新型HRB635級高強(qiáng)鋼筋在混凝土軸壓短柱中的強(qiáng)度匹配問題研究

王靜峰， 李志鵬

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著世界鐵礦石資源日益緊張，高強(qiáng)及超高強(qiáng)鋼材在建筑工程上的發(fā)展和應(yīng)用在提高資源利用效率、推動建筑節(jié)能環(huán)保上具有重大意義[1]。歐美發(fā)達(dá)國家對500～700 MPa級鋼筋的使用率已達(dá)95%以上，并且對配置700 MPa及以上強(qiáng)度鋼筋的構(gòu)件及體系進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。相比之下，目前我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](GB 50010-2010)僅規(guī)定了HRB500級高強(qiáng)鋼筋，尚未提及HRB600級高強(qiáng)鋼筋。2018年，我國發(fā)布的《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》[3]中僅新增了HRB600級高強(qiáng)鋼筋的部分應(yīng)用規(guī)定，但對其在實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的規(guī)定及較少，這在一定程度上限制了強(qiáng)度在600 MPa級以上的高強(qiáng)鋼筋的推廣和應(yīng)用[4，5]。因此，本文基于安徽省某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)自主研發(fā)的一種采用熱軋工藝微合金化的新型HRB635級高強(qiáng)建筑鋼筋產(chǎn)品，開展了對此新型HRB635級高強(qiáng)鋼筋與不同強(qiáng)度混凝土在軸壓短柱中的匹配性[6]問題的研究，旨在為新型HRB635級高強(qiáng)鋼筋在安徽省乃至全國實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了6根軸心受壓混凝土試件，考慮到結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及場地條件的限制，本文中配置HRB635級高強(qiáng)鋼筋混凝土軸壓短柱的截面尺寸和高度是依據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目的1∶2比例縮尺進(jìn)行選取。試件截面尺寸為250 mm×250 mm，高度均為750 mm，混凝土保護(hù)層厚度取25 mm，試件幾何尺寸與信息如圖1和表1所示。

圖1 軸壓短柱試件示意圖

表1 試件信息表

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了C30、C50和C60共3個(gè)強(qiáng)度等級的混凝土，其中C30、C50為商品混凝土，C60強(qiáng)度等級的混凝土為實(shí)驗(yàn)室自配。在試件澆筑同時(shí)，對各強(qiáng)度等級混凝土預(yù)留同批次立方體與圓柱體試塊，并與試件同條件養(yǎng)護(hù)28 d后，測試其力學(xué)性能指標(biāo)，具體見表2。

試驗(yàn)中鋼筋混凝土軸壓短柱的縱筋均為HRB635級高強(qiáng)鋼筋(公稱直徑均為14 mm)，箍筋分為HRB635級和HRB400級鋼筋(公稱直徑均為8 mm)。通過對試驗(yàn)同批次鋼筋進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，得到其材料性能試驗(yàn)結(jié)果，見表3。

表2 混凝土力學(xué)性能指標(biāo)

表3 鋼筋材性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)的加載通過某學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的數(shù)控壓力試驗(yàn)機(jī)完成。加載前必須進(jìn)行預(yù)加載，加載至承載力估算值的15%左右，在檢查各個(gè)儀器是否工作正常的同時(shí)，及時(shí)調(diào)整試件位置，避免試件承受偏心力。卸載后，間隔數(shù)分鐘后正式進(jìn)行加載。①加載至估算的峰值荷載的50%前，每級荷載為100 kN，持荷時(shí)間為60 s，后進(jìn)行下一級加載；②達(dá)到估算的承載力的50%后，每級荷載改為50 kN，增加持荷時(shí)間為120 s，確保構(gòu)件能夠均勻且穩(wěn)定的加載；③當(dāng)構(gòu)件達(dá)到峰值荷載之后，加載制度仍然保持不變，直至構(gòu)件承載力下降至峰值荷載的85%左右，或者試件形變較大時(shí)，此時(shí)試驗(yàn)開始采用位移加載制度，每級加載1～3 mm，實(shí)時(shí)采集荷載-位移曲線，進(jìn)而獲得試驗(yàn)下降段。當(dāng)試件荷載下降至峰值荷載的50%或者短柱受損變形嚴(yán)重，認(rèn)定構(gòu)件破壞，加載停止,試驗(yàn)結(jié)束。

通過多功能靜態(tài)應(yīng)變測試儀來采集試驗(yàn)所得應(yīng)變片和位移計(jì)的讀值，前兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)采集頻率與每級荷載相對應(yīng)，第三階段時(shí)，由于試件的破損變形導(dǎo)致加載時(shí)間有限，所以設(shè)置為每隔3秒自動連續(xù)采集，直至試驗(yàn)結(jié)束，此方法便于數(shù)據(jù)的后期處理。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞模式

隨著荷載的不斷增加，試件表面出現(xiàn)少量豎向裂縫，并不斷發(fā)展，在達(dá)到極限荷載后，鋼筋和混凝土的應(yīng)變較大，試件中部混凝土被壓碎，保護(hù)層泛皮、外鼓，高強(qiáng)鋼筋基本屈服。之后荷載進(jìn)入下降階段，核心區(qū)混凝土從試件中部剝落，縱向鋼筋被壓屈外凸類似于燈籠狀。

破壞始于試件中部，核心混凝土和高強(qiáng)度鋼筋所承受的荷載持續(xù)增長，縱向高強(qiáng)鋼筋達(dá)到屈服;隨試件變形的明顯加劇，混凝土被壓碎，荷載下降，試件中部橫向鋼筋達(dá)到屈服，最后導(dǎo)致試件破壞，試驗(yàn)結(jié)束。

其破壞模式與配置普通熱軋鋼筋的軸壓鋼筋混凝土短柱類似，具體如圖2所示。

圖2 典型破壞模式

2.2 荷載-位移曲線

加載過程中實(shí)測各個(gè)試件的荷載-位移曲線，如圖3所示。圖3中橫坐標(biāo)表示試件的軸向變形(Δ)，縱坐標(biāo)表示試件的軸向承載力(N)。

從圖3中可以看出,混凝土強(qiáng)度等級對短柱極限承載力和彈性剛度的影響非常顯著。試件HAC-4-A3比試件HAC-4-A1和HAC-4-A2的峰值承載力分別提高了13%和74%，試件HAC-4-A6比試件HAC-4-A4和HAC-4-A5的峰值承載力分別提高了13%和75%,可知當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級小于C50時(shí)，由于高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮，破壞比較突然，導(dǎo)致其與高等級混凝土相比峰值承載力和抵抗變形能力差距明顯。但隨著混凝土強(qiáng)度的逐漸提高，C50及以上試件的峰值承載力之間的差距趨于正常。而在軸心受壓短柱的延性上，隨混凝土強(qiáng)度的提高，荷載-位移曲線在達(dá)到峰值之后陡然下降，而下降段越陡峭表明構(gòu)件后期延性越差，符合混凝土強(qiáng)度越高延性越差的基本規(guī)律。

圖3 荷載-豎向位移曲線

2.3 荷載-混凝土應(yīng)變曲線

圖4為混凝土強(qiáng)度等級對配置HRB635 級高強(qiáng)鋼筋約束混凝土軸心受壓短柱的荷載-混凝土應(yīng)變曲線的影響。

圖4 荷載-混凝土應(yīng)變曲線

從圖4中可以看出，混凝土的峰值應(yīng)力壓應(yīng)變均隨混凝土強(qiáng)度的提升而增大。軸心受壓短柱配置C30強(qiáng)度的混凝土?xí)r，高強(qiáng)鋼筋與混凝土二者共同變形，共同受力性能較差，破壞發(fā)生比較突然，配置HRB635 級高強(qiáng)鋼筋約束混凝土短柱的應(yīng)變基本小于0.002，短柱的破壞形態(tài)與不配筋的素混凝土柱比較類似，此時(shí)高強(qiáng)度縱向鋼筋達(dá)不到屈服強(qiáng)度，其強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮，也就說明高強(qiáng)鋼筋應(yīng)該匹配強(qiáng)度等級更高的混凝土。當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到C50以上時(shí)，配置HRB635 級高強(qiáng)鋼筋約束混凝土短柱的峰值應(yīng)變明顯增加，超過0.003，配置HRB635 級高強(qiáng)鋼筋約束混凝土短柱的抗壓強(qiáng)度能得到充分的發(fā)揮，構(gòu)件中配置高等級混凝土為高強(qiáng)鋼筋強(qiáng)度的發(fā)揮創(chuàng)造了有力條件。

2.4 荷載-縱筋應(yīng)變曲線

試驗(yàn)研究了配置HRB635 級高強(qiáng)鋼筋混凝土短柱的軸向荷載與試件中間區(qū)段縱筋豎向應(yīng)變的相關(guān)關(guān)系，荷載-縱筋應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 荷載-縱筋應(yīng)變曲線

由圖5可知，在加載初期，鋼筋與混凝土協(xié)同受力工作，荷載和鋼筋的應(yīng)變的增長與荷載和混凝土應(yīng)變的增長相似都呈線性變化關(guān)系，加載至極限荷載70%～80%時(shí)，伴隨著荷載-縱筋應(yīng)變曲線的斜率減小，說明鋼筋脫離彈性階段進(jìn)入塑性階段。軸心受壓試件達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，除了試件HAC-4-A1和HAC-6-A4外，其余試件的縱筋峰值應(yīng)變都很大，高強(qiáng)鋼筋強(qiáng)度都得到充分發(fā)揮，鋼筋的壓應(yīng)變基本達(dá)到并超過規(guī)范規(guī)定的混凝土的極限壓應(yīng)變0.0033，有的甚至超過0.005。如圖5所示，由于混凝土強(qiáng)度等級太低，試件HAC-4-A1和HAC-6-A4直至被壓潰至破壞時(shí)，鋼筋的壓應(yīng)變都在0.0022以下，鋼筋沒有屈服表明其強(qiáng)度未得到充分發(fā)揮，由此可知高強(qiáng)混凝土為使軸心受壓短柱中配置的HRB635級高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮創(chuàng)造了有利條件。

2.5 延性

位移延性系數(shù)是衡量構(gòu)件塑性變形能力的重要指標(biāo)，延性系數(shù)[7]的定義如式(1)所示。

μ=Δ85Δy

(1)

由于構(gòu)件沒有明顯的屈服點(diǎn)，采用“通用屈服彎矩法”求得屈服點(diǎn)[8-10]，軸壓短柱計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 軸壓短柱試驗(yàn)結(jié)果表

由表4可知，配置HRB635級高強(qiáng)鋼筋與不同混凝土強(qiáng)度的軸壓短柱的延性系數(shù)在2.147到2.727之間，表現(xiàn)出良好的延性。隨著混凝土強(qiáng)度等級提升時(shí)，試件的位移延性系數(shù)逐漸降低，構(gòu)件脆性越來越明顯。受壓短柱的延性雖相對較差，但都在合理范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

本文主要介紹了6根配置新型HRB635級高強(qiáng)鋼筋的混凝土軸壓短柱的軸壓性能試驗(yàn)，揭示了其典型破壞模式、荷載-位移曲線和荷載-應(yīng)變響應(yīng)等發(fā)展規(guī)律，通過在不同強(qiáng)度等級的混凝土中配置新型HRB635級高強(qiáng)鋼筋，對高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度能否充分發(fā)揮進(jìn)行研究，得到了如下結(jié)論：

(1)配置新型HRB635級高強(qiáng)鋼筋的混凝土軸壓短柱的主要破壞模式為試件中部混凝土受壓破碎，中部鋼筋籠呈燈籠狀鼓曲破壞。

(2)通過對試件的荷載-位移曲線和荷載-應(yīng)變響應(yīng)分析可知，HRB635級高強(qiáng)鋼筋應(yīng)該匹配高強(qiáng)度混凝土，混凝土強(qiáng)度達(dá)到C50及以上時(shí)，高強(qiáng)鋼筋與混凝土的協(xié)同受力工作性能較好，在試件達(dá)到峰值荷載時(shí)，高強(qiáng)鋼筋基本接近或達(dá)到屈服強(qiáng)度，其材料強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。

(3)通過對試件的延性分析可知，配置HRB635級高強(qiáng)鋼筋與不同混凝土強(qiáng)度的軸壓短柱的延性系數(shù)在2.147到2.727之間，表現(xiàn)出良好的延性。隨著混凝土強(qiáng)度等級提升，試件的位移延性系數(shù)逐漸降低，構(gòu)件脆性越來越明顯。因此，后期應(yīng)用HRB635高強(qiáng)鋼筋時(shí)，可適當(dāng)考慮匹配高強(qiáng)度、高延性混凝土材料。