配有鋼纖維RPC免拆柱模的鋼筋混凝土短柱軸壓力學(xué)性能

王鈞　王志彬　李論

摘要：為研究配有鋼纖維活性粉末混凝土（RPC）免拆柱模的鋼筋混凝土短柱的軸壓力學(xué)性能與鋼纖維RPC免拆柱模對核心鋼筋混凝土短柱軸壓承載力的提高效果，對2根配有不同壁厚鋼纖維RPC免拆柱模的鋼筋混凝土方形短柱和用于對比的1根普通鋼筋混凝土方形短柱進(jìn)行了軸壓試驗研究；采用有限元模型對試驗結(jié)果進(jìn)行了驗證，根據(jù)試驗結(jié)果及有限元分析結(jié)果，探討了配有鋼纖維RPC免拆柱模的鋼筋混凝土短柱軸壓承載力計算方法。結(jié)果表明：鋼纖維RPC免拆柱模顯著提高了鋼筋混凝土短柱的極限承載力，且延緩了縱筋的屈服；隨免拆柱模壁厚的增加，鋼筋混凝土短柱軸向變形隨之減小，極限承載力隨之提高，延性也相對提高；免拆柱模不但限制了鋼筋混凝土短柱在軸向壓力作用下的側(cè)向變形，而且間接減小了軸向變形；有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，該計算方法可為工程實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼纖維RPC；免拆柱模；短柱；靜力試驗；有限元分析；軸壓承載力

中圖分類號：TU375.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to investigate the mechanical behavior of reinforced concrete short columns with steel fiber reactive powder concrete （RPC） columnpermanent template and the improvement effect of steel fiber RPC columnpermanent template on bearing capacity of core reinforced concrete short column， axial compression tests on two square reinforced concrete short columns with steel fiber RPC columnpermanent template of different wall thickness and a general square reinforced concrete short column used for comparison were carried out. The test results were verified using finite element model. According to the test and finite element analysis results， the axial bearing capacity calculation method of reinforced concrete short columns with steel fiber RPC columnpermanent template was discussed. The results show that ultimate bearing capacity of reinforced concrete short columns is significantly improved by steel fiber RPC columnpermanent template， and the yield of longitudinal reinforcement is delayed. With the increase of columnpermanent template thickness， axial deformation of reinforced concrete short column decreases， and the ultimate bearing capacity and ductility relatively increase. The lateral deformation of reinforced concrete short columns under axial compression is limited and axial deformation is decreased indirectly by columnpermanent template. The finite element analysis results agree well with the test results. The calculation method can provide references for practical engineering.

Key words： steel fiber RPC； columnpermanent template； short column； static test； finite element analysis； axial bearing capacity

0引言

模板工程是鋼筋混凝土工程施工的基本組成部分。傳統(tǒng)模板及其支撐系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、拆除以及周轉(zhuǎn)等工作極其繁復(fù)，使其經(jīng)濟比重約占鋼筋混凝土工程的四分之一，工期約占鋼筋混凝土工程的二分之一[12]。因此，有效改進(jìn)模板技術(shù)將大力推進(jìn)建筑技術(shù)的進(jìn)步，目前已經(jīng)成為各國學(xué)者亟待解決的一項研究課題。

施一雷等[3]進(jìn)行的相關(guān)研究表明，將鋼絲網(wǎng)、玻璃纖維等增強材料與高強水泥砂漿或混凝土進(jìn)行復(fù)合制作而成的免拆模板在實際工程中的應(yīng)用是可行的。將鋼纖維加入到具有高強度、高耐久性能的活性粉末混凝土（RPC）材料中，二者結(jié)合所形成的免拆柱?？蓪诵匿摻罨炷林鸬搅己玫募s束作用，其受力狀態(tài)類似于鋼管約束鋼筋混凝土柱。各國學(xué)者對鋼管約束鋼筋混凝土柱進(jìn)行了大量的試驗研究，結(jié)果表明鋼筋混凝土柱通過外部鋼管的約束作用提高了構(gòu)件自身承載力[48]。然而鋼材耐火、耐腐蝕性能相對較弱，需進(jìn)行相關(guān)處理，而鋼纖維RPC材料的耐高溫與耐腐蝕性能可彌補鋼制材料的性能缺陷，將其作為免拆柱模材料與鋼筋混凝土柱組合[911]，既可以使模板的功能屬性得到滿足與優(yōu)化，又可改善構(gòu)件的受力性能。

目前，尚未有關(guān)配有鋼纖維RPC免拆柱模的鋼筋混凝土柱的試驗研究報道。本文對配有鋼纖維RPC免拆柱模的鋼筋混凝土短柱進(jìn)行軸壓靜力試驗研究，分析其力學(xué)性能，并通過有限元模擬，對比試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果。在試驗及有限元分析的基礎(chǔ)上，初步建立這種復(fù)合柱的軸壓承載力計算公式，可為工程實踐提供參考。

1試驗概況

1.1試件設(shè)計

試驗共設(shè)計制作3個鋼筋混凝土軸心受壓方形短柱，其中2個短柱分別配有壁厚為15 mm和25 mm的鋼纖維RPC免拆柱模，另一個短柱為普通鋼筋混凝土柱，作為對比試件。試件的幾何尺寸見表1，試件的縱筋及箍筋配置如圖1所示，鋼筋的實測力學(xué)性能見表2；試驗所用混凝土強度等級為C30，混凝土與鋼纖維RPC的實測力學(xué)性能見表3。

2試驗結(jié)果與分析

2.1破壞形態(tài)

普通鋼筋混凝土短柱與配有不同壁厚的鋼纖維RPC免拆柱模的鋼筋混凝土短柱試件破壞形態(tài)如表5所示。由表5可知，配有鋼纖維RPC免拆柱模的鋼筋混凝土軸壓短柱的破壞形態(tài)與普通混凝土軸壓短柱的破壞形態(tài)一致。免拆柱模延緩了受壓混凝土破碎，使構(gòu)件延性有所改善，且隨免拆柱模壁厚增加，延性隨之提高。在加載過程中，免拆柱模主要受到核心混凝土受壓后的橫向膨脹力作用，對核心混凝土的橫向變形起到有效約束作用，從而提高鋼筋混凝土短柱的豎向承載能力，體現(xiàn)了利用鋼纖維RPC免拆柱模約束鋼筋混凝土短柱可提高構(gòu)件承載力的設(shè)計思想。

2.2荷載應(yīng)變曲線及荷載軸向變形曲線

試件編號縱向應(yīng)變/10-6橫向應(yīng)變/10-6AS1-2 266355AS2-577644AS3-604835心混凝土而未直接作用于免拆柱模上，免拆柱模主要受到核心混凝土受壓后的橫向膨脹力作用，因此免拆柱模應(yīng)變終值與普通鋼筋混凝土柱應(yīng)變終值相比，縱向壓應(yīng)變偏小，而橫向拉應(yīng)變偏大。由于AS3的承載能力較AS2有所提升，故AS3的橫向和縱向應(yīng)變終值大于AS2。

加載初期試件處于彈性工作階段，核心鋼筋混凝土短柱受到鋼纖維RPC免拆柱模的約束作用不大，其受力性能與無約束鋼筋混凝土短柱相似，橫向與縱向應(yīng)變比值無明顯變化。當(dāng)荷載逐漸增加時，試件進(jìn)入彈塑性工作階段，荷載應(yīng)變曲線斜率開始下降，此時鋼纖維RPC免拆柱模發(fā)揮對核心鋼筋混凝土短柱約束作用，限制混凝土側(cè)向變形，免拆柱模受核心混凝土橫向膨脹力作用的影響，橫向應(yīng)變增長迅速，橫向與縱向應(yīng)變比值呈上升趨勢。在試件達(dá)到極限承載力后，隨著鋼纖維RPC免拆柱模的斷裂，試件失去承載能力。

圖7為鋼筋混凝土柱中縱筋的荷載應(yīng)變曲線，曲線拐點為鋼筋屈服點。由圖7可見，在同一鋼筋應(yīng)變值條件下，試件AS1，AS2，AS3所對應(yīng)的荷載值依次增加，因此，由于鋼纖維RPC免拆柱模的配置，使柱中縱筋的屈服得以延緩。

圖8為試件荷載軸向變形曲線。由圖8可見，與未約束鋼筋混凝土短柱相比，配有鋼纖維RPC免拆柱模的短柱軸向變形明顯減小，免拆柱模的緊箍約束作用不僅限制了核心混凝土側(cè)向變形，也間接提高了其軸向抗變形能力。

由表7可知：試件AS2，AS3軸壓承載力比試件AS1分別提高了17.3%，34.1%；鋼纖維RPC免拆柱模不僅延緩了柱中縱筋的屈服，而且可顯著提高鋼筋混凝土短柱的軸壓承載能力。由此可見，將鋼纖維加入到具有高強度、高耐久性能的RPC材料中，二者結(jié)合所形成的免拆柱模對核心混凝土可起到良好的約束作用。試驗中隨著施加荷載的不斷增大，免拆柱模所受膨脹力逐漸增加，當(dāng)免拆柱模產(chǎn)生裂縫時，橫跨在裂縫間的鋼纖維成為主要受力者，由于鋼纖維不斷拉出所產(chǎn)生的粘結(jié)應(yīng)力分布在裂縫端部，產(chǎn)生反向應(yīng)力作用，限制裂縫的發(fā)展，使得免拆柱?？沽研阅艿玫教嵘?，從而對核心混凝土產(chǎn)生的約束作用效應(yīng)也隨之增強。3有限元分析與試驗結(jié)果比較

采用大型通用有限元程序ABAQUS9.0對試驗進(jìn)行了仿真模擬分析?；炷劣嬎悴捎盟苄該p傷模型[1922]，采用實體單元模擬。鋼筋采用桁架單元模擬，鋼筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系[2225]。由于核心混凝土澆筑在預(yù)制的免拆柱模中，構(gòu)成復(fù)合柱，因此建模時將免拆柱模與核心鋼筋混凝土視為一體，采用分割的方法將核心混凝土和免拆柱模分割，并賦予不同的材料和界面屬性。此外，在柱的上下兩端加鋼墊板，來模擬柱端的實際受力狀況。

3.1破壞形態(tài)比較

圖9為配有鋼纖維RPC免拆柱模的鋼筋混凝土試件有限元分析與試件破壞形態(tài)的對比。由圖9可知：試驗中試件上部及下部均出現(xiàn)主裂縫，且最終為上部主裂縫開裂較明顯；有限元分析中試件上部及下部向外鼓曲，與試件破壞形態(tài)基本一致。

3.2軸壓承載力比較

表8為有限元分析與試驗所得試件軸壓承載力對比。由表8可知：有限元分析所得軸壓承載力比試驗結(jié)果偏大，這是由于有限元模擬情況較為理想，認(rèn)為免拆柱模與核心混凝土間粘結(jié)緊密，不產(chǎn)生摩擦滑移，可視為一體，免拆柱模的約束效果也得到最大化實現(xiàn)，但試驗試件因?qū)嶋H條件所限，使得后澆筑的混凝土與免拆柱模之間的粘結(jié)不能理想化，進(jìn)而影響免拆柱模的約束作用。

3.3荷載應(yīng)變曲線及荷載變形軸向曲線比較

試件AS2，AS3的荷載應(yīng)變曲線與荷載軸向變形曲線如圖10～12所示。通過圖10～12對比結(jié)果可以看出：混凝土荷載應(yīng)變模擬曲線得出了更為具體的下降趨勢，試件經(jīng)有限元分析得出的承載力與試驗測得的承載力相比有所提高，延性得到增強；有限元計算全過程中壓應(yīng)力值較試驗值偏大，而拉應(yīng)力值前期較大，后期較小，終值大于試驗值；在相同應(yīng)變下，縱筋荷載應(yīng)變模擬曲線較試驗曲線荷載值略有提高。

模型分析與試驗結(jié)果不同，一是由于模型理想化，而制作試件時，由于受實際條件所限，使得后澆筑的混凝土與免拆柱模之間的粘結(jié)很難理想化，進(jìn)而影響免拆柱模的約束作用。另外，ABAQUS有限元模擬分析中假定混凝土材料為均勻的各向同性材料[26]，實際混凝土是一種非均質(zhì)多相復(fù)合材料，內(nèi)部呈現(xiàn)的是不均勻性和各向異性。在有限元模擬分析中，鋼纖維RPC材料的本構(gòu)關(guān)系與實際情況存在偏差，這會導(dǎo)致試件內(nèi)力的計算結(jié)果與試驗結(jié)果有所不同?？傮w上來說，有限元分析很好地模擬了試件受力全過程，有限元分析與試驗結(jié)果吻合較好。

4軸壓承載力計算方法探討

5結(jié)語

（1）由于鋼纖維RPC免拆柱模的約束作用，使得核心混凝土有效區(qū)域內(nèi)處于三向受壓狀態(tài)，顯著提高了鋼筋混凝土短柱的軸壓承載力；隨鋼纖維RPC免拆柱模壁厚的增加，鋼筋混凝土短柱軸壓承載能力隨之提高，延性也相對提高。

（2）配置鋼纖維RPC免拆柱模不僅限制了鋼筋混凝土短柱在軸向壓力作用下的側(cè)向變形，而且間接提高了軸向抗變形能力。

（3）利用ABAQUS有限元程序?qū)︿摾w維RPC鋼筋混凝土軸壓短柱的破壞形態(tài)和極限承載力進(jìn)行了分析，有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好；由此可以通過有限元程序?qū)υ擃愒嚰M(jìn)行大量的參數(shù)分析。

（4）提出了配有鋼纖維RPC免拆柱模方形鋼筋混凝土短柱軸壓承載力計算公式，且本文公式計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，可為工程實踐提供參考。

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