輕質(zhì)超高性能混凝土長(zhǎng)柱軸心受壓試驗(yàn)*

劉沐宇 李晨威 丁慶軍 張 強(qiáng)

(武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070) (中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司2) 武漢 430050)

0 引 言

在結(jié)構(gòu)工程中，輕質(zhì)、高強(qiáng)混凝土研究越來(lái)越受到重視.本課題組研制了一種輕質(zhì)超高性能混凝土(lightweight ultra-high performance concrete, LUHPC)，其抗壓強(qiáng)度大于100 MPa，抗拉強(qiáng)度大于10 MPa，表觀密度小于2 100 kg/m3.混凝土長(zhǎng)柱的承載力確定對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性影響巨大，由于現(xiàn)有規(guī)范中混凝土強(qiáng)度的適用范圍是小于80 MPa，為推廣LUHPC的工程應(yīng)用，研究LUHPC長(zhǎng)柱承載力確定與穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法具有重要的理論意義.

有關(guān)混凝土長(zhǎng)柱軸心受壓試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究.目前，針對(duì)超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)長(zhǎng)柱軸壓研究[1-5]，國(guó)內(nèi)外研究較少.劉冬明等[6]通過(guò)制作20根長(zhǎng)細(xì)比從6～42的活性粉末混凝土長(zhǎng)柱，研究長(zhǎng)細(xì)比對(duì)活性粉末混凝土長(zhǎng)柱承載能力及穩(wěn)定系數(shù)的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:活性粉末混凝土長(zhǎng)柱承載能力隨著長(zhǎng)細(xì)比增大而減小，并建議活性粉末混凝土長(zhǎng)柱穩(wěn)定系數(shù)取文獻(xiàn)[7]中表6.2.15的穩(wěn)定系數(shù).關(guān)于輕質(zhì)混凝土，目前輕骨料混凝土的研究與應(yīng)用僅達(dá)到LC80的水平.張程遠(yuǎn)[8]通過(guò)制作三種長(zhǎng)細(xì)比的輕骨料混凝土柱，研究長(zhǎng)細(xì)比對(duì)輕骨料混凝土柱承載能力的影響，實(shí)驗(yàn)表明：隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大，輕骨料混凝土柱的承載能力逐漸降低.由此可見(jiàn)，長(zhǎng)細(xì)比對(duì)混凝土長(zhǎng)柱受壓性能的影響顯著，但是，目前對(duì)LUHPC長(zhǎng)柱的受壓性能還缺乏針對(duì)性的研究，開(kāi)展輕質(zhì)超高性能長(zhǎng)柱穩(wěn)定系數(shù)的研究是十分必要的[9-10].

文中通過(guò)設(shè)計(jì)制作長(zhǎng)細(xì)比為6～22的10根LUHPC長(zhǎng)柱和10根高強(qiáng)混凝土長(zhǎng)柱，研究不同長(zhǎng)細(xì)比對(duì)LUHPC長(zhǎng)柱破壞機(jī)理、明確其承載力和穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律，提出了LUHPC長(zhǎng)柱的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算修正公式.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了10根LUHPC柱和10根高強(qiáng)混凝土柱，長(zhǎng)細(xì)比為設(shè)計(jì)變量.試驗(yàn)柱長(zhǎng)0.4～2 m，以0.4 m遞增，共有五種長(zhǎng)細(xì)比，試驗(yàn)柱設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1.輕質(zhì)超高性能混凝土試件柱編號(hào)為“LC編號(hào)-柱設(shè)計(jì)長(zhǎng)度”，高強(qiáng)混凝土柱編號(hào)為“RC編號(hào)-柱設(shè)計(jì)長(zhǎng)度”，例LC2-0.8為第二根長(zhǎng)為0.8 m LUHPC柱.試驗(yàn)柱的長(zhǎng)細(xì)比l0/b從6～22，l0為柱的計(jì)算長(zhǎng)度，取上下鉸之間的距離；b為試件寬度.截面尺寸均為 0.1 m×0.14 m，柱中配置412的縱向受力鋼筋，配筋率為3.23%.箍筋采用8鋼筋，間距0.1 m，保護(hù)層厚度為16 mm.

表1 輕質(zhì)超高性能混凝土(LUHPC)柱和高強(qiáng)混凝土柱設(shè)計(jì)尺寸及基本力學(xué)性能

由于LUHPC抗壓強(qiáng)度較高，導(dǎo)致試驗(yàn)柱軸向壓力較大，混凝土橫向變形較大，試驗(yàn)柱容易在柱端發(fā)生局部壓碎破壞，使試驗(yàn)柱測(cè)量值小于實(shí)際承載力.因此,為了防止柱端破壞，在柱端0.15 m范圍內(nèi)對(duì)箍筋加密，加密區(qū)箍筋間距為0.05 m，非加密區(qū)箍筋間距為0.1 m，且在柱端包裹碳纖維布防止柱端破壞.

試件制作與養(yǎng)護(hù)在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室中進(jìn)行，LUHPC及高強(qiáng)混凝土配合比見(jiàn)表2.試件澆筑后，自然養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與試件同批的立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1.

表2 輕質(zhì)超高性能混凝土(LUHPC)和高強(qiáng)混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)方案及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室5 000 kN壓力機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1，實(shí)景圖見(jiàn)圖2.試件采用兩端鉸支的支承方式，上端支座采用壓力機(jī)自帶的球餃，下端支座采用滾軸餃支座.試件安裝時(shí)采用激光掃平儀進(jìn)行物理幾何對(duì)中.在加載前，對(duì)試件進(jìn)行預(yù)壓，通過(guò)應(yīng)變片讀數(shù)確定試件是否為軸壓.荷載采用分級(jí)加載方式，每級(jí)荷載為極限承載力的1/10，當(dāng)接近極限承載力時(shí)采用極限承載力的1/15.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 軸壓柱實(shí)景圖

試驗(yàn)柱各測(cè)點(diǎn)布置：在試驗(yàn)柱的柱中布置混凝土和鋼筋應(yīng)變片，通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量柱中位置鋼筋和混凝土的應(yīng)變；在試驗(yàn)柱的柱中布置高靈敏度位移計(jì)以測(cè)定其撓度，應(yīng)變和撓度由24通道的XL2118A24靜態(tài)電阻應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)測(cè)量采集保存[11-12].試驗(yàn)柱各測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3.

圖3 試件尺寸及試件各測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

由LUHPC長(zhǎng)柱和高強(qiáng)混凝土長(zhǎng)柱試驗(yàn)現(xiàn)象可知，長(zhǎng)細(xì)比從6～22的混凝土柱，試件破壞形式主要為受壓破壞、受壓與屈曲兼有的破壞2種.

1) 受壓破壞 對(duì)于短柱，LUHPC柱以LC2-0.4為例，圖4為試件的荷載-應(yīng)變曲線.由圖4可知，試件受力以后，柱中左側(cè)和右側(cè)混凝土和鋼筋的應(yīng)變基本相同，且混凝土和鋼筋的應(yīng)變隨荷載的增加而線性增加，表明試件處于彈性狀態(tài)，試驗(yàn)柱無(wú)明顯變化.當(dāng)軸力達(dá)到1 660 kN時(shí)，縱筋開(kāi)始屈服，鋼筋屈服應(yīng)變?yōu)? 511×10-6，此時(shí)混凝土的平均應(yīng)變?yōu)? 653×10-6，混凝土尚未達(dá)到峰值應(yīng)變.當(dāng)軸力繼續(xù)增大時(shí)，可聽(tīng)見(jiàn)試驗(yàn)柱發(fā)出清脆的響聲，但試驗(yàn)柱表面未出現(xiàn)裂縫.軸力繼續(xù)增加時(shí)，柱中截面開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小的裂縫.隨著軸力的進(jìn)一步加大，裂縫長(zhǎng)度有所增大.當(dāng)軸力達(dá)到1 782 kN時(shí)，試驗(yàn)柱達(dá)到極限承載力，壓力機(jī)壓力讀數(shù)開(kāi)始下降，混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，左側(cè)混凝土壓應(yīng)達(dá)到3 023×10-6，試件面出現(xiàn)縱向裂縫而破壞，并發(fā)出一聲響，試件發(fā)生軸壓破壞.

圖4 LC2-0.4柱中荷載-應(yīng)變曲線

高強(qiáng)混凝土短柱以RC1-0.4為例，圖5為RC1-0.4的荷載-應(yīng)變曲線.由圖5可知，與LUHPC柱相比，受力階段與LUHPC柱基本相似，而LUHPC柱具有更高的混凝土峰值應(yīng)變.當(dāng)高強(qiáng)混凝土達(dá)到峰值壓應(yīng)變時(shí)，試件發(fā)生破壞，破壞時(shí)右側(cè)混凝土壓應(yīng)變達(dá)到2 094×10-6，試驗(yàn)柱破壞比較突然，并且有大塊混凝土剝落，而LUHPC柱幾乎沒(méi)有混凝土剝落.

圖5 RC1-0.4短柱中荷載-應(yīng)變曲線

2) 受壓與屈曲兼有的破壞 對(duì)于長(zhǎng)柱，LUHPC柱以LC1-2.0為例.圖6為L(zhǎng)C2-2.0柱的荷載-應(yīng)變曲線.由圖6可知，柱LC2-2.0開(kāi)始受力達(dá)到1 000 kN之前，柱中混凝土和鋼筋的應(yīng)變基本相同，且其應(yīng)變值與荷載成正比關(guān)系，試驗(yàn)柱處于彈性狀態(tài).當(dāng)軸力達(dá)到1 000 kN時(shí)，縱筋開(kāi)始屈服，此時(shí)鋼筋屈服應(yīng)變?yōu)? 890×10-6，混凝土尚未達(dá)到峰值應(yīng)變，其平均應(yīng)變?yōu)? 621×10-6.荷載繼續(xù)增加，混凝土右側(cè)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)變緩，在軸力達(dá)到1 200 kN時(shí)，混凝土應(yīng)變開(kāi)始變小，表明柱逐漸彎曲.隨著荷載的進(jìn)一步加大，試驗(yàn)柱表面的裂縫發(fā)展越來(lái)越明顯，裂縫寬度和數(shù)量逐漸增加.當(dāng)軸力達(dá)到1 420 kN時(shí)，試驗(yàn)柱LC2-2.0達(dá)到極限承載力，輕質(zhì)超高性能混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，破壞時(shí)左側(cè)混凝土最大壓應(yīng)變達(dá)到4 092×10-6，壓力機(jī)壓力讀數(shù)開(kāi)始下降，當(dāng)壓力值降到1 398 kN時(shí)，試件突然發(fā)出一聲巨響，試件發(fā)生受壓屈曲破壞，且試件破壞帶有突然性.

圖6 LC1-2.0柱中荷載-應(yīng)變曲線及荷載-撓度曲線

高強(qiáng)混凝土柱以RC2-2.0為例，圖7為柱RC2-2.0的荷載-應(yīng)變曲線.由圖7可知，與LUHPC柱相比，受力階段與LUHPC柱基本相似，高強(qiáng)混凝土柱軸力達(dá)到1 321 kN時(shí)，達(dá)到極限承載力，試件破壞帶有突然性，且有大量混凝土剝落，而LUHPC基本沒(méi)有混凝土剝落.高強(qiáng)混凝土的橫向撓度比LUHPC小，試件都件發(fā)生屈曲破壞.LUHPC和高強(qiáng)混凝土柱的破壞形態(tài)相似，且隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大，承載力逐漸減小.

圖7 RC2-2.0柱中荷載-應(yīng)變曲線及荷載-撓度曲線

圖8為本文試驗(yàn)所有試驗(yàn)柱的破壞形態(tài).由圖8可知，破壞形態(tài)主要是受壓破壞和受壓屈曲破壞.對(duì)于LUHPC短柱，先是鋼筋屈服，臨近破壞前試件表面出現(xiàn)縱向裂縫，最后混凝土達(dá)到峰值壓應(yīng)變而破壞；對(duì)LUHPC長(zhǎng)柱則是受壓區(qū)混凝土壓碎曲屈折斷破壞或受壓區(qū)混凝土壓碎受拉區(qū)開(kāi)裂而整體失穩(wěn)破壞.LUHPC長(zhǎng)柱破壞機(jī)理是鋼筋先屈服，然后混凝土達(dá)到應(yīng)變峰值，試件發(fā)生破壞.

圖8 LUHPC和高強(qiáng)混凝土試件破壞形態(tài)

3 結(jié)果分析與穩(wěn)定系數(shù)

混凝土軸心受壓承載力N的計(jì)算公式為

(1)

普通鋼筋混凝土柱承載力穩(wěn)定系數(shù)φ的確定方法是將試驗(yàn)值進(jìn)行理論上的回歸分析，定義穩(wěn)定系數(shù)φ為

(2)

(3)

表3為本次試驗(yàn)完成的10個(gè)LUHPC和10個(gè)高強(qiáng)混凝土軸心受壓柱的實(shí)測(cè)承載力和按式(3)計(jì)算得到的穩(wěn)定系數(shù)φ值.由表3可知，除個(gè)別試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)小于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范給出的穩(wěn)定系數(shù)，大部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均大于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范給出的穩(wěn)定系數(shù)；隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加，試驗(yàn)柱承載力下降，穩(wěn)定系數(shù)減小.根據(jù)表3中計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)，將穩(wěn)定系數(shù)與長(zhǎng)細(xì)比的關(guān)系基于文獻(xiàn)[7]給出的公式進(jìn)行非線性擬合，相關(guān)系數(shù)為0.95，變異系數(shù)為0.5，經(jīng)擬合得到LUHPC長(zhǎng)柱的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算修正公式為

(4)

表3 輕質(zhì)超高性能混凝土(LUHPC)柱和高強(qiáng)混凝土柱實(shí)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 由長(zhǎng)細(xì)比從6～22，LUHPC柱和高強(qiáng)混凝土柱發(fā)生軸壓破壞和受壓及屈曲破壞兼有兩種破壞形態(tài)，且隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大，承載力逐漸降低，穩(wěn)定系數(shù)也相應(yīng)降低.

2) 通過(guò)測(cè)得的荷載-應(yīng)變曲線可知，LUHPC的峰值壓應(yīng)變比高強(qiáng)混凝土更大，達(dá)到3 000×10-6左右，高強(qiáng)混凝土的峰值應(yīng)變達(dá)到2 000×10-6左右，LUHPC長(zhǎng)柱具有更大的承載力.

3) LUHPC長(zhǎng)柱破壞機(jī)理是鋼筋先屈服，然后混凝土達(dá)到應(yīng)變峰值，試件發(fā)生破壞.

4) 通過(guò)測(cè)得的荷載-撓度曲線可知，LC1-2.0柱的柱中撓度大約是RC2-2.0柱的柱中撓度的兩倍，且LUHPC柱破壞時(shí)幾乎沒(méi)有混凝土剝落，而高強(qiáng)混凝土有大塊的混凝土剝落，LUHPC長(zhǎng)柱具有更好的延性.

5) 獲得了LUHPC柱長(zhǎng)細(xì)比從6～22的穩(wěn)定系數(shù)為1～0.73，通過(guò)擬合得到了LUHPC長(zhǎng)柱的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算修正公式，其計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好.