凍融循環作用下偏心受壓柱承載性能分析

周 敏 陳晶晶 焦芳芳

(1.江蘇省水文水資源勘測局無錫分局，江蘇 無錫 214026；2.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029)

混凝土材料被廣泛應用于各種基礎設施建設，是建設領域重要的材料之一，然而在使用過程中發現，許多結構由于耐久性不足未達到承載能力即破壞，且這種損傷是不可逆的。特別是高寒地帶的飽水混凝土結構，凍融破壞成為耐久性不足的重要原因。研究發現，東北地區21%的大壩迎水面和溢流面等結構長期處于飽水狀態，在凍融作用下由于耐久性不足提前破壞。目前針對混凝土材料在凍融循環下性能研究較多，而對混凝土構件受力性能研究較少。本文通過凍融循環對偏心受壓柱受力性能進行影響分析，為凍融狀態下鋼筋混凝土偏心受壓構件設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 構件設計

試驗構件為C40鋼筋混凝土柱，具體尺寸、配筋見圖1?？紤]0次、75次、100次、125次、150次5種凍融循環以及12mm、24mm、36mm、84mm、96mm、108mm 6種偏心距，共設計制作構件30根。

圖1 試驗柱尺寸及配筋圖 (單位：mm)

1.2 凍融試驗

試驗依托凍融機，采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)中的快凍法進行。在0次、75次、50次、100次、125次、150次循環結束后，分別取出棱柱體構件，觀察構件剝蝕狀況，觀測質量、彈性模量,取出立方體構件，觀測抗壓強度,見圖2、圖3。

圖2 觀測動彈性模量

圖3 觀測抗壓強度

1.3 靜載試驗

利用3000kN液壓機進行偏心加載試驗，加載形式見圖4。加載過程中觀測柱體破壞形態，記錄鋼筋應變、開裂荷載、破壞荷載、柱兩端及中間百分表讀數。

圖4 加載形式 (單位：mm)

2 凍融循環試驗結果分析

2.1 構件剝蝕狀況

經過不同程度的凍融循環試驗后，構件剝蝕狀況見圖5?？梢钥闯?，凍融程度越深，構件剝蝕越嚴重。凍融循環達75次時，構件表層混凝土有輕微剝落掉皮現象；達到100次時，表層混凝土剝蝕程度加深，少量骨料露出；達到125次時，表面混凝土嚴重剝落，大量骨料露出；達到150次時，粗骨料完全露出，棱角掉落，構件不成型。

圖5 不同凍融循環次數下構件剝蝕狀況

2.2 相對質量損失及動彈性模量

圖6反映了質量隨著凍融程度加深表現出先增加后減少的趨勢。25次凍融循環時，質量有增加趨勢；25次凍融循環后，質量逐漸減少。這主要是由于凍融次數較少時，構件破壞程度還不明顯，而在凍脹作用下，內部微孔隙張開，吸收了較多水分，導致質量呈現增加趨勢；隨著凍融次數增加，構件剝蝕加劇，質量呈現顯著減少趨勢。

圖6 質量損失隨凍融變化規律

圖7反映了彈性模量隨凍融程度加深呈現下降趨勢。50次凍融循環前，彈性模量下降較緩，50次時動彈性模量是初始值的89%；50次后，彈性模量下降速度明顯增加，到125次時動彈性模量下降到初始值的10.1%；125次后，下降速度逐漸平緩，到150次時下降至初始值的1.6%。動彈性模量的變化主要和構件內部孔隙變化有關，這也說明了，隨著凍融循環次數的增加，內部結構破壞加劇，直至開裂剝落破壞。

圖7 彈性模量隨凍融變化規律

2.3 相對抗壓、抗拉強度

凍融循環后抗壓、抗拉強度與未凍融抗壓、抗拉強度的比值反映了相對抗壓、抗拉強度，經與循環次數進行二次擬合，得到式(1)、式(2)和圖8。

R=0.995

(1)

R=0.998

(2)

式中fcu,m——凍融循環后混凝土抗壓強度，MPa；

ft——凍融循環后混凝土抗拉強度,MPa；

N——凍融次數。

從圖8中可以看出，擬合公式適用混凝土凍融循環后強度計算，相對抗壓、抗拉強度均隨循環程度加深呈現拋物線形下降。

圖8 相對抗壓、抗拉強度與凍融循環次數關系

3 靜載試驗結果分析

3.1 破壞形態

試驗柱破壞形態見圖9，從圖9中可知，裂縫發展及破壞結果與凍融循環次數無關，僅與偏心距有關，不同循環程度的試驗柱表現出相似的破壞形態：當偏心距較小，為12mm、24mm時，混凝土截面在加載過程中全部受壓，突然破壞時，加載點較近一側鋼筋達到受壓屈服，另一側鋼筋未屈服，屬于小偏心破壞；偏心距為36mm時，混凝土受拉區開始出現裂縫，但隨著載荷增加，受拉裂縫發展不明顯，受壓區混凝土壓碎，構件仍為小偏心破壞；偏心距達到84mm、96mm、108mm時，受拉區首先出現裂縫，隨著荷載增加，受拉裂縫迅速增長，柱體撓度明顯增加，隨著受壓區越來越小，受拉區鋼筋達到屈服，受壓區混凝土壓碎，構件為大偏心破壞。

圖9 破壞形態

3.2 撓度變化規律

圖10為不同凍融循環程度的受壓柱在不同偏心距作用下荷載與跨中撓度的關系曲線。從圖10中可知，不同偏心距的受壓柱受凍融循環程度影響趨勢是一致的，都呈現凍融循環程度越深，構件撓度越大的現象，這主要是由于隨著凍融程度加深，混凝土構件抵抗變形能力減弱，變形增長加快。圖10還反映出，相同凍融循環次數的受壓柱，偏心距不大于36mm時，撓度較小，偏心距大于36mm時，撓度較大，且隨著偏心距變大而增加，這與破壞形態是一致的。

圖10 受壓柱荷載與撓度曲線

3.3 開裂荷載、極限荷載變化規律

試驗柱在偏心距不大于24mm時為全截面受壓的小偏心破壞，未出現開裂荷載；偏心距大于24mm時，開裂荷載與凍融循環次數關系曲線見圖11。從圖11中可知，開裂荷載隨著凍融循環程度加深整體呈現下降趨勢，75次凍融循環前，下降程度不明顯，75次凍融循環后，開裂荷載下降速度突然增加。這與凍融程度加深后，混凝土承載能力以及與鋼筋黏結強度下降有關。

圖11 開裂荷載與凍融循環次數關系曲線

極限荷載與凍融循環次數關系曲線見圖12，從圖12中可知，極限荷載隨著凍融循環程度加深，整體呈現下降趨勢，但是小偏心破壞構件受凍融循環影響程度比大偏心破壞構件大。這主要是因為小偏心構件承載力主要取決于混凝土抗壓強度以及受壓鋼筋強度，大偏心構件承載力主要取決于受拉側鋼筋。

圖12 極限荷載與凍融循環次數關系曲線

3.4 極限荷載實測值與理論值對比

采用《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)中大偏心、小偏心受壓構件承載力計算公式得到理論值，與試驗實測值對比分析，結果見表1。兩者平均比值為1.11，變異系數達0.05，實測值接近理論值，且均大于理論值，表明規范公式適用于凍融后偏心受壓柱承載力的計算，且相對安全。

表1 偏心受壓承載力實測值與理論值對比

4 結 語

通過凍融循環后偏心受壓柱靜載荷試驗，對30根構件承載力等性能進行分析，結論如下：

a.構件剝蝕程度隨著凍融次數逐步加深。質量、動彈性模量、抗壓強度、抗拉強度均隨著循環次數增加呈非線性減少。同時，得到相對抗壓、抗拉強度與循環次數的關系式。

b.構件柱在靜載試驗中，破壞形態與凍融循環次數關系不大，主要取決于偏心距。偏心距不大于36mm時為小偏心脆性破壞；偏心距大于36mm時為大偏心延性破壞。

c.小偏心受壓柱撓度較小，大偏心受壓柱撓度較大，且隨著偏心距增大而增大。小偏心、大偏心受壓柱撓度均隨著凍融循環程度加深而增大，且凍融循環次數越多，增大速度越快。

d.開裂荷載、極限荷載隨凍融循環程度增加均呈降低趨勢，且小偏心受壓構件極限荷載受凍融循環程度影響，下降幅度更明顯。通過對比極限荷載規范理論值與實測值，得出規范公式適用于凍融后偏心受壓柱承載力計算。