier infilled with monoblock stone is twice that of RC piers. The failure mode of the specimens is significantly related to the form of infilled stone. The RC pier infilled with monoblock failed in split failure mode， with poor plastic deformation， but the ultimate deformation is superior to that of control specimens. The failure mode of RC piers infilled with lump stone is similar to control specimen， and both of them have good capacity of deformation； Compared with control specimen， RC pier infilled with segment or lump stone has better performance of axial compression capacity and deformation capacity.

RC piers； infilled with big stone； segmental type； block type； performance of axial behavior

TU311.3

A

1672-7207（2016）05-1737-07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.037

2015-05-23；

2015-07-19

國家自然科學基金資助項目（51208219， 51378228， 51408238）；福建省自然科學基金資助項目（2015J01210）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2015BAL03B03-04） （Projects（51208219， 51378228， 51408238） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project（2015J01210） supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province， China； Project（2015BAL03B03-04） supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 12th Five-year Plan Period）

黃群賢，博士，副教授，從事工程結構抗震與防災研究；E-mail： huangqx@hqu.edu.cn