內(nèi)置塊石RC墩柱軸壓性能試驗研究

黃群賢，陳志超，郭子雄，劉陽

（華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門，361021）

內(nèi)置塊石RC墩柱軸壓性能試驗研究

黃群賢，陳志超，郭子雄，劉陽

（華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門，361021）

在福建沿海地區(qū)石結(jié)構(gòu)房屋加固改造背景下，從合理利用廢棄石材，減少固體廢棄物排放角度出發(fā)，提出一種新型內(nèi)置塊石RC墩柱。通過4個內(nèi)置塊石RC墩柱軸壓性能試驗，研究內(nèi)置塊石、內(nèi)置塊石類型（整體型、節(jié)段型和塊體型）等對RC墩柱軸壓性能的影響，分析試件的破壞形態(tài)、承載能力、變形特征及應(yīng)變發(fā)展等。研究結(jié)果表明：與普通RC柱相比，內(nèi)置塊石RC墩柱能顯著提高RC柱的軸壓承載力，提高幅度與內(nèi)置塊石類型有關(guān)，內(nèi)置整體性塊石RC柱的豎向承載力提高幅度可達(dá)115%；內(nèi)置塊石類型對RC柱破壞形態(tài)有重要影響，整體型內(nèi)置塊石RC柱的破壞形態(tài)為脆性破壞，塑性變形能力差，但極限變形能力比普通RC柱的優(yōu)；內(nèi)置塊體型塊石RC柱破壞形態(tài)與普通RC柱相似，具有較好的變形能力；與普通RC柱相比，內(nèi)置節(jié)段型和塊體型塊石RC墩柱具有較好的豎向承載能力和變形能力。

RC墩柱；內(nèi)置塊石；節(jié)段型；塊體型；軸壓性能

石結(jié)構(gòu)房屋是閩南沿海地區(qū)居民采用的主要房屋形式之一，具有造價低廉、取材方便、抗風(fēng)耐濕、耐腐蝕等優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計資料，整個閩南沿海地區(qū)現(xiàn)有石結(jié)構(gòu)房屋面積超過1億m2，形成了別具特色的石建筑文化。由于石結(jié)構(gòu)房屋整體性和抗震能力較差，存在“小震成災(zāi)、小震大災(zāi)”的隱患［1-3］。隨著農(nóng)村地區(qū)石結(jié)構(gòu)房屋的加固改造及農(nóng)村地區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程， 許多存有大量石結(jié)構(gòu)房屋的村落將被大規(guī)模拆遷改造，由此將產(chǎn)生大量的舊石材。目前，對石結(jié)構(gòu)房屋拆除所產(chǎn)生舊石材的普遍處理方法是當(dāng)作固體廢棄物與其他建筑垃圾隨地掩埋，造成花崗巖石材這種不可再生資源的極大浪費(fèi)。已有的關(guān)于石結(jié)構(gòu)房屋的研究主要集中在石墻、石梁和石樓板等的加固［4-7］，對廢棄石材再利用技術(shù)的研究仍未見報道，因此，有必要尋求一種科學(xué)、合理有效利用廢棄石材的技術(shù)。在建筑垃圾回收利用研究領(lǐng)域中，混凝土廢棄物的再利用技術(shù)得到國內(nèi)外學(xué)者的大量研究［8-12］，其中再生骨料混凝土技術(shù)已得到廣泛使用。但該技術(shù)存在過程繁瑣、成本高、能源消耗大等問題，制約其在實際工程中的推廣應(yīng)用。針對再生骨料混凝土回收利用存在的問題，吳波等［13-17］提出了一種新的鋼管再生混合構(gòu)件的技術(shù)，通過薄壁鋼管再生混合短柱軸壓、抗剪及抗震性能試驗研究，驗證該技術(shù)的有效性，試驗結(jié)果表明鋼管再生混凝土混合構(gòu)件的軸壓、受剪和抗震性能總體上接近或略低于全現(xiàn)澆鋼管混凝土構(gòu)件。該技術(shù)簡化了混凝土廢棄物的再生利用工藝，有效提高再生混凝土的使用效率，該技術(shù)在實際工程中得到了成功應(yīng)用。李佰壽等［18-19］采用薄壁方形鋼管再生混合短柱進(jìn)行軸壓性能試驗和抗震性能試驗，也取得一定的成果。目前，有關(guān)石結(jié)構(gòu)房屋拆除后廢棄舊石材回收利用的研究仍然是個空白。為解決廢棄舊石材的科學(xué)有效合理利用問題，基于再生混合構(gòu)件的思路，本文作者提出了一種內(nèi)置塊石RC混合構(gòu)件技術(shù)，將石結(jié)構(gòu)房屋拆除后的廢棄條石放入鋼筋籠內(nèi)，然后整澆成新的混合構(gòu)件。為驗證該技術(shù)的有效性，開展了內(nèi)置塊石RC墩柱的軸壓性能試驗研究，重點研究內(nèi)置塊石、塊石形式等對RC墩柱軸壓性能的影響。

1 試驗

1.1 試件設(shè)計

試驗共設(shè)計4個現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓形墩柱試件，其中1個試件為普通鋼筋混凝土柱，其余3個試件為內(nèi)置有不同形式塊石的現(xiàn)澆混凝土柱。內(nèi)置塊石形式包括整體型、節(jié)段型和塊體型等3種。4個試件中，RC-1為對比件，RC-2為內(nèi)置整體型塊石試件，RC-3為內(nèi)置節(jié)段型塊石試件，RC-4為內(nèi)置塊體型塊石試件。

試件幾何尺寸及配筋構(gòu)造如圖1所示。所有試件均為直徑400 mm，高度1 200 mm的鋼筋混凝土圓形墩柱，混凝土強(qiáng)度設(shè)計等級為C25，縱筋和箍筋分別采用HRB335級和HPB300級鋼筋，保護(hù)層厚度為30 mm。為避免加載過程中柱端發(fā)生局部受壓破壞，柱上下兩端設(shè)置有直徑為50 mm、間距為50 mm的鋼筋網(wǎng)片。

現(xiàn)澆混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實測平均值為 27.1 MPa，實際鋼筋的物理力學(xué)性能見表 1。舊石材取自閩南石結(jié)構(gòu)房屋拆除廢棄條石，石材抗壓強(qiáng)度為 130 MPa，彈性模量為45 GPa。整體型塊石的長×寬×高為150 mm×150 mm×1 000 mm，節(jié)段型塊石的長×寬×高為150 mm×150 mm×300 mm，塊體型塊石粒徑為150～200 mm，制備成的塊石如圖2所示。試件RC-4石塊混合比為7.8%，其中混合比為混合柱內(nèi)石塊體積與整個混合柱的體積的比值。

圖1 試件尺寸及配筋Fig.1 Dimension and reinforcement details of specimens

表1 鋼筋力學(xué)性能Table 1 Material properties of steel

圖2 內(nèi)置塊石形式Fig.2 Form of stone material

1.2 試件制作

所有試件在實驗室內(nèi)現(xiàn)場澆注制作。試件采用鋼模施工，施工前按設(shè)計要求綁扎好鋼筋籠并放入鋼模內(nèi)。制作內(nèi)置整體型塊石RC墩柱，首先往鋼模內(nèi)灌入約100 mm厚的混凝土，然后吊入整體型塊石，繼續(xù)灌入混凝土并用插入式振搗棒不斷振搗，直至鋼模填滿。內(nèi)置整體型塊石RC墩柱具體施工工藝示意圖如圖3所示。內(nèi)置節(jié)段型塊石RC墩柱的制作與內(nèi)置整體型塊石RC墩柱類似，只是節(jié)段應(yīng)分次吊裝放置。內(nèi)置塊體型塊石RC墩柱的制作過程中將混凝土與塊石交替放入鋼模內(nèi)并不斷振搗，直至將鋼模填滿。所有試件澆筑完成后，放置室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)。

圖3 內(nèi)置塊石墩柱施工工藝Fig.3 Construction technology of RC pier infilled with big stone

1.3 加載及量測方案

試驗在華僑大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室10 MN電液伺服長柱試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗加載裝置如圖4所示。試驗采用分級加載制度，彈性范圍內(nèi)采用荷載控制，每級荷載為預(yù)計極限荷載的1/10；每級荷載的持荷時間為2 min，當(dāng)縱筋屈服后改用位移控制，并以0.5 mm/min的速度加載至最大荷載的60%，終止加載。

在試驗機(jī)臺座上安裝4個100 mm量程的導(dǎo)桿式位移計，以量測墩柱的軸向變形；在混凝土中部沿環(huán)向安裝3個引伸儀（LVDT），以量測柱中部混凝土的軸向變形，引伸儀標(biāo)距為 400 mm。試驗采用電阻應(yīng)變片量測墩柱縱筋應(yīng)變和箍筋應(yīng)變發(fā)展。在柱縱筋中部環(huán)向布置縱筋應(yīng)變片，用于判斷柱是否處于軸心受力狀態(tài)，監(jiān)測縱筋是否達(dá)到屈服應(yīng)變。箍筋應(yīng)變片布置在距柱底450 mm和600 mm處，用于測量試件側(cè)向膨脹時箍筋的應(yīng)變發(fā)展。圖4所示為加載裝置與測點布置示意圖，圖5所示為鋼筋應(yīng)變布置圖。

圖4 試驗加載裝置和測點布置Fig.4 Test setup and layout of LVDTs

圖5 鋼筋應(yīng)變片布置Fig.5 Arrangement of strain gauges

試驗過程中所有應(yīng)變、荷載和位移數(shù)據(jù)均通過DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集儀自動采集。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗過程及破壞特征

各個試件的最終破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6 試件最終破壞形態(tài)Fig.6 Ultimate failure modes

對比試件 RC-1在加載初期處于彈性工作狀態(tài)。當(dāng)豎向荷載達(dá)到極限荷載的40%時，墩柱上部一側(cè)出現(xiàn)第1條豎向裂縫。隨著荷載的增加，橫向變形增大，柱身上部的裂縫數(shù)量增多。當(dāng)豎向荷載達(dá)到2 300 kN時，試件豎向荷載位移曲線呈現(xiàn)明顯的非線性特征。當(dāng)豎向荷載達(dá)到極限荷載的85%，柱身中部出現(xiàn)多條貫穿裂縫，最后伴隨著混凝土保護(hù)層的嚴(yán)重剝落，豎向承載力嚴(yán)重退化，試件壓潰破壞。

試件RC-2由于截面核心區(qū)整體型塊石的存在，試件初始剛度增大，豎向變形相對較小。當(dāng)荷載為2 800 kN左右，柱身上部出現(xiàn)第1條豎向裂縫。隨著荷載增加，柱身上部的裂縫不斷出現(xiàn)，在荷載為4 000 kN時，幾條主要裂縫的裂縫寬度達(dá)到1.5 mm，試件荷載位移曲線呈現(xiàn)明顯的非線性變化特征。當(dāng)試件到達(dá)極限承載力5 994 kN時，豎向裂縫貫通，伴隨著一聲劈裂，柱底部混凝土保護(hù)層局部劈裂掉落，軸向承載力急劇下降，試驗終止。試件最終呈現(xiàn)局部劈裂的破壞形態(tài)。

試件RC-3在加載過程中，當(dāng)荷載達(dá)2 500 kN時，柱中部開始出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增加，裂縫增多，裂縫寬度也不斷變大，且混凝土保護(hù)層出現(xiàn)起皮并逐漸脫落。當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力4 080 kN時，裂縫貫通，柱身出現(xiàn)1條明顯的主斜裂縫，柱子的軸向承載力嚴(yán)重退化，試件最終呈現(xiàn)壓剪破壞形態(tài)。

試件RC-4的破壞過程與對比件RC-1相似。當(dāng)加載到2 400 kN時，墩柱中上部混凝土才出現(xiàn)豎向裂縫。隨著荷載的增大，裂縫寬度不斷增大，荷載達(dá)3 350 kN時，混凝土大面積起皮、剝落，試件的軸向承載力迅速下降，隨著大量混凝土的剝落，試件壓潰。

為考察試件內(nèi)部塊石與混凝土2種材料的界面粘結(jié)性能及塊石的損傷特征，試驗結(jié)束后，將試件RC-2和 RC-3塊石外部混凝土剔除，得到整體型塊石和節(jié)段型塊石的破壞特征，如圖7所示。由圖7可知：RC-2整體型塊石澆筑過程對中較好，而 RC-3部分塊石呈現(xiàn)一定的傾斜，擺放位置也未能準(zhǔn)確對中。此外整體型塊石和階段型塊石破壞的位置主要集中在試件中部，其中節(jié)段型塊石出現(xiàn)較明顯的豎向劈裂裂縫，這與塊石澆筑過程中塊石放置對中不準(zhǔn)，且出現(xiàn)一定傾斜，導(dǎo)致塊石受力不均勻有關(guān)。而整體型塊石在澆筑過程中對中較準(zhǔn)確，條石截面在豎向受力過程中受力均勻，因此，破壞處出現(xiàn)多條較細(xì)的豎向裂縫。此外剝離過程中，塊石與混凝土黏結(jié)界面并未出現(xiàn)明顯的黏結(jié)破壞，共同工作性能較好。

2.2 縱筋和箍筋應(yīng)變

2.2.1 縱筋應(yīng)變

柱縱筋應(yīng)變的變化如圖8所示。由圖8可知：內(nèi)置塊石試件縱筋應(yīng)變發(fā)展速率要比對比件的小，表明由于塊石的彈性模量比素混凝土的大，塊石的存在增大試件的豎向剛度，在變形協(xié)調(diào)下，相同荷載下內(nèi)置塊石試件縱筋的應(yīng)變發(fā)展要比對比件的小。

此外，各試件的縱筋應(yīng)變在試件達(dá)到最大承載力時均能達(dá)到屈服應(yīng)變，表明縱筋強(qiáng)度得到了充分發(fā)揮。試件RC-1和試件RC-4在達(dá)到承載力最大值后縱筋應(yīng)變?nèi)缘玫捷^大發(fā)展，最大應(yīng)變分別達(dá)到 7 312 με和7 508 με，而試件RC-2和RC-3最大應(yīng)變僅為2 055 με和1 976 με，表明試件RC-1和RC-4后期塑性變形較好，鋼筋的延性得到充分的發(fā)揮，而試件RC-2和RC-3達(dá)到荷載峰值后，試件發(fā)生脆性破壞，內(nèi)部塊石開裂，承載力迅速下降，塑性變形量小，導(dǎo)致縱筋應(yīng)變發(fā)展不充分。

圖7 塊石破壞形態(tài)Fig.7 Ultimate failure modes of infilled stone

圖8 典型縱筋荷載-應(yīng)變曲線Fig.8 Typical load-strain curves of longitudinal rebar

2.2.2 箍筋應(yīng)變

箍筋應(yīng)變在一定程度上反映試件橫截面的膨脹變形，試件典型箍筋應(yīng)變的變化如圖9所示。從圖9可以看出：在試驗初期，各試件箍筋應(yīng)變發(fā)展速率大致相當(dāng)，隨著荷載增大，對比件橫向膨脹變形明顯增大箍筋，其應(yīng)變發(fā)展速率明顯比內(nèi)置塊石試件的大。當(dāng)豎向荷載達(dá)到承載力最大值時，各試件豎向裂縫發(fā)展充分，橫向膨脹增大，箍筋的應(yīng)變得到了較大發(fā)揮。破壞時，所有試件的箍筋應(yīng)變均未達(dá)到屈服應(yīng)變。

圖9 典型箍筋荷載-應(yīng)變曲線Fig.9 Typical load-strain curves of stirrupts

2.3 P-Δ曲線及其主要特征點

試件的P-Δ曲線如圖10所示，其主要特征點試驗值見表2，表2中Pm為試件荷載最大值，Δm為最大荷載 Pm所對應(yīng)的位移；Pu為荷載下降至極限承載力的 85%所對應(yīng)的荷載，Δu為極限變形對應(yīng)于 Pu的位移。從圖10和表2可以看出：

圖10 試件荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves of specimens

表2 試件主要特征點試驗值Table 2 Test results at main characteristic points of specimens

1） 內(nèi)置塊石能夠顯著地提高RC柱子的軸壓承載力，提高幅度與塊石類型有關(guān)，其中內(nèi)置整體型塊石RC墩柱豎向承載力為對比件的 2倍多，內(nèi)置節(jié)段型和塊體型塊石RC柱軸壓承載能力也分別提高了46%和23%。

2） 與對比件RC-1相比，內(nèi)置塊石RC柱初始剛度均有不同程度地提高。試件初始剛度取原點處的切線剛度，各試件的初始剛度如表1所示。其中內(nèi)置整體型塊石RC柱初始豎向剛度提高幅度可達(dá)53%，而內(nèi)置節(jié)段型塊石RC柱提高幅度較低為19%，內(nèi)置塊體型塊石RC柱提高幅度僅為4%，與對比件RC-1相當(dāng)。主要是由于花崗巖石材彈性模量比混凝土要高，內(nèi)置整體型塊石受力明確，基本呈現(xiàn)均勻受壓受力狀態(tài)，而對內(nèi)置節(jié)段型塊石，塊石與塊石間的受力復(fù)雜，且受其擺放狀態(tài)有關(guān)，因此，影響到塊石對試件豎向剛度的貢獻(xiàn)度。

3） 就構(gòu)件本身，內(nèi)置整體型和節(jié)段型塊石RC柱的塑性變形能力較差，其中內(nèi)置整體型塊石RC柱發(fā)生局部劈裂的脆性破壞，豎向承載力急劇下降，塑性變形能力最差。但與對比件相比，內(nèi)置塊石RC柱最大荷載所對應(yīng)的位移和極限變形均比普通 RC柱的大，其中內(nèi)置整體型塊石增幅最大，分別增加了61%和26%。

3 結(jié)論

1） 與普通RC柱相比，內(nèi)置塊石RC柱軸壓承載力得到明顯提高，提高幅度與塊石類型有關(guān)，其中內(nèi)置整體型塊石 RC柱軸壓承載能力提高幅度可達(dá)115%，內(nèi)置節(jié)段型和塊體型塊石RC柱軸壓承載能力也分別提高了51%和23%。

2） 內(nèi)置塊石類型對 RC柱的破壞形態(tài)有重要影響，內(nèi)置整體型塊石RC柱發(fā)生局部劈裂的脆性破壞，內(nèi)置節(jié)段型塊石RC柱發(fā)生壓剪破壞，內(nèi)置塊體型塊石RC柱破壞形態(tài)與普通RC柱類似。

3） 內(nèi)置整體型塊石RC柱塑性變形性能差，但其極限變形仍比其他試件的優(yōu)。內(nèi)置塊體型塊石RC柱具有較好的塑性變形性能。

4） 與普通RC柱相比，內(nèi)置節(jié)段型和塊體型塊石RC墩柱具有較強(qiáng)的豎向承載能力和變形能力。

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［17］ 劉瓊祥， 吳波， 蔡慶雄， 等. 鋼管再生混合柱在紫金縣文化活動中心的應(yīng)用［J］. 建筑結(jié)構(gòu)， 2011， 41（5）： 9-12. LIU Qiongxiang， WU Bo， CAI Qingxiong， et al. Application of steel stub columns filled with demolish concrete segment/lump in Culture & Entertainment Centre of Zijin County［J］. Building Structure， 2011， 41（5）： 9-12.

［18］ 李佰壽， 張平， 金愛花， 等. 薄壁方形鋼管再生塊體混合短柱軸壓試驗研究［J］. 土木工程學(xué)報， 2012， 45（10）： 125-135. LI Baishou， ZHANG Ping， JIN Aihua， et al. Axial behavior of thin-walled square steel stub columns filled with demolished concrete lump［J］. China Civil Engineering Journal， 2012， 45（10）：125-135.

［19］ 張平， 李佰壽， 金愛花， 等. 薄壁方形鋼管再生塊體混合短柱破壞形態(tài)分析［J］. 混凝土， 2012， 19（2）： 39-43. ZHANG Ping， LI Baishou， JIN Aihua， et al. Analysis on failure modes of thin-walled square steel stub columns filled with demolished concrete lump［J］. Concrete， 2012， 19（2）： 39-43.

（編輯 楊幼平）

Experimental study on axial compression behavior of reinforced concrete piers infilled with big stone

HUANG Qunxian， CHEN Zhichao， GUO Zixiong， LIU Yang

（College of Civil Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China）

With the background of retrofitting of stone masonry buildings in Southeast China， for rational utilization of waste stone material， a new style of reinforced concrete （RC） pier infilled with big stone was proposed. In order to investigate the axial compressive behavior of RC pier infilled with big stone， four specimens were tested under axial loading. Particular emphasis was given to the effects of the presence and the forms of big stone infilled in RC piers. The RC pier un-infilled with big stone was tested as control specimen. The big stone infilled in RC piers had three forms which were monoblock， segment and lump. Based on the test results， the failure modes， bearing capacity， deformation characteristic and the development of strain were analyzed. The results indicate that compared with the RC piers， the presence of stone infilled in RC piers can significantly improve the compression capacity of RC pier， and the increase is related to the form of large stone. The axial compression capacity of RC pier infilled with monoblock stone is twice that of RC piers. The failure mode of the specimens is significantly related to the form of infilled stone. The RC pier infilled with monoblock failed in split failure mode， with poor plastic deformation， but the ultimate deformation is superior to that of control specimens. The failure mode of RC piers infilled with lump stone is similar to control specimen， and both of them have good capacity of deformation； Compared with control specimen， RC pier infilled with segment or lump stone has better performance of axial compression capacity and deformation capacity.

RC piers； infilled with big stone； segmental type； block type； performance of axial behavior

TU311.3

A

1672-7207（2016）05-1737-07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.037

2015-05-23；

2015-07-19

國家自然科學(xué)基金資助項目（51208219， 51378228， 51408238）；福建省自然科學(xué)基金資助項目（2015J01210）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2015BAL03B03-04） （Projects（51208219， 51378228， 51408238） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project（2015J01210） supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province， China； Project（2015BAL03B03-04） supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 12th Five-year Plan Period）

黃群賢，博士，副教授，從事工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)研究；E-mail： huangqx@hqu.edu.cn