冻融循环作用后钢筋混凝土柱的偏心受压性能

曹大富 马 钊 葛文杰 袁沈峰 张 政

(1扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225127)(2扬州市江都区规划建筑设计院有限公司，扬州 225200)

冻融循环作用后钢筋混凝土柱的偏心受压性能

曹大富1马 钊2葛文杰1袁沈峰1张 政1

(1扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225127)
(2扬州市江都区规划建筑设计院有限公司，扬州 225200)

摘 要:为了研究冻融循环作用对钢筋混凝土柱偏心受压性能的影响，对经历0，75，100，125，150次冻融循环作用后的立方体试块进行了抗压强度试验，并设计制作了30根钢筋混凝土柱，将其经历0，75，100，125，150次冻融循环作用后进行偏心受压静力试验.分析了混凝土相对抗压强度、质量损失率、相对动弹性模量与冻融循环次数的关系，研究了冻融循环次数、轴向力偏心距对钢筋混凝土柱偏心受压性能的影响.研究结果表明，随着冻融循环次数的增加，试验柱的开裂荷载和极限荷载都逐渐减小，极限变形逐渐增大，部分试件由大偏心受压破坏转变为小偏心受压破坏.现行混凝土结构设计规范关于钢筋混凝土偏心受压柱极限承载力的计算理论适用于冻融循环作用后的钢筋混凝土柱.

关键词:冻融循环;钢筋混凝土柱;偏心受压;承载力

混凝土结构在现代各种基础设施建设中得到了广泛的应用，在未来土木工程建设中仍将处于主导地位.但混凝土结构的服役环境越来越复杂，其中主要的不利因素之一冻融破坏表现出的影响日益突出.混凝土冻融破坏机理非常复杂，至今仍未得到一个公认的完全能解释冻害的理论.国内外学者对冻融循环后混凝土的性能开展了相关研究，包括冻融破坏机理、冻融后混凝土材料的性能及其与钢筋的黏结性能等.目前，关于冻融循环作用下混凝土的研究大多偏重于材料方面［1-6］，对于混凝土构件冻融后受力性能的研究［7-10］在国外开展得较多，国内则相对较少［11-15］.本文对冻融循环作用后钢筋混凝土柱的偏心受压性能进行了试验研究，以期为冻融循环作用后混凝土结构性能评价提供参考.

1 试验

1.1 试件设计与制作

考虑冻融次数和偏心距对偏心受压构件正截面承载能力的影响，设计并制作了30根钢筋混凝土柱.试件的配筋构造如图1所示.试件采用对称配筋，纵向钢筋采用直径为12.0 mm的HRB335级钢筋，配筋率为3%，箍筋采用直径为6.5 mm的HRB235级钢筋.设计混凝土强度等级为C40，设计冻融循环次数分别为 0，75，100，125，150 次.试件的混凝土强度等级为C40，纵筋配置为4 12 mm，箍筋配置为φ6.5 mm@100 mm.钢筋的力学性能见表1.本试验未考虑冻融循环对钢筋力学性能的影响.

图1 试验柱配筋图(单位:mm)

表1 钢筋力学性能

1.2 冻融试验

制作一组(3个)棱柱体试件，试件尺寸为400 mm×100 mm×100 mm，用以测量冻融后混凝土质量和相对动弹性模量的损失.制作5组(每组3个)100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，用来测量冻融后混凝土抗压强度.冻融试验采用快速水冻水融法，试件中心的最低和最高温度分别控制在(－17±2)℃和(6±2)℃，一次冻融循环控制在3 h左右完成.每隔25次冻融循环，取出棱柱体试件，观测外部损伤并测量试件的质量和混凝土动弹性模量(见图2).达到试验设计的冻融次数，进行立方体试块抗压强度测试.

图2 动弹性模量测试照片

1.3 静载试验

试验柱的偏心受压静力加载在3 000 kN液压试验机上进行(见图3).加载时构件两端分别放置在刀口铰支座上.柱中部和两端分别布置百分表，用来实测柱的挠度.在柱中部纵向钢筋上粘贴电阻应变片，采用静态电阻应变仪来测量纵向受拉、受压钢筋的应变.每级加载待各仪表读数稳定后，记录百分表和钢筋应变数值，描绘裂缝发展趋势，并量测裂缝宽度.

图3 试验加载照片

2 冻融试验结果与分析

2.1 表面剥落形态

试验柱分别经历75，100，125，150次冻融循环后的表面剥落形态如图4所示.可以看出，混凝土柱在75次冻融循环后，表面浮浆面层稍有剥落;100和125次冻融循环后，表面砂浆基本剥落，出现棱角缺失现象，并有少量粗骨料露出;冻融循环达到150次后，大量粗骨料露出，棱角缺失现象严重.

图4 不同冻融循环次数柱表面剥落情况

2.2 质量损失率和相对动弹性模量

表3给出了冻融循环后棱柱体试件的质量损失率和相对动弹性模量随冻融次数变化情况.可以看出，当冻融次数不大于100次时，混凝土质量没有减少，反而略有增加.究其原因可能是因为冻融次数较少，混凝土几乎没有剥落，由于冻融产生的冻涨作用，试件内部孔隙率增大，含水量增加.冻融循环次数超过100次后，混凝土质量开始下降.冻融循环到达150次时，质量损失达到2.57%.随着冻融循环次数的增加，混凝土的相对动弹性模量逐渐下降，说明随着冻融次数的增加，混凝土内部损伤逐渐增大.冻融次数越多，相对动弹性模量下降越快.

表3 质量损失率和相对动弹性模量结果

2.3 抗压强度

完成冻融试验后，对立方体试块进行混凝土抗压强度测试.定义混凝土的相对抗压强度为冻融循环后混凝土的抗压强度与未冻融混凝土的抗压强度的比值.图5给出了冻融循环后混凝土试块的相对抗压强度与冻融次数的关系曲线.

从图5可以看出，随着冻融循环次数的增加，混凝土立方体抗压强度逐渐降低.冻融循环次数达到75次时，混凝土抗压强度下降到76%左右;冻融循环次数达到100次时，混凝土抗压强度迅速下降到63%左右;冻融循环次数达到125次时，混凝土抗压强度下降至51%左右;冻融循环次数达到150次时，混凝土抗压强度下降到31%左右.

3 静载试验结果与分析

3.1 裂缝分布和破坏形态

图6给出了部分试件的裂缝分布和破坏形态.由图可知，试验柱经受不同冻融循环次数后的裂缝分布和破坏形态均相似.当偏心距e0=12，24，36 mm时，柱截面全部受压，靠近竖向荷载方向的纵向钢筋受压屈服，混凝土被压碎，远离一侧的钢筋受压不屈服，没有水平裂缝出现，试件破坏时挠度较小，为小偏心受压破坏.随着偏心距的增加，受拉区边缘出现水平裂缝，但发展并不显著，破坏时受压区混凝土被压碎.

图6 柱的破坏形态

当偏心距e0=84，96，108 mm 时，加载初期试件发生弹性变形.随着荷载的加大，受拉区出现水平裂缝，且裂缝发展逐渐加快，受压区不断减小.柱破坏时表现为受拉钢筋先屈服，而后受压区混凝土被压坏，构件破坏时挠度较大，为大偏心受压破坏.

3.2 冻融循环次数对开裂荷载的影响

图7给出了试验柱开裂荷载与冻融循环次数的关系曲线.从图中可以看出，随着冻融循环次数的增加，开裂荷载呈下降趋势.当冻融循环次数为0～75时，下降速度缓慢;当冻融循环次数大于100次时，下降速度增大.这是因为随着冻融循环次数的增加，内部损伤逐渐积累，混凝土破坏严重.

3.3 冻融循环次数对极限荷载的影响

试验柱极限荷载与冻融次数的关系曲线见图8，轴力-弯矩关系曲线见图9.由图可知，冻融循环

图7 开裂荷载与冻融循环次数的关系曲线

作用后，混凝土抗拉强度下降，混凝土和钢筋的黏结性能降低，试验柱的极限荷载下降.对于小偏心受压柱，0～75次冻融循环时，极限荷载下降速度较为缓慢;冻融循环次数超过75次后，极限荷载下降速度突然加快，下降幅度较大.对于大偏心受压柱，0～75次冻融循环时，极限荷载几乎没有变化;冻融循环次数超过75次后，极限荷载下降速度加快，但下降幅度不大.冻融循环后，混凝土抗压强度下降，与钢筋拉力相平衡的混凝土压力需要由更大高度的受压区混凝土来提供，随着冻融次数的增加，部分构件大偏心受压破坏转变为小偏心受压破坏.

图8 极限荷载与冻融次数的关系曲线

图9 试验柱轴力-弯矩的关系曲线

图10 荷载-挠度关系曲线

3.4 冻融循环次数对挠度的影响

图10给出了试验柱荷载-挠度关系曲线.可以看出，偏心距相等时，随着冻融次数的增加，柱的极限承载能力下降，极限挠度也逐渐增大.随着偏心距的增大，承载能力逐渐降低，极限挠度增大.试验时考虑仪器设备和人员的安全，部分构件试验数据丢失.

3.5 理论承载力与实际承载力的对比

采用冻融循环后实测的混凝土抗压强度，按现行混凝土结构设计规范计算钢筋混凝土柱理论承载力，将理论承载力Nu，t与实测值Nu，e进行对比，结果见表4.

表4 承载力的理论值与试验值对比

由表 4 可以看出，Nu，e/Nu，t的平均值为 1.11，变异系数为0.005.按现行规范公式计算的结果比较精确，承载力试验实测值和理论计算值比较接近，同时，实测值与理论值相比有一定的安全储备.由此表明，经受冻融循环作用后，偏心受压柱的承载力计算仍可采用规范公式，且计算结果偏于安全.

4 结论

1)对经历冻融循环作用混凝土立方体、棱柱体、矩形截面钢筋混凝土柱偏心受压性能进行了试验研究.随着冻融循环次数的增加，钢筋混凝土偏心受压柱的开裂荷载与极限荷载都减小，大偏心受压构件的极限承载力下降幅度较小，而小偏心受压构件极限荷载的下降幅度则相对较大.

2)偏心受压静力试验结果表明，偏心距相等时，构件的极限承载力随着冻融循环次数的增加而逐渐减小，且极限变形增大.相同冻融次数作用下，随着偏心距的增大，构件极限承载力逐渐减小，极限变形增大.

3)冻融循环后，混凝土抗压强度下降，与钢筋拉力相平衡的混凝土压力需要由更大高度的受压区混凝土来提供.随着冻融次数的增加，部分构件由大偏心受压破坏转变为小偏心受压破坏.

4)冻融循环作用后，钢筋混凝土偏心受压柱的极限承载力仍可采用现行混凝土结构设计规范相关公式进行计算，且计算结果偏于安全.

［1］Alan R，Kathryn C，Jennifer B.Freeze/thaw durability of concrete with recycled demolition aggregate compared to virgin aggregate concrete［J］.Journal of Cleaner Production，2011，19(2/3):272-277.

［2］Shashank B，Taketo U.Strain-temperature hysteresis in concrete under cyclic freeze-thaw conditions［J］.Cement＆Concrete Composites，2008，30(5):374-380.

［3］Chetan H，Halil C，Kejin W.Influences of mixture composition on properties and freeze-thaw resistance of RCC ［J］.Construction and Building Materials，2011，25(1):313-319.

［4］Kevern J T，Wang K，Schaefer V R.Effect of coarse aggregate on the freeze-thaw durability of pervious concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2010，22(5):469-475.

［5］冀晓东，宋玉普.冻融循环后光圆钢筋与混凝土黏结性能退化机理研究［J］.建筑结构学报，2011，32(1):70-74.

Ji Xiaodong，Song Yupu.Mechanism of bond degradation between concrete and plain steel bar after freezing and thawing［J］.Journal of Building Structures，2011，32(1):70-74.(in Chinese)

［6］Pierluigi C，Giulia F，Carlo P.Bond strength of CFRP-concrete elements under freeze-thaw cycles［J］.Composite Structures，2010，92(4):973-983.

［7］Yun Y，Wu Y.Durability of CFRP-concrete joints under freeze-thaw cycling［J］.Cold Regions Science and Technology，2011，65(3):401-412.

［8］Toutanji H A，Balaguru P.Effects of freeze-thaw exposure on performance of concrete columns strengthened with advanced composites［J］.ACI Materials Journal，1999，96(5):605-610.

［9］Green M F，Dent A J S，Bisby L A.Effect of freezethaw cycling on the behavior of reinforced concrete beams strengthened in flexure with fiber reinforced polymer sheets［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，2003，30(6):1081-1088.

［10］Reis J M L，Ferreira A J M.Freeze-thaw and thermal degradation influence on the fracture properties of carbon and glass fiber reinforced polymer concrete［J］.Construction and Building Materials，2006，20(10):888-892.

［11］朱江.预应力混凝土梁在冻融循环后的受力性能研究［D］.扬州:扬州大学建筑科学与工程学院，2006.

［12］任慧韬，胡安妮，赵国藩.冻融循环对玻璃纤维布加固混凝土梁受力性能影响［J］.土木工程学报，2004，37(4):105-110.

Ren Huitao，Hu Anni，Zhao Guofan.The influence of freeze-thaw action on behavior ofconcrete beams strengthened by glass fiber reinforced plastics［J］.China Civil Engineering Journal，2004，37(4):105-110.(in Chinese)

［13］张娟秀，叶见曙，姚伟发.冻融循环作用下CFRP加固混凝土梁疲劳性能试验研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2010，40(5):1034-1038.

Zhang Juanxiu，Ye Jianshu，Yao Weifa.Fatigue behavior of RC beams strengthened with CFRP sheets after freeze-thaw cycling action［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2010，40(5):1034-1038.(in Chinese)

［14］陈建伟，胡海涛，王希宾，等.玄武岩纤维加固混凝土梁的冻融试验研究［J］.青岛理工大学学报，2008，29(3):27-30.

Chen Jianwei，Hu Haitao，Wang Xibin，et al.Experiment with the Freeze-Thaw of the Concrete Beams Reinforced by BFRP［J］.Journal of Qingdao Technological University，2008，29(3):27-30.(in Chinese)

［15］刁波，孙洋，叶英华.持续承载钢筋混凝土梁的冻融循环试验［J］.中南大学学报:自然科学版，2011，42(3):785-790.

Diao Bo，Sun Yang，Ye Yinghua.Experiments of persistent loading reinforced concrete beams with freezethaw cycles［J］.Journal of Central South University:Science and Technology，2011，42(3):785-790.(in Chinese)

Eccentric compressive behaviors of RC columns after freeze-thaw cycles

Cao Dafu1Ma Zhao2Ge Wenjie1Yuan Shenfeng1Zhang Zheng1
(1College of Civil Science and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China)
(2Jiangsu Jiangdu Planning and Architectural Design Institute Co.，Ltd.，Yangzhou 225200，China)

Abstract:To investigate the eccentric compressive behaviors of reinforced concrete(RC)columns after freeze-thaw cycles，compressive strength tests of concrete cubes after 0，75，100，125，150 freeze-thaw cycles were carried out.Then，30 RC columns were fabricated，and the corresponding static eccentric compressive experiments after 0，75，100，125，150 freeze-thaw cycles were carried out.The relationships between the relative compressive strength of concrete，mass loss rate，relative dynamic elastic modulus and the number of freeze-thaw cycles were analyzed，respectively.The influences of the number of freeze-thaw cycles and the eccentric distance of axial force on the compressive behaviors of RC columns were studied.The results show that with the increase of the number of freeze-thaw cycles，both the cracking load and the ultimate load of RC columns decrease while the deflection increases gradually.Moreover，large eccentric compression failures of some specimens turn into small eccentric compression failure.The current concrete structure design code about the ultimate load is still suitable for RC columns after freeze-thaw cycles.

Key words:freeze-thaw cycle;reinforced concrete columns;eccentric compression;bearing capacity

中图分类号:TU375.1

A

1001－0505(2014)01-0188-06

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.034

收稿日期:2013-06-08.

曹大富(1964—)，男，副教授，dfcao@yzu.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50978224，51278445，51308490)、住房和城乡建设部科学技术计划资助项目(2013-K4-17)、江苏省自然科学基金资助项目(BK20130450)、江苏省高校自然科学基金资助项目(13KJB560015)、扬州市科技计划资助项目(2012149).

曹大富，马钊，葛文杰，等.冻融循环作用后钢筋混凝土柱的偏心受压性能［J］.东南大学学报:自然科学版，2014，44(1):188-193.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.034］