全輕混凝土柱偏心受壓性能試驗研究*

楊艷敏 姚 巍

(1:吉林建筑工程學院土木工程學院，長春 130118;2:長春市希望建設項目管理咨詢有限公司，長春 130012)

0 引言

全輕混凝土粗、細骨料由頁巖陶粒及陶砂組成，其表觀密度為1 150 kg/m3～1 350 kg/m3，比普通輕骨料混凝土低600 kg/m3.由于全輕混凝土取代了苯板等高效有機保溫材料，實現(xiàn)了建筑物的無機化、低碳化，形成結構自身固有的保溫性能.因此，利用全輕混凝土輕質(zhì)、節(jié)能的突出特點，若同時可作為結構承重構件，將具有很好的市場應用前景.目前，文獻以輕骨料混凝土剪力墻研究居多，我國將全輕混凝土作為結構承重構件的研究甚少，而偏心受壓構件的受力狀態(tài)較復雜［1］，為將全輕混凝土偏心受壓柱有效地應用于實際工程，本文設計了6根偏心受壓柱，通過對比試驗，研究全輕混凝土偏心受壓柱的工作性能，并應用現(xiàn)有規(guī)范計算其安全儲備能力，為進一步研究全輕混凝土偏心受壓構件的抗震性能奠定了基礎.

1 試驗研究

1.1 試件設計

為研究全輕混凝土對稱配筋偏心受壓柱的抗壓性能，試件設計綜合考慮了偏心距、縱筋配筋率、配箍率等影響因素.共設計偏心柱6根，相同配筋柱按偏心距不同各制作2個試件.試件設計高度取1.5 m，柱截面尺寸如圖1所示.同時，為了防止構件端部局部承壓破壞，在構件端部各設鋼筋網(wǎng)片3排，間距60 mm［2］，并且加強牛腿構造以防止局部破壞.試件相關參數(shù)見表1.

表1 試件相關參數(shù)

1.2 試驗方案及破壞形態(tài)

加載設備應用5 000 kN長柱液壓試驗機，柱底和柱端設置鉸支座.加載制度采用單調(diào)靜力荷載試驗，按一定加載級距分級加荷，直至構件破壞為止［3］.為了量測偏心柱在各級荷載下的側向位移、應力變化規(guī)律及裂縫開展情況，位移及應變測點布置如圖2所示.

以Z 1，Z 4為例，其破壞形態(tài)如圖3，圖4.小偏壓構件Z 1，Z 3，Z 5表現(xiàn)出共同的特點:隨著荷載的增大，截面受壓區(qū)混凝土和鋼筋的受力較大，受拉側鋼筋應力較小.在加載后期，受壓區(qū)裂縫較少，且開展較慢，當受壓鋼筋屈服且受壓區(qū)出現(xiàn)縱向裂縫，并伴有突然的豎向裂縫出現(xiàn)，直至受壓區(qū)混凝土被壓碎，保護層脫落，而受拉鋼筋尚未屈服.

Z 2，Z 4，Z 6表現(xiàn)出大偏壓特點，當達到開裂荷載時，首先在受拉邊出現(xiàn)2～5條水平裂縫，初始裂縫寬度均在0.01 mm～0.02 mm之間，長度均在1.5 cm～5 cm之間.當軸力N繼續(xù)增大時，受拉邊裂縫數(shù)量增多，裂縫基本等間距出現(xiàn)，與受拉鋼筋的軸線垂直相交，并且新裂縫一旦出現(xiàn)即有一定的高度，達到截面高度的1/3，形成一條或幾條主要水平裂縫.裂縫截面處受拉鋼筋屈服，最后受壓區(qū)混凝土被壓碎，構件達到極限承載力.

圖1 柱截面尺寸(單位:mm)

圖2 偏壓柱測點布置

圖3 Z 1受壓破壞形態(tài)

圖4 Z 4受拉破壞形態(tài)

2 理論計算

中國現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定偏心受壓構件的承載力是采用材料強度設計值，按等效矩形方法進行計算［4］，等效矩形應力圖系數(shù)(α，β1、穩(wěn)定系數(shù)φ按照《輕骨料混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ12-2006)［5］取用.計算時做以下假定:鋼筋和輕骨料混凝土間無滑移;不考慮受拉區(qū)輕骨料混凝土的抗拉強度;可忽略輕骨料混凝土收縮、徐變和溫濕度變化引起的內(nèi)應力和變形［6］.矩形截面全輕混凝土偏心受壓構件，其正截面承載力計算按國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》執(zhí)行［5］.

3 試驗結果及分析

3.1 承載力

偏壓柱承載力檢驗系數(shù)實測值見表2，規(guī)范規(guī)定大、小偏壓構件承載力檢驗系數(shù)允許值為1.25，1.45，均達到或高于規(guī)范要求，表明按現(xiàn)有理論進行計算，具有足夠的安全儲備.并且小偏壓構件檢驗系數(shù)高于大偏壓構件，由于小偏壓構件承載力主要取決壓區(qū)混凝土和受壓鋼筋;相同偏心距、相同配箍率，配筋率大的承載力高，如Z3承載力高于Z1;相同配筋、相同配箍的偏壓柱其受拉破壞承載力明顯低于受壓破壞承載力，Z2，Z 4，Z 6承載力均低于其對應配筋的Z 1，Z 3，Z 5.

表2 承載力實驗值與計算值比較

3.2 荷載-位移曲線

偏壓柱荷載-位移曲線如圖5所示.受拉破壞(大偏壓)具有明顯預兆，變形能力較大，試驗柱在受拉區(qū)混凝土開裂之前(N＜Ncr)基本處于彈性工作狀態(tài).混凝土開裂后，荷載-側向位移曲線斜率降低，構件塑性變形不斷增加，截面剛度降低，荷載與位移非線性越來越明顯，直到試件突然破壞.從側向位移變化、裂縫發(fā)展可知，受壓破壞(小偏壓)沒有有明顯預兆，屬脆性破壞，側向位移較小，相同配筋、不同偏心距其最大位移差別明顯，小偏心柱側向位移低于相同配筋的大偏心柱，全輕混凝土位移曲線與普通鋼筋混凝土柱相似.

圖5 全輕混凝土柱荷載-位移曲線

3.3 荷載-應變曲線

試驗為了驗證平截面假定和測量柱中間截面不同荷載下的混凝土應變分布情況，全輕混凝土柱正截面共布置5個應變測點，受拉區(qū)外邊緣為測點1，依次排序，受壓區(qū)為測點5，以Z3，Z4為例，繪制相同配筋、不同破壞形態(tài)的荷載-應變曲線如圖6.Z3為小偏壓破壞，由圖可知，當荷載達到60kN.M時，受壓區(qū)混凝土局部塑性變形迅速發(fā)展，最大壓應變達990με，而受拉區(qū)混凝土最大應變198με.當Z3荷載達到315KN.M時，測點4發(fā)生轉折，從受壓向受拉趨勢發(fā)展，測點5荷載達到330kN.M時開始轉折，表明中和軸逐漸上移，當荷載達到358.5kN.M，Z3達極限承載力.Z4為大偏壓破壞，當荷載達到123.75kN.M時，拉區(qū)應變比Z3增長加快，表明大偏壓柱開裂后拉區(qū)混凝土比小偏壓柱變形大，當荷載達到191.25kN.M時，測點3，4，5依次發(fā)生轉折，中和軸逐漸上移，隨著縱向壓力N的逐漸增加主裂縫逐漸明顯，當受拉鋼筋屈服后，受拉變形的發(fā)展大于受壓變形，當荷載達到329.4kN.M，壓區(qū)混凝土局部壓碎，構件達到極限承載力.由Z3，Z4的荷載-應變曲線表明全輕混凝土大偏壓柱的變形能力高于小偏壓柱，而且大偏壓構件壓區(qū)混凝土轉折點均低于小偏壓構件.圖7為Z3在不同彎矩作用下的截面應變分布圖，由圖可見，小偏壓柱的中和軸略有移動，應變隨截面高度的變化基本呈線性規(guī)律，符合平截面假定.

圖6 荷載-應變曲線

圖7 Z 3截面應變分布圖

4 結論

(1)6根全輕混凝土試驗柱均為單向偏心受壓柱，結果表明:對稱配筋偏心受壓柱，其破壞特征、撓曲模式與普通混凝土柱基本一致，而且具有足夠的安全儲備;

(2)全輕混凝土偏心受壓構件的破壞形態(tài)與偏心距e0的大小和縱向鋼筋的配筋率有關，破壞形態(tài)判別與普通混凝土柱相同;

(3)全輕混凝土構件能較好地符合平截面假定，混凝土極限壓應變隨著配筋率提高而增大，隨混凝土強度提高而減小;

(4)試驗表明，全輕混凝土偏心受壓柱的承載力隨著配筋率的增加而提高;

(5)全輕混凝土材料在全過程試驗中性能穩(wěn)定，構件延性好，可作為結構材料替代普通混凝土.

［1］盧成原，王李娜.混凝土受壓構件的力學行為及設計計算［J］.浙江工業(yè)大學學報，2010(6):332-337.

［2］王命平，耿樹江，江 濤.HRBF500鋼筋混凝土偏心受壓柱承載力的試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2009(11):17.

［3］劉 明.土木工程結構試驗與檢測［M］.北京:高等教育出版社，2008:69-76.

［4］葉列平，宋世研.中、美規(guī)范中受壓構件的正截面承載力計算［J］.建筑科學與工程學報，2008(6):56-62.

［5］中華人民共和國建設部.輕骨料混凝土結構技術規(guī)程(JGJ12-2006)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［6］劉曉紅.輕骨料混凝土受壓構件偏心距增大系數(shù)的計算［J］.四川建筑科學研究，2008(10):59-61.