机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱大偏心受压裂缝控制试验研究

李凤兰, 毋欢欢, 苏延峰, 杨亚彬

(华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450045)



机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱大偏心受压裂缝控制试验研究

李凤兰, 毋欢欢, 苏延峰, 杨亚彬

(华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450045)

摘要：为深入研究机制砂再生粗骨料混凝土结构的性能,本研究进行了12根机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱的大偏心受压性能试验,研究了长细比和初始偏心距变化对配筋柱在大偏心轴向压力作用下的正截面抗裂度、裂缝分布和裂缝宽度的影响规律,并通过与现行规范相应计算公式的计算结果对比,分析了机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱的大偏心受压裂缝的特性,给出了正截面抗裂度和裂缝宽度的计算建议.

关键词：机制砂再生粗骨料混凝土;配筋柱;大偏心受压;裂缝控制;抗裂度;裂缝宽度;裂缝分布

目前,对再生骨料混凝土、机制砂混凝土基本性能的研究已比较系统[1-6],对其在结构工程中的应用研究也逐步深入.在再生骨料混凝土配筋柱的研究方面,也完成了考虑初始偏心距、再生骨料取代率、混凝土强度、长细比、初始偏心距等主要参数影响的静载轴心受压和偏心受压试验研究,得到了柱承载力和延性性能方面的研究成果[7-11].对配有500 MPa级钢筋的不同粗骨料取代率的再生混凝土柱的静载试验结果也表明,再生混凝土柱的破坏形态、跨中侧向位移变化曲线、混凝土及钢筋应变规律等均与普通混凝土柱没有明显差别[12].但这些研究的重点基本在于配筋柱的承载力,对其裂缝发展和裂缝宽度则研究甚少.

在设计钢筋混凝土偏心受压构件的过程中,除了需进行极限承载力计算,当e0/h0>0.55时还应根据使用环境要求进行裂缝控制验算[13-14],以保证构件能够正常使用.因此,有必要开展再生骨料混凝土配筋柱大偏心受压正截面裂缝控制研究.

本文作者所在团队提出以机制砂和再生粗骨料配制混凝土,配制成一种介于机制砂混凝土、再生骨料混凝土之间的新型绿色混凝土,以发挥这2种骨料的优良特性、突出混凝土生态环保的绿色特质.为推广其在结构工程中的应用,文献[15-16]以长细比、初始偏心距为主要影响因素,开展了机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱大偏心受压性能试验，本文开展了有关其裂缝控制方面的研究.

1试验概况

再生粗骨料是由实验室废弃混凝土梁经颚式破碎机初碎、二次破碎后再筛分得到,外形与天然骨料接近.骨料粒径按单级配5.0~10.0 mm、10.0~20.0 mm、20.0~26.5 mm通过试验测试按质量比4∶3∶3混合得到最大粒径26.5 mm的连续级配.细骨料为机制砂.水泥为P·O 52.5普通硅酸盐水泥,28 d抗折强度9.2 MPa，抗压强度53.5 MPa,外加剂为聚羧酸高效减水剂,拌合水为自来水.

柱的纵向受拉和受压钢筋均为HRB335级2φ12 mm带肋钢筋,实测屈服强度420 MPa，极限抗拉强度625 MPa，弹性模量2.02×105MPa，屈服应变0.002 1.纵向配筋率为1.03%,采用对称配筋,混凝土保护层厚度25 mm.箍筋为HPB235级φ8@100 mm(RC1-和RC2-系列)或φ8@50 mm(RC3-系列)光圆钢筋.试验以长细比(l0/i)和初始偏心距(e0)为主要影响因素.柱的端部设有牛腿以便偏心加载.在每次浇筑试件时,伴随浇筑混凝土标准试块,用于测得混凝土的实际强度(立方体抗压强度fcu、轴心抗压强度fc、劈裂抗拉强度ft).试验柱的编号与参数组合见表1.其中编号含义为:配筋柱RC组号-初始偏心距e0(cm),A和B分别表示每组的2根柱.

试验加载设备为5 000 kN四柱液压试验机.为了保证两端铰支,在构件上下两端设置滚轴铰支座.加载过程及加载设备的设计安装均按照《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—2012)的规定进行[17].量测内容包括：竖向荷载(N)、开裂荷载(Ncr)、混凝土弹性模量(Ec)、柱竖向变形、混凝土应变、钢筋应变、侧向挠度、中性轴位置、裂缝发展平均裂缝间距(lcr)、平均裂缝宽度(wm)、最大裂缝宽度(wmax)等.部分量测结果列于表1.

表1　试验柱实测性能参数

2试验结果分析

试验柱大偏心受压的裂缝分布如图1所示.

图1　试件大偏心受压正截面裂缝图

由于试验加载直接作用于柱的两端面,柱的正截面初始弯矩沿柱的高度方向上基本相同,因此混凝土开裂截面具有很大的随机性.当混凝土开裂之后,随着后续加载,柱出现沿加载作用平面内的侧向变形(挠度).该变形值在柱高一半所在截面处最大,向两端逐渐减小(对应挠度曲线呈圆形),从而导致柱各正截面承受的弯矩产生变化.但在柱高一半截面上、下各1/4柱高范围内,这种弯矩变化对混凝土裂缝形态及其发展影响较小,可视为基本一致的观测范围.

从各柱达到极限承载力时的裂缝分布情况也可以看出,各柱高一半所在截面附近均有1~2条裂缝,基本发展到了受压区边缘附近，且宽度都较大,其他裂缝基本以这些裂缝为中心对称分布于柱的受拉侧.这种现象也进一步说明这些柱的破坏形态属于典型的大偏心受压破坏形态.

3正截面裂缝控制计算方法

3.1　正截面抗裂计算

对于建筑类构件,一般不需要进行抗裂计算,但是对于水工和市政工程中承受水压力且出现裂缝后可能引起严重泄漏的构件,必须进行抗裂验算.抗裂计算公式为[14]:

(1)

W0=I0/(h-y0).

(2)

式中:Ncr为正截面开裂荷载;γm为截面抵抗矩的塑性系数;ft,0为混凝土抗拉强度实测值;A0为换算截面面积;W0为换算截面A0对受拉边缘的弹性抵抗矩;h为截面高度；y0为换算截面重心轴至受压边缘的距离;I0为换算截面对其重心轴的惯性矩.

本次试验柱正截面抗裂轴向压力实测值与式(1)计算值的比值范围为0.853~1.157,平均值为0.985,标准差为0.099.

3.2　裂缝宽度计算

根据相关试验研究,钢筋混凝土构件在荷载作用下的裂缝产生与分布具有一定的随机性,因而需要先进行统计分析,判明随荷载作用变化且不断发展的主要裂缝，再进行平均裂缝间距、平均裂缝宽度和最大裂缝宽度的计算[18].在此方法基础上,本文结合普通钢筋混凝土柱裂缝宽度的计算[14],对试验柱裂缝宽度进行了统计分析,得到主要裂缝的平均间距和最大宽度，具体见表1.

平均裂缝间距

(3)

(4)

式中:lcr为平均裂缝间距;cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离,当cs<20 mm时取cs=20 mm，当cs>65 mm时取cs=65 mm;d为纵向受拉钢筋的等效直径;ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋的有效配筋率;As为钢筋计算截面面积；Ate为有效受拉混凝土截面面积，对矩形截面偏心受压构件取Ate=0.5bh.

本次试验柱的实测平均裂缝间距与式(3)计算值的比值范围为0.897~1.009,平均值为0.957,标准差为0.039.表明试验柱的平均裂缝间距采用式(3)进行计算是合适的,机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱与普通钢筋混凝土柱的裂缝分布是一致的.

平均裂缝宽度计算公式为[19]

(5)

其中

(6)

(7)

e=ηse0+ys,

(8)

(9)

(10)

式中:ωm为平均裂缝宽度;αc为考虑裂缝截面混凝土回缩影响的系数,取值0.77;ψ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数,当ψ<0.2时取ψ=0.2,当ψ>1.0时取ψ=1.0;σs为纵向受拉钢筋应力;Es为钢筋弹性模量;N为轴向压力;αE为弹性模量比；ρ为配筋率；e为轴向压力作用点至纵向受拉钢筋的合力点的距离;z为纵向受拉钢筋合力点至受压区合力点的距离;ηs为使用阶段偏心距增大系数;ys为截面重心至纵向受拉钢筋合力点的距离；h0为载面有效高度.

本次试验柱的实测平均裂缝宽度与式(5)计算值的比值范围为0.677~1.118,平均值为0.805,标准差为0.139.表明式(5)计算的试验柱平均裂缝宽度偏大.

图2　ωi/ωcr频率分布直方图

因此,机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱在大偏心受压时，其正截面最大裂缝宽度

(11)

试验柱在正常使用荷载作用下的最大裂缝宽度的实测值与式(11)计算值的比值范围为0.847~1.331,平均值为0.971,标准差为0.137.

4结语

本文对机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱在大偏心受压情况下的正截面裂缝控制问题进行了试验研究.试验柱设计主要考虑长细比和初始偏心距的变化.机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱在大偏心受压时的裂缝发生与发展与同条件的普通钢筋混凝土柱没有明显差别,普通钢筋混凝土柱的大偏心受压正截面抗裂度和裂缝宽度的计算模式仍适用于机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱,仅需对平均裂缝宽度扩大系数进行再统计分析.

机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱大偏心受压最大裂缝宽度小于同条件的普通钢筋混凝土柱,这对于其裂缝宽度控制是有利的.

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(责任编辑：陈海涛)

Experimental Study and Calculation of Large Eccentric Compression Crack Control for

Reinforced Manufactured Sand and Recycled Coarse Aggregate Concrete Columns

LI Fenglan, WU Huanhuan, SU Yanfeng, YANG Yabin

(School of Civil Engineering and Communication, North China University of

Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:To thoroughly research the structural behaviors of concrete mixed with manufactured sand and recycled coarse aggregate (MSRCAC), some tests were carried out on 12 reinforced MSRCAC columns under large eccentric compression. The effects of the ratio of length to cross-sectional height and the initial eccentric distance on the cross-sectional cracking resistance, crack distribution and crack width of reinforced MSRCAC columns under large eccentric compressive force were studied. By the comparative analyses with the calculation results with formulas in current design code, the large eccentric compressive characteristics of reinforced MSRCAC columns are discussed, and the suggestions for calculating cross-sectional cracking resistance and crack width are proposed.

Keywords:concrete with manufactured sand and recycled coarse aggregate (MSRCAC); concrete column; large eccentric compression; crack control; cracking resistance, crack width; crack distribution

文献标识码：A

文章编号：1002-5634(2015)06-0027-05

中图分类号：TU528;TV332

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.06.007

作者简介：李凤兰(1964—),女,河北武邑人,教授,硕士,主要从事混凝土结构设计理论与应用等方面的研究.

基金项目：河南省教育厅科学技术研究重点项目资助计划(13A560701);河南省新型城镇建筑技术协同创新中心项目(教科技[2013]638号).

收稿日期:2015-08-24