HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土短柱軸壓性能試驗

顧楊明, 王靜峰,2, 沈奇罕, 丁兆東, 邵幸巧

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.先進鋼結構技術與產業化協同創新中心,安徽 合肥 230009)

為落實《國務院關于印發“十二五”節能減排綜合性工作方案》的通知,住房和城鄉建設部出臺了關于加快應用高強鋼筋的指導意見，意見指出要促進鋼鐵業和建筑業轉變發展方式,在建筑工程中加快應用400 MPa級以上高強度鋼筋，并將高強鋼筋推廣應用納入國家開展的節能減排、綠色建筑行動等工作中[1]。使用高強鋼筋可減少鋼筋加工與連接的工程量,能解決建筑結構中,尤其是梁柱節點部位,鋼筋密度過大、操作困難的問題,有助于避免“肥梁胖柱”,對保障工程質量和安全可靠性具有重要意義。

本文使用的HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋是一種通過熱軋工藝微合金化的新型高強金屬建筑材料,相比于余熱處理與冷加工高強鋼筋具有強度高、延性好、成本低、環境效益和社會經濟效益好等優勢,將其在工程中大力推廣和應用,在實現建筑節能環保等方面具有重大意義。

近年來,國內外有關高強鋼筋的研究與應用正逐步開展,并取得了一定的成果。對于HRB500級熱軋帶肋高強鋼筋在結構設計中的應用研究已較為系統全面,但是對于HRB600級及以上高強鋼筋在結構與構件上應用規定的研究涉及較少,這在一定程度上限制了HRB600級及以上高強鋼筋的應用。因此,國內研究人員進行了HRB600級高強鋼筋基本性能及其混凝土構件的相關受力性能研究。在黏結錨固性能上,文獻[2-3]分別研究了保護層厚度、混凝土強度、配箍率、錨固長度等參數對600 MPa級高強鋼筋黏結和錨固性能的影響;在梁構件受彎性能上,文獻[4]進行了600 MPa級鋼筋混凝土受力性能的研究,得出縱筋配筋率越大,梁的承載力越大、延性越好的結論;在柱構件受壓性能上，文獻[5]通過對9根HRB600級鋼筋混凝土柱的軸壓性能試驗研究發現提高混凝土強度和縱筋強度,可明顯提高柱的承載力;在構件抗震性能上，文獻[6]對5根HRB600級高強鋼筋混凝土柱進行了低周往復荷載試驗,得出試件的滯回曲線總體上呈飽滿梭形狀,試件具有較好的抗震性能的結論。然而,上述研究的HRB600級高強鋼筋的生產工藝多為熱處理或冷軋工藝。

本文研究的HRB635級熱軋高強鋼筋相比于余熱處理鋼筋具有明顯的流幅與屈服點,且可焊性能更好;相對于冷加工鋼筋,有著更好的塑性韌性。因此,為詳細研究HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋豎向承重構件的軸心受壓性能和受力機理,本文進行了12根HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土短柱的軸向受壓性能試驗,深入分析高強箍筋配箍率、高寬比和縱筋配筋率等參數對其破壞模式、承載力以及延性的影響規律,最終提出適用于計算HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土軸壓柱的承載力計算公式,為其在實際工程中的應用提供理論依據。

1 HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋

試驗采用的HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋為熱軋成形并控冷之后得到的微合金化成品鋼筋,具有強度高、流幅和屈服點明顯、可焊性好、塑性韌性優越等明顯優勢。其生產工藝為:頂底復吹轉爐冶煉→吹氬、LF精煉→六機六流方坯連鑄→步進梁式加熱爐加熱→連續棒材軋機成材→冷床自然降溫。鋼筋樣品的橫向金相組織如圖1所示。

圖1 鋼筋斷面組織形貌

其芯部組織與邊部組織均為等軸的“鐵素體+珠光體”結構,且晶粒度為10級超細晶粒度,說明其力學性能較好,性能更加穩定。

根據文獻[7]規定,選取直徑為8、14、16、18、20 mm的HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋進行拉伸試驗,測得鋼筋的各項參數,見表1所列。

表1 鋼筋材料性能試驗結果

由表1可知,HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋的屈服強度fy均在635 MPa以上,強屈比均超過1.25,極限抗拉強度δb均大于850 MPa,彈性模量基本在200 GPa左右,斷后延伸率大于9%,各性能指標優越且均滿足文獻[8]抗震鋼筋的要求。

2 試驗概況

2.1 試驗設計與試驗參數

按實際工程的1∶2縮尺模型設計了12個混凝土試件。標準試件截面尺寸為250 mm×250 mm,高度為750 mm。混凝土強度均為C50,箍筋直徑均為8 mm,按照文獻[9]對同等條件養護下混凝土試塊進行試驗,混凝土的力學性能指標如下:立方體抗壓強度為54.61 MPa，軸心抗壓強度為35.33 MPa，彈性模量為34.8 GPa。

以標準試件6-4-A01為例,縱筋使用HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋,箍筋使用HRB400級普通鋼筋。

試件截面如圖2所示,圖2中單位為mm。

圖2 軸壓短柱試件示意圖

本試驗試件主要參數及詳細信息見表2所列。

表2中：試件編號首數字表示縱筋強度，6表示HRB635;第2個數字表示箍筋強度;4表示HRB400;A表示軸壓。

表2 試件參數

2.2 加載方式

本試驗使用YES-500型數控壓力試驗機進行加載。裝置及測點具體位置如圖3所示。試驗采用力-位移混合加載制度,各階段分別逐級進行加載。開始前采用數值分析方法初步估算軸壓試件的極限承載力,以便于確定試驗的加載級數,同時還需要進行預加載,清除加載部件與試件之間的間隙。正式加載時,在達到估算極限承載力的50%前,每級荷載為100 kN,持荷時間為60 s;之后,每級荷載為50 kN,持荷時間增加為120 s。當試件的極限承載力下降至峰值荷載的85%或者構件變形過大時,試驗采用位移加載制度,每級加載1～3 mm,實時采集荷載-位移曲線,進而獲得試驗下降段。

圖3 試驗裝置及測點布置圖

3 試驗現象與破壞模式

由于受加工平整度誤差影響,試件6-6-A23和試件4-4-A61的破壞部位發生在柱的上端角部,呈局部受壓破壞(局壓破壞),其余試件的破壞模式均為軸壓破壞。現以試件6-6-A21為例,說明高強鋼筋混凝土柱軸壓試件的試驗現象和受力破壞過程,如圖4所示。

圖4 試件6-6-A21破壞現象

由圖4a可知,當荷載較小時,試件處于彈性階段,混凝土的應變與荷載呈線性變化關系。當荷載達到極限荷載的25%～30%時,柱子表面開始出現豎向微裂縫,但數量較少。

由圖4b可知,隨著荷載的繼續增大,達到極限荷載的50%～60%左右時,試件進入塑性階段。隨著裂縫寬度不斷變大,并伴隨其他新裂縫出現,保護層開始剝落,隨著荷載的持續增大,達到極限荷載的80%時,中部裂縫逐漸擴展,最長能達到1/2柱長,寬度繼續增大,并出現“噼啪”聲。

由圖4c可知,當荷載達到極限荷載時,變形加劇,混凝土保護層大面積脫落,核心混凝土達到極限壓應變并被壓碎,柱四周出現豎向裂縫,豎向裂縫和斜裂縫相交并貫通整個試件,縱筋被壓屈外凸,表明此時縱向鋼筋達到或接近屈服強度,試件進入破壞階段。

4 試驗結果分析

4.1 荷載-位移曲線

每個試件的荷載-豎向位移曲線如圖5所示，圖5中:N為承載力;Δ為位移。通過圖5中曲線分析不同參數對試件承載力、剛度的影響。

由圖5a可知,隨著縱筋配筋率的提高,試件的承載力和峰值荷載對應的豎向位移均相應地提高;加載初期,3個試件的彈性剛度相差不大,進入塑性階段,試件6-4-A12明顯比試件6-4-A11的整體剛度要高,說明在混凝土進入塑性發展階段,鋼筋仍然處于彈性階段,使得配筋率高的試件整體剛度得到提高。

由圖5b～圖5d可知,箍筋強度對高強鋼筋混凝土短柱的彈性剛度和極限承載力影響不明顯。試件6-6-A23由于發生局壓破壞,極限承載力有所下降。由圖5e可知,在體積配箍率較低時,保持其他參數不變,提高體積配箍率可明顯提高其承載力,而當體積配箍率超過1.5%時,增大體積配箍率對承載力的提升不再明顯。

由圖5f可知,高寬比的增大對高強鋼筋混凝土軸壓短柱的極限承載力影響并不明顯。

由圖5g、圖5h可知,在相同配置下,HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋替代普通400 MPa級縱筋有利于提高試件極限承載力。

圖5 試件荷載-豎向位移曲線

4.2 荷載-混凝土應變曲線

縱筋配筋率、箍筋強度、體積配箍率、高寬比以及與400 MPa級縱筋等面積和等強替換對HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土短柱試件中部的縱向壓應變(負向橫坐標)和橫向拉應變(正向橫坐標)的影響曲線如圖6所示。

由圖6可知,隨著縱筋配筋率的增大,試件的極限承載力和混凝土極限壓應變(試件達極限承載力時對應的混凝土應變值)都增大,除了試件6-6-A23和試件4-4-A61發生局壓破壞,其余試件壓應變εu的實測值在0.003 0～0.003 5之間;從加載初期到試件破壞,當荷載相同時,提高配筋率,反而使得混凝土的應變下降,這是由于提高配筋率,相當于增強了整個試件的剛度,使得荷載相同時,試件的配筋率越高,鋼筋和混凝土承擔的應力越小,混凝土的應變也越小。當箍筋強度不同時,對應變曲線的上升段影響并不明顯。但是,隨著箍筋強度和體積配箍率的增大以及高寬比的減小,混凝土的峰值壓應變會提高。同時,通過分析曲線可以發現,對400 MPa級普通鋼筋進行等面積替換,無論是極限承載力還是峰值壓應變,都會增大。

圖6 荷載-混凝土應變曲線

4.3 荷載-縱筋應變曲線

各參數對荷載-縱筋應變曲線的影響如圖7所示。

各參數對縱筋應變的影響規律與對混凝土應變的影響規律基本一致。

以縱筋配筋率為例說明,隨著縱筋配筋率的增大,縱筋的峰值壓應變會略微增大,除了試件6-6-A23和試件4-4-A61發生局壓破壞,其余試件應變數值都超過εs=-0.003 3,均達到屈服;但是,當配筋率增大時,相當于提高了整個試件的剛度,在荷載相同時,配筋率大的試件應變小于配筋率小的試件。

4.4 荷載-箍筋應變曲線

各個參數對荷載-箍筋應變曲線的影響如圖8所示。由圖8可知,縱筋配筋率越大,箍筋強度越高以及高強箍筋體積配箍率越大,中部的箍筋峰值應變越大,因為這些參數的增大可以阻滯或延緩混凝土內微裂縫的發展,所以能夠提高混凝土耐受變形能力,從而延緩了混凝土最終破壞的到達,激發了箍筋的被動約束能力。

4.5 相對軸力與位移延性系數

為了消除試件混凝土強度和截面尺寸的影響,本文引用相對軸力[10]來反映高強鋼筋核心混凝土的增強作用。

相對軸力FRA計算公式如下:

(1)

其中:As為縱筋截面面積;fy、fc分別為縱筋屈服強度和混凝土軸心抗壓強度設計值。

為了解HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土軸壓短柱的延性,使用位移延性系數μ來評價其延性性能,即

μ=Δf/Δy

(2)

其中:Δy為屈服位移;Δf為極限位移。

各組試件相對軸力、位移延性系數見表3所列,表3中，Δu為從加載至試件破壞的最大位移。

表3結果表明,相對軸力隨著高強箍筋配箍率和箍筋強度的增大而增大,采用HRB635級高強箍筋可為核心混凝土提供有效約束,增大混凝土抗壓承載力。

表3 相對軸力、位移延性系數

由表3可知,各組試件的延性系數在1.675到3.996之間。通過比較可發現試件4-4-A51和6-4-A61的延性系數只相差0.006,說明HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土短柱具有良好的延性。由表3還可知,隨著縱筋配筋率、箍筋強度和高強箍筋配箍率的增大,高寬比的減小,試件的延性系數明顯提高,這早由于當試件進入塑性階段后,提高箍筋強度和高強箍筋配箍率,相當于加強了對核心混凝土的環向約束作用。

屈服位移Δy取法是取N-Δ曲線彈性段切線與過峰值點的切線交點處的位移;極限位移Δf取承載力下降到峰值承載力的85%時對應的位移[11],具體取法如圖9所示。

圖9 位移延性系數的確定

5 承載力計算

軸壓短柱承載力的試驗結果、計算結果和理論結果見表4所列。

(1) 中國規范承載力的計算與比較。文獻[8]中鋼筋混凝土軸心受壓構件正截面受壓承載力的計算公式為:

(3)

其中:0.9為保持與偏壓構件正截面承載力可靠度相近的降低系數;φ為鋼筋混凝土構件的穩定系數;fy′為鋼筋屈服強度設計值。

根據(3)式分別取鋼筋和混凝土強度的實測平均值和標準值計算,分別得到了軸壓試件的實際承載力計算值Nc1和規范規定的設計承載力計算值Nc2。

由表4可知,Ntest與Nc1的比值的范圍為1.01～1.16,平均值為1.1,變異系數為0.04。Ntest與Nc2比值的范圍為1.49～1.74,平均值為1.63,變異系數為0.064。由此可知,文獻[8]設計規范的軸心受壓鋼筋混凝土柱設計方法來評估HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土軸壓短柱的設計和極限承載力較為保守。

表4 軸壓短柱承載力的試驗結果、計算結果和理論結果

(2) 美國規范承載力的計算與比較。文獻[12]中鋼筋混凝土軸心受壓構件正截面受壓承載力的計算公式為:

(4)

其中:φ為軸壓構件的承載力降低系數，矩形鋼箍取0.65;0.8為矩形鋼箍柱考慮荷載偶然偏心的影響系數;fc′為混凝土試件規定的抗壓強度。

根據(4)式計算得出設計承載力計算值Nc3, 由(3)式、(4)式分別計算得到Nc2和Nc3,Ntest與Nc2、Nc3比值的平均值分別為1.60、3.19,說明當前規范[8,12]規定的承載力設計方法偏向安全,但過于保守。因此,有必要提出針對HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土軸壓短柱承載力的實用計算方法。

(3) 承載力計算方法。。本文在文獻[8]中給出的普通鋼筋混凝土軸壓短柱的承載力公式的研究結果的基礎上,綜合考慮各影響因素及混凝土匹配性的影響,利用體積套箍效應系數φρ和強度匹配系數k對公式進行調整,提出了適用于HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土軸壓短柱的承載力計算公式如下:

(5)

φρ=-11.7γ2+3.903γ+0.729

(6)

k=0.146(εs/εc)2-0.943(εs/εc)+2.48

(7)

γ=ρvfyv/fc

(8)

其中:As′為鋼筋的面積;εs為鋼筋的屈服應變;εc為混凝土達到軸心抗壓強度時的應變;ρv為體積配箍率;fyv為箍筋的屈服強度。

為了驗證本文所提的公式對HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土軸壓短柱承載力計算公式的適用性,將本文中的試驗結果Ntest與計算公式的結果Nc4進行對比,由于試件6-6-A23和試件6-4-A61發生局壓破壞,不適用于此公式,故不再計算,其余試件計算結果比值的平均值為1.007、標準差為0.056。通過分析可發現,用該方法計算的結果與試驗結果基本吻合,故可用于計算HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土軸壓短柱的承載力。

6 結 論

(1) HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土軸壓短柱受壓過程可分為彈性階段、塑性階段、極限狀態、荷載下降段;破壞模式為軸壓破壞和部分局壓破壞。

(2) 影響HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土軸壓短柱承載力的主要因素包括縱筋配筋率、箍筋強度、高強箍筋配箍率、高寬比。隨著高寬比的減小，箍筋強度、高強箍筋配箍率、縱筋配筋率的增大,HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土軸向受壓短柱承載力增大。無論與400 MPa級縱筋是等面積替換還是等強替換,HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土短柱的承載力都明顯增大。

(3) 相比于使用400 MPa級普通鋼筋,HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土短柱表現出良好的延性。隨著高寬比的增大,試件的延性變差,而當箍筋強度、縱筋配筋率和高強箍筋配箍率增大時,延性變好。

(4) 本文在現行普通鋼筋混凝土軸壓短柱的承載力計算公式基礎上,綜合考慮各影響因素,提出了適用于HRB635級熱軋帶肋高強鋼筋混凝土短柱的軸壓承載力計算公式。