HRB600級鋼筋鋼纖維高強混凝土柱的受壓性能*

張建偉， 劉 娟， 馮曹杰， 曹萬林

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室， 北京 100124)

0 引言

為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我國建筑行業(yè)領(lǐng)域正在大力推廣高強鋼筋和高強混凝土的應(yīng)用，HRB600級鋼筋已被列入了國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》(GB/T 1499.2—2018)[1]。如何在混凝土結(jié)構(gòu)工程中高效利用HRB600級鋼筋，給出其合理結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，成為了目前建筑行業(yè)發(fā)展的亟需。關(guān)于HRB600級鋼筋混凝土構(gòu)件的基本力學(xué)性能和抗震性能問題，國內(nèi)外已取得了一些試驗研究成果[2-6]。其中關(guān)于HRB600級鋼筋鋼纖維高強混凝土構(gòu)件的試驗研究相對較少[7]，尤其缺少符合工程實際、能避免尺寸效應(yīng)的大尺寸纖維高強混凝土柱的壓彎性能試驗成果。而鋼纖維高強混凝土具有良好的抗裂性能和變形能力，適宜與HRB600級高強鋼筋匹配使用，以獲得高性能構(gòu)件。為此本文開展大尺寸HRB600級鋼筋鋼纖維高強混凝土柱受壓性能試驗，并與已有的大尺寸HRB600級鋼筋高強混凝土柱受壓性能試驗成果進行比較分析，為HRB600級鋼筋鋼纖維高強混凝土柱的工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本次試驗共設(shè)計了3個試件，截面尺寸均為600mm×600mm。設(shè)計變化參數(shù)主要為偏心距e0，分別為0，0.2h，0.5h(h為偏心方向柱截面長度)，具體設(shè)計參數(shù)見表1，其中Z1，XP1，DP2為不含鋼纖維的試件[8-9]。為防止加載端局部受壓破壞，試件兩端均預(yù)埋鋼筋網(wǎng)片及30mm厚鋼板，試件保護層厚度為30mm，試件幾何尺寸及配筋見圖1。

試件設(shè)計參數(shù) 表1

圖1 試件幾何尺寸及配筋圖

1.2 材料性能

為配制高強混凝土，采用P.O52.5R普通硅酸鹽水泥。與試件同條件制作邊長為150mm的立方體試塊和150mm×150mm×300mm的棱柱體試塊，依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[10]測試混凝土力學(xué)性能，混凝土實測力學(xué)性能見表2；試件所用縱筋、箍筋均為HRB600級熱軋帶肋鋼筋，鋼筋實測力學(xué)性能見表3；所用鋼纖維具體型號及性能指標(biāo)見表4。

混凝土實測力學(xué)性能 表2

鋼筋實測力學(xué)性能 表3

鋼纖維性能指標(biāo) 表4

1.3 測量內(nèi)容及加載方案

本試驗采用北京工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗中心的 40 000kN多功能電液伺服加載系統(tǒng)進行加載。軸壓柱在試件標(biāo)準(zhǔn)配筋區(qū)域1 200mm高度范圍及上下加載板之間布置位移計，以測量試件標(biāo)準(zhǔn)工作段軸向變形及試件全高范圍內(nèi)軸向總位移；偏壓柱沿柱高方向均勻?qū)ΨQ布置5個水平位移計，間距500mm，以測量偏壓柱的側(cè)向撓度。位移計及混凝土應(yīng)變測點具體布置如圖2所示。鋼筋應(yīng)變測點在跨中截面及上下距其300mm處的截面布置，由上至下截面編號依次為“1”，“2”，“3”，其中“1”截面的測點布置如圖3所示，其余截面應(yīng)變片布置位置與此相同。

圖2 位移計及混凝土應(yīng)變測點布置圖

圖3 鋼筋應(yīng)變片布置圖

試驗采用荷載和位移混合控制的加載方式。軸壓柱以2 000kN為荷載增量逐級加載，當(dāng)加載至預(yù)估承載力的75%之后，按位移控制繼續(xù)加載，直至承載力下降到峰值荷載的85%，停止試驗；偏壓柱先以荷載控制加載，每級增量取預(yù)估承載力的10%，達到預(yù)估極限承載力的60%之后，減小加載幅度，每級增量取預(yù)估承載力的5%進行加載，當(dāng)加載至預(yù)估極限承載力的90%之后，以位移控制繼續(xù)加載，直至承載力顯著下降，試件不能繼續(xù)承載時，停止試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞過程及破壞形態(tài)

軸壓柱試件FZY，加載初期，變形較小，試件表面沒有明顯變化；當(dāng)荷載加至峰值荷載的30%左右，試件上端及下端出現(xiàn)肉眼可見的微小裂縫；當(dāng)荷載加至峰值荷載的50%左右，試件上端及下端靠近角部出現(xiàn)豎向裂縫，且在柱中部不同部位產(chǎn)生多條裂縫，試件塑性發(fā)展明顯；達到峰值荷載時，南立面斜裂縫貫通截面，保護層剝落，并伴有鋼纖維拔出的響聲；峰值荷載之后，試件承載力與不含鋼纖維試件Z1相比，沒有突然下降，而是隨著位移的增大穩(wěn)定緩慢地下降，達到峰值荷載的85%時，停止加載，試件破壞形態(tài)見圖4(a)，相應(yīng)普通高強混凝土對比試件Z1的破壞形態(tài)如圖4(b)所示。

小偏壓柱試件FXP，加載至峰值荷載的20%左右，受拉面中部出現(xiàn)細小水平裂縫；隨著荷載繼續(xù)增加，水平裂縫延伸緩慢，同時有新裂縫增加；加載至峰值荷載的70%左右，側(cè)立面中部受壓側(cè)出現(xiàn)受壓豎縫，混凝土壓應(yīng)變增長較快；繼續(xù)加載，受壓面中部混凝土壓酥鼓起，表皮脫落，原受壓豎縫變長變寬，形成較為明顯的三角形破壞區(qū)，試件達到峰值荷載，同時受壓鋼筋達到屈服；繼續(xù)加載，承載力明顯下降，最終受壓側(cè)混凝土大面積壓酥鼓起，停止試驗。試件整體呈現(xiàn)明顯的小偏壓破壞形態(tài)，破壞較突然，最終破壞形態(tài)見圖4(c)，相應(yīng)普通高強混凝土對比試件XP1的破壞形態(tài)如圖4(d)所示。

大偏壓柱試件FDP，加載至峰值荷載的20%左右，受拉面有細小水平裂縫出現(xiàn)；繼續(xù)加載，受拉面出現(xiàn)多條水平裂縫，原有裂縫寬度持續(xù)增大；加至峰值荷載的50%左右，試件受壓面靠近牛腿處出現(xiàn)受壓斜裂縫；加至峰值荷載的90%左右，裂縫寬度較大，可清晰地看到鋼纖維橫跨裂縫，實測受拉鋼筋達到屈服應(yīng)變；試件達到峰值荷載時，側(cè)立面受壓側(cè)出現(xiàn)受壓豎縫，受壓面混凝土鼓起，實測受壓鋼筋達到屈服應(yīng)變；繼續(xù)加載，受拉區(qū)水平裂縫不斷向受壓區(qū)發(fā)展，受壓區(qū)混凝土高度不斷減小，受壓面豎向裂縫斜向發(fā)展并貫通，試件承載力持續(xù)下降，跨中撓度迅速增加，停止試驗。試件整體呈現(xiàn)明顯的大偏壓破壞形態(tài)，最終破壞形態(tài)見圖4(e)，相應(yīng)普通高強混凝土對比試件DP2的破壞形態(tài)如圖4(f)所示。

圖4 試件破壞形態(tài)

與普通混凝土試件相比，鋼纖維高強混凝土軸壓試件峰值荷載之后承載力下降穩(wěn)定，延性增強；偏壓試件開裂荷載提高，裂縫寬度減小，破環(huán)過程中伴有鋼纖維拔出的響聲，受壓側(cè)壓碎區(qū)段變短；鋼纖維混凝土試件均沒有出現(xiàn)混凝土大塊崩離的現(xiàn)象，試件保持了較好的完整性，損傷減輕。

2.2 荷載-變形曲線

圖5為各試件試驗結(jié)果曲線，軸壓試件為荷載-應(yīng)變曲線，偏壓試件為荷載-側(cè)向撓度曲線，其中對荷載進行歸一化處理，以便比較。

圖5 試驗結(jié)果曲線

由圖5(a)可見，鋼纖維高強混凝土軸壓柱試件在峰值荷載之后，承載力穩(wěn)定下降，避免了出現(xiàn)同普通高強混凝土試件的承載力突降現(xiàn)象，主要是由于普通高強混凝土試件在峰值荷載之后破壞突然，瞬間釋放大量能量，致其承載力驟降，而對于鋼纖維高強混凝土試件，其鋼纖維不斷被拔出的過程可以吸收大量能量，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，宏觀表現(xiàn)為試件破壞變緩，進而承載力下降穩(wěn)定，呈現(xiàn)出一定的塑性破壞特征。峰值荷載時，試件FZY和Z1的標(biāo)準(zhǔn)配筋區(qū)段平均應(yīng)變分別為2 758，2 514με，摻入鋼纖維使軸壓柱試件的變形能力提高了10%。

由圖5(b)，(c)可見，承載力上升階段，是否含有鋼纖維對大小偏壓柱試件剛度沒有明顯影響，主要是由于鋼纖維對混凝土的彈性模量基本沒有影響，甚至?xí)驗槠鋬?nèi)部增加了較多界面薄弱區(qū)而使彈性模量略有降低[11-12]，因此是否含有鋼纖維對試件上升段剛度影響不大。承載力下降階段，小偏壓柱試件FXP與對比試件XP1相比曲線變緩、斜率減小，說明摻入適量的鋼纖維可以提高小偏壓柱的延性，一定程度上減輕脆性破壞；大偏壓柱試件FDP在峰值荷載之后曲線較平穩(wěn)，陡降程度減輕，破壞后期其曲線與不含鋼纖維試件DP2趨于平行。由此可見，鋼纖維對小偏壓柱的改善作用貫穿破壞全過程，對大偏壓柱破壞前期影響明顯，主要是由于峰值荷載之后小偏壓柱拉區(qū)及壓區(qū)破壞發(fā)展明顯，鋼纖維在拉區(qū)的阻裂以及壓區(qū)混凝土延性的提高方面都有明顯的作用，大偏壓柱破壞后期裂縫寬度發(fā)展較大，鋼纖維不斷拔出脫粘，其作用逐漸削弱，因此曲線呈現(xiàn)出與對比試件DP2相同的發(fā)展趨勢。

2.3 特征點位移

表5列出了各試件與對比試件的特征點位移值，表中破壞位移為荷載下降到峰值荷載的90%所測得的位移值。由表5可見，鋼纖維對試件峰值位移的提高隨偏心距的增大逐漸增大，試件FZY，F(xiàn)XP，F(xiàn)DP的峰值位移分別比試件Z1，XP1，DP2提高10%，21%和28%，其原因為偏心距越大鋼纖維在峰值荷載之前的阻裂作用發(fā)揮越充分；鋼纖維對各試件的破壞位移試件FZY，F(xiàn)XP，F(xiàn)DP分別比試件Z1，XP1，DP2提高21%，56%，32%，對小偏壓柱位移提高較明顯，主要是因為峰值之后小偏壓柱受拉側(cè)橫向裂縫開展迅速，鋼纖維的阻裂作用可以明顯延緩其混凝土受壓區(qū)高度的減小，進而延緩其剛度退化，使其破壞位移提高。

特征點位移/mm 表5

2.4 應(yīng)變發(fā)展規(guī)律

2.4.1 縱筋應(yīng)變

圖6為各試件的荷載-縱筋應(yīng)變曲線。由圖6可見，開裂之前，各試件曲線呈線性發(fā)展；開裂之后，曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性發(fā)展，應(yīng)變增長加快。軸壓柱達到峰值荷載時，縱筋應(yīng)變?yōu)? 700με，沒有達到屈服；小偏壓柱達到峰值荷載時，受壓縱筋應(yīng)變?yōu)? 037με，達到屈服，而受拉縱筋應(yīng)變?yōu)? 517με，始終沒有達到屈服；大偏壓柱達到峰值荷載的90%時，受拉縱筋屈服，受壓縱筋應(yīng)變?yōu)? 074με，也達到屈服。而普通高強混凝土柱試件Z1，XP1，DP2在峰值荷載時縱筋壓應(yīng)變分別為2 380，2 715，2 517με。鋼纖維高強混凝土柱試件FZY，F(xiàn)XP，F(xiàn)DP的柱縱筋壓應(yīng)變明顯大于普通高強混凝土柱試件Z1，XP1，DP2，分別提高13%，12%和22%，其中小偏壓柱、大偏壓柱受壓縱筋均可達到屈服，鋼筋強度利用較充分。

圖6 荷載-縱筋應(yīng)變曲線

2.4.2 箍筋應(yīng)變

圖7(a)，(b)分別為軸壓柱試件FZY及小偏壓柱試件FXP的荷載-箍筋應(yīng)變曲線。從圖7中可以看出，加載前期箍筋應(yīng)變與荷載增長呈線性變化，隨著荷載的不斷增大，核心混凝土橫向變形發(fā)展加快，箍筋的應(yīng)變也相應(yīng)發(fā)展較快，與荷載增長不再保持線性關(guān)系，達到峰值荷載時，各試件箍筋均沒有達到屈服應(yīng)變，峰值荷載之后隨試件損傷加劇，箍筋很快達到屈服。

圖7 荷載-箍筋應(yīng)變曲線

2.4.3 混凝土應(yīng)變

圖8為各試件的荷載-混凝土壓應(yīng)變曲線。由圖8可見，軸壓柱的混凝土峰值壓應(yīng)變?yōu)? 697με，小偏壓柱的受壓區(qū)外側(cè)混凝土峰值壓應(yīng)變?yōu)? 011με，大偏壓柱的受壓區(qū)外側(cè)混凝土峰值壓應(yīng)變?yōu)? 090με，結(jié)合受壓縱筋應(yīng)變實測結(jié)果可知，軸壓柱中由于混凝土峰值壓應(yīng)變的限制，HRB600級鋼筋并不能充分發(fā)揮其強度，但與相應(yīng)普通高強混凝土柱試件Z1相比，其實測鋼筋應(yīng)變有所增加，鋼筋抗壓強度可達583MPa。大小偏壓柱試件的受壓區(qū)外側(cè)混凝土極限壓應(yīng)變與普通高強混凝土柱試件DP2，XP1相比均有提高，受壓鋼筋均可達到屈服。綜上可以看出，HRB600級鋼筋與鋼纖維高強混凝土配合應(yīng)用，可更加充分地發(fā)揮材料強度。

圖8 荷載-混凝土壓應(yīng)變曲線

3 正截面承載力

圖9為試件FXP和FDP跨中截面混凝土應(yīng)變分布圖，可見其基本符合平截面假定。依據(jù)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 38—2004)[13]的有關(guān)規(guī)定，受壓構(gòu)件承載力Nu計算公式如下：

圖9 跨中截面混凝土應(yīng)變分布

軸壓柱：

(1)

小偏壓柱：

(2)

(3)

(4)

大偏壓柱：

(5)

(6)

(7)

(8)

fftu=ftβtuλf

(9)

λf=ρflf/df

(10)

式中：φ為鋼筋混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，取1；α1為矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值與混凝土棱柱體抗壓強度的比值，取1.0；β1為矩形應(yīng)力圖受壓區(qū)高度與實際受壓區(qū)高度的比值，取0.74；ξb為相對界限受壓區(qū)高度；h0為截面有效高度；b為截面寬度；as′為受壓鋼筋合力點至受壓區(qū)邊緣的距離；as為縱向受拉鋼筋合力點至受拉邊緣的距離；ei為初始偏心距；βtu為鋼纖維對構(gòu)件受拉區(qū)鋼纖維混凝土抗拉作用影響系數(shù)，取1.3；ft為基體混凝土抗拉強度，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010─2010)[14]由立方體抗壓強度換算得到；fftu為受拉區(qū)等效矩形應(yīng)力圖形的抗拉強度；λf為鋼纖維含量特征參數(shù)，λf>1.2時，取λf=1.2；xt為受拉區(qū)等效矩形應(yīng)力圖形高度；lf，df，ρf分別為鋼纖維長度、直徑和體積摻量。

承載力實測值與計算值比較 表6

4 結(jié)論

(1)HRB600級鋼筋鋼纖維高強混凝土軸心受壓柱，在加載達到峰值之后，承載力下降穩(wěn)定，具有明顯的塑性破壞特征。

(2)鋼纖維可以提高HRB600級鋼筋高強混凝土柱的延性，減緩剛度退化，且對小偏壓柱影響相對較大。

(3)對于HRB600級鋼筋鋼纖維高強混凝土柱的軸心受壓承載力設(shè)計計算，因受壓縱筋不能達到屈服，其抗壓強度設(shè)計取值不宜超過500MPa；對于偏心受壓承載力設(shè)計計算，受壓縱筋強度應(yīng)取屈服強度設(shè)計值。

(4)使用《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 38—2004)中的相關(guān)公式進行HRB600級鋼筋鋼纖維高強混凝土柱的承載力設(shè)計計算，具有較好的可靠性。