鋼筋輕質(zhì)超高性能混凝土偏心受壓柱力學(xué)性能試驗(yàn)研究

曹玉貴 李龍龍 劉沐宇* 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

混凝土材料的輕質(zhì)化和高強(qiáng)化是發(fā)展方向．為此，課題組研發(fā)了一種輕質(zhì)超高性能混凝土(lightweight ultra high performance concrete，LUHPC)，該材料具有密度低、強(qiáng)度高、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)[1]．采用鋼筋LUHPC制備的構(gòu)件可以有效降低結(jié)構(gòu)自重、提高結(jié)構(gòu)的承載能力.實(shí)際工程中的混凝土柱類(lèi)構(gòu)件大部分處于偏心受力狀態(tài)；為了探明鋼筋輕質(zhì)超高性能混凝土偏心受壓柱力學(xué)性能，以利于該材料在工程中的應(yīng)用，開(kāi)展其偏心受壓柱的力學(xué)性能試驗(yàn)研究是十分必要的．

Yuan等[2]對(duì)工程用水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites，ECC)柱進(jìn)行了偏心試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)ECC柱的偏壓破壞狀態(tài)與普通混凝土的不同，基于ECC的拉壓本構(gòu)關(guān)系和受力平衡條件，提出了一個(gè)理論模型來(lái)預(yù)測(cè)偏壓ECC柱的彎矩曲率響應(yīng)．馬愷澤等[3]試驗(yàn)分析UHPC柱的偏心受壓力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)鋼纖維能夠提高偏心受壓UHPC柱的承載能力，通過(guò)考慮受拉區(qū)UHPC對(duì)承載力的影響，提出了偏心受壓UHPC柱的承載力計(jì)算公式．由于不同種類(lèi)的混凝土材料力學(xué)性能存在差異，不同混凝土類(lèi)型的偏心受壓柱承載能力計(jì)算公式并不相同．現(xiàn)有文獻(xiàn)表明偏心荷載對(duì)混凝土柱的承載能力有顯著影響[4-8]．目前GB50010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了偏心受壓普通混凝土柱承載能力計(jì)算公式，但是該公式只適用于抗壓強(qiáng)度小80 MPa的混凝土，且沒(méi)有考慮混凝土的受拉作用．

為了明確鋼筋LUHPC偏心受壓柱力學(xué)性能，文中以偏心距和配筋率為參數(shù)，設(shè)計(jì)制作了配筋率為0%、1.39%、2.05%、3.57%的4種試件，進(jìn)行偏心距為0，30，60和120 mm的加載試驗(yàn)，研究了配筋率和偏心距對(duì)鋼筋LUHPC偏心受壓柱破壞形態(tài)、極限承載力、荷載-側(cè)向位移曲線和荷載-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律．

1 試驗(yàn)概況

1.1 偏心受壓柱設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)16根鋼筋LUHPC試件，尺寸見(jiàn)圖1．參數(shù)為偏心距和配筋率，其中偏心距分別為0，30，60和120 mm，配筋率分別為0%、1.395%、2.05%、3.57%．試件編號(hào)及設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 鋼筋LUHPC材料力學(xué)性能

在制備鋼筋LUHPC材料時(shí)，采用的配合比見(jiàn)表2，并按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)鋼筋LUHPC的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和劈裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3．鋼筋的材料特性由拉拔試驗(yàn)測(cè)定，測(cè)得鋼筋的屈服強(qiáng)度為440 MPa，屈服應(yīng)變?yōu)?.002 2．

表2 鋼筋LUHPC配合比

表3 鋼筋LUHPC基本力學(xué)性質(zhì) 單位：MPa

1.3 加載方案及加載裝置

試驗(yàn)采用1 000 t伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼筋LUHPC偏心柱進(jìn)行加載．在LUHPC柱受拉側(cè)放置三個(gè)水平位移計(jì)，用于測(cè)量LUHPC柱中和兩端的水平位移．在柱的中部放置4個(gè)豎直位移計(jì)，用于測(cè)量豎向位移．應(yīng)變采集主要包含LUHPC應(yīng)變和縱向鋼筋應(yīng)變．其中，LUHPC柱表面應(yīng)變采用應(yīng)變片和非接觸式DIC設(shè)備同時(shí)采集．應(yīng)變片布置于1/2柱高及上方100 mm處，用以測(cè)量鋼筋LUHPC偏心柱在不同加載階段時(shí)的應(yīng)變情況；同時(shí)采用DIC測(cè)量整個(gè)加載過(guò)程中LUHPC表面應(yīng)變的實(shí)時(shí)變化規(guī)律．

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 典型破壞狀態(tài)

1) 在相同偏心距下，不同配筋率試件的破壞狀態(tài) 限于篇幅，文中僅給出偏心距為60 mm時(shí)的情況．不同配筋率的鋼筋LUHPC偏心柱的破壞狀態(tài)，見(jiàn)圖2．從左到右，試件的配筋率分別為0%、1.395%、2.05%和3.57%．從圖2可知:隨著配筋率的增加，最大受拉側(cè)混凝土裂縫逐漸變多，裂縫寬度逐漸變小；配筋率對(duì)最大受壓側(cè)的鋼筋LUHPC裂縫分布區(qū)域影響不大．SLC60-1試件最大受拉側(cè)只有一條主裂縫，SLC60-4試件受拉區(qū)出現(xiàn)較多的微小裂縫．這說(shuō)明試件的配筋率的增加可以延緩受拉區(qū)鋼筋LUHPC的開(kāi)裂，從而提高試件的承載能力．

圖2 配筋率對(duì)鋼筋LUHPC偏心受壓柱破壞狀態(tài)

2) 在相同配筋率下，不同偏心距試件的破壞狀態(tài) 配筋率為1.57%時(shí)，不同荷載偏心距下鋼筋LUHPC偏心柱的典型破壞形態(tài)，見(jiàn)圖3．由圖3可知：軸心受壓試件的混凝土發(fā)生了局部壓碎現(xiàn)象，主要是因?yàn)檩S壓狀態(tài)下試件的承載能力是由鋼筋和混凝土共同承擔(dān)．隨著偏心距的增加，試件最大受拉側(cè)的裂縫逐漸增加；同時(shí)最大受壓側(cè)混凝土破壞區(qū)域隨著偏心距的增加而逐漸減小，其原因是當(dāng)偏心距增大到一定程度時(shí)，試件的承載能力主要由受拉區(qū)混凝土和鋼筋控制．隨著偏心距的變大，承載力迅速變小．

圖3 偏心距對(duì)鋼筋LUHPC偏心受壓柱破壞狀態(tài)

2.2 荷載-側(cè)向撓度曲線

圖4為偏心荷載作用下鋼筋LUHPC偏心受壓柱的荷載-撓度曲線．由圖4可知：試件的承載能力隨著配筋率的增加而增加，隨著荷載偏心距的增大而減小；試件的側(cè)向撓度也隨著配筋率的增加逐漸變大．因此，增加縱筋的配筋率可以提高偏心受壓構(gòu)件的變形能力．

圖4 荷載-水平位移曲線

圖5為配筋率和偏心距對(duì)鋼筋LUHPC柱極限承載力的影響圖．由圖5可知：在同一偏心距下，隨著配筋率的增加鋼筋LUHPC柱承載力逐漸變大，這主要是因?yàn)榕浣盥实脑龃笫沟没炷潦軌簠^(qū)高度變大，此外縱向鋼筋也承擔(dān)了部分荷載．隨著偏心距的增加，鋼筋LUHPC柱的承載力迅速降低．

圖5 配筋率和偏心距承載力的影響

偏心距對(duì)偏心受壓鋼筋LUHPC柱的承載能力有顯著影響，在配筋率為0%時(shí)，隨著偏心距從0增加到60 mm，承載能力下降了68.6%；在配筋率為1.359%和2.05%時(shí)，隨著偏心距從0增加到120 mm時(shí)，承載能力下降了86.2%和84.1%；在配筋率為3.57%時(shí)，隨著偏心距從0增加到90 mm，承載能力下降了71.2%．

配筋率對(duì)偏心受壓鋼筋LUHPC柱的承載能力有顯著影響，在相同偏心距時(shí)，隨著配筋率的增加，承載力主要表現(xiàn)為：當(dāng)偏心距為0，30，60 mm時(shí)，當(dāng)配筋率從0%增加到3.57%時(shí)，承載力分別增加了18%、23.3%、51.4%．

3 鋼筋LUHPC偏心受壓柱承載力計(jì)算修正公式

3.1 等效應(yīng)力矩形參數(shù)值α1和β1的確定

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，當(dāng)偏心距>60 mm時(shí)為大偏心；當(dāng)偏心距<30 mm時(shí)，為小偏心．在不同大小偏心受壓時(shí)，截面應(yīng)變分布和極限承載力計(jì)算公式不同．為此本文根據(jù)實(shí)測(cè)截面應(yīng)變分布規(guī)律，建立了大小偏心受壓柱承載力計(jì)算修正公式．

大小偏心受壓柱截面等效應(yīng)力圖式見(jiàn)圖6．

圖6 受力圖式

在圖6中，鋼筋LUHPC截面的應(yīng)力分布由課題組之前建立的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系計(jì)算得出，即

(1)

式中：εco和fce分別為鋼筋LUHPC的峰值應(yīng)變和鋼筋LUHPC的軸心抗壓強(qiáng)度．

圖6中的系數(shù)α1和β1值，可以根據(jù)等效前后合力大小相等和合力作用點(diǎn)位置不變的原則確定，為

(2)

(3)

根據(jù)合力大小不變和合力矩位置不變的原則，可得

(4)

β1=(1-k2)

(5)

由式(4)～(5)可知:在計(jì)算α1和β1時(shí)，只需要確定的參數(shù)為鋼筋LUHPC的軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)ce，峰值應(yīng)變?chǔ)與o和極限應(yīng)變?chǔ)與u．本次試驗(yàn)鋼筋LUHPC的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變分別為103.1 MPa,0.003 32和0.004 4，將其代入式(4)～(5)，可得α1和β1分別為0.934 5和0.676 7．

3.2 鋼筋LUHPC大偏心受壓柱極限承載力計(jì)算修正公式

在計(jì)算偏心受壓柱承載力計(jì)算時(shí)，還應(yīng)該考慮偏心距增大系數(shù)的影響，該系數(shù)與混凝土類(lèi)型有關(guān)，因此本文將修正并引用適用于鋼筋LUHPC的偏心距增大系數(shù),同時(shí)考慮鋼筋LUHPC拉應(yīng)力的影響．本文修正了適用于鋼筋LUHPC的偏心距增大系數(shù)ηL公式．

(6)

鋼筋LUHPC柱在大偏心受壓極限狀態(tài)時(shí)，鋼筋合力點(diǎn)到受拉邊緣鋼筋LUHPC由于裂縫開(kāi)展較大，不承擔(dān)拉應(yīng)力，鋼筋LUHPC構(gòu)件的主要拉應(yīng)力由受拉鋼筋和受拉區(qū)的混凝土提供．受壓區(qū)簡(jiǎn)化受力圖見(jiàn)圖6a)，拉應(yīng)力簡(jiǎn)化為矩形，折減系數(shù)為m．由柱中截面的外力和內(nèi)力對(duì)受拉鋼筋合力點(diǎn)的力矩平衡得：

(7)

(8)

(9)

ei=e0+ea

(10)

表4為大偏心受壓柱受壓承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比.由表4可知:試驗(yàn)值與文中提出的大偏心承載力計(jì)算值的比值平均值為0.991，變異系數(shù)為0.049，試驗(yàn)值與本文提出的大偏心彎矩計(jì)算值的比值平均值1.013，變異系數(shù)為0.008．基于計(jì)算分析，文中修正的計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值相對(duì)吻合．

表4 大偏心受壓柱受壓承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

3.3 鋼筋LUHPC小偏心受壓柱極限承載力計(jì)算修正公式

在整個(gè)加載過(guò)程中，試件截面幾乎為全截面受壓，部分試件在接近到峰值荷載時(shí)，較小受壓側(cè)邊緣混凝土承受拉應(yīng)力．此時(shí)，受拉區(qū)混凝土拉應(yīng)力較小，文中在計(jì)算承載力時(shí)忽略這部分拉應(yīng)力的影響[9]．同時(shí)，截面應(yīng)力采用等效矩形進(jìn)行計(jì)算．在達(dá)到峰值荷載時(shí)，鋼筋LUHPC柱中靠近荷載側(cè)的鋼筋已經(jīng)屈服，遠(yuǎn)離荷載處的鋼筋還處于彈性階段．

根據(jù)簡(jiǎn)化應(yīng)力圖式和截面應(yīng)變，沿鋼筋LUHPC柱縱軸方向的外力、內(nèi)力平衡和混凝土截面外力、內(nèi)力對(duì)受拉鋼筋的力矩平衡得：

(11)

(12)

采用式(11)～(12)計(jì)算得到小偏心受壓承載力和彎矩計(jì)算公式結(jié)果與試驗(yàn)值相對(duì)接近，見(jiàn)表5．試驗(yàn)值與計(jì)算值得比值的平均值分別為1.010和0.998，變異系數(shù)分別為0.011和0.012．

表5 鋼筋LUHPC柱受壓小偏心承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)觀察非接觸式DIC在峰值荷載時(shí)柱中區(qū)域應(yīng)變分布情況，受拉區(qū)混凝土在產(chǎn)生裂縫的情況下依然存在拉應(yīng)力，因此在偏心受壓承載力計(jì)算時(shí)需要考慮混凝土的拉應(yīng)力對(duì)承載力的影響．

2) 在相同的偏心距下，當(dāng)配筋率從0%增大到3.57%時(shí)，混凝土受壓區(qū)高度增加，鋼筋LUHPC偏心受壓柱的極限承載力增加了18.0%～51.4%；在相同配筋率下，當(dāng)偏心距從0～120 mm時(shí)，受壓區(qū)混凝土相對(duì)受壓區(qū)高度顯著減小，鋼筋LUHPC偏心受壓柱的極限承載力下降68.6%～86.2%．

3)修正了適用于鋼筋LUHPC的等效應(yīng)力矩形系數(shù)α1和β1分別為0.9345和0.6767．修正了適用鋼筋LUHPC的偏心距增大系數(shù)L．建立了大、小偏心鋼筋LUHPC偏心受壓柱極限承載力計(jì)算修正公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值比較吻合，平均誤差為3%．