配螺旋箍筋芯柱的钢筋再生混凝土柱性能研究

2016-06-12贾艳东薛旭旭

工程与建设 2016年1期

关键词：再生混凝土承载力

贾艳东，　薛旭旭

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁锦州　121001)

配螺旋箍筋芯柱的钢筋再生混凝土柱性能研究

贾艳东，薛旭旭

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁锦州121001)

摘要：通过对12根配螺旋箍筋芯柱的钢筋再生混凝土柱分别进行轴心受压试验和偏心受压试验，阐述了主要试验现象及破坏形态，对各试件的承载力、荷载-应变曲线、荷载-位移曲线和荷载-挠度曲线进行了细致分析，结果表明：配螺旋箍筋芯柱的钢筋再生混凝土柱的轴心受压承载力明显低于相同截面尺寸及配筋情况的钢管钢骨再生混凝土柱，说明螺旋箍筋对混凝土的约束作用低于钢管；外围混凝土破坏后，核心区螺旋箍筋芯柱混凝土仍可继续工作，破坏后的混凝土柱仍具有一定的承载能力，在柱核心区配置螺旋箍筋钢筋笼，可提高柱的抗震防倒塌能力；核心区配置螺旋箍筋芯柱可大幅提高柱的偏心受压承载力。

关键词：螺旋箍筋芯柱；再生混凝土；约束作用；承载力

再生混凝土是将废弃的混凝土块进行破碎、清洗、分级后按照一定比例与级配混合、部分或全部替代天然骨料制成的混凝土[1]。再生混凝土可以节约天然骨料，解决了因废旧骨料处理不当引起的环境污染问题，缓解了建筑行业对混凝土集料的高消耗、对环境的污染问题与环境保护之间的矛盾。

将螺旋箍筋芯柱设置在柱的核心区这一设计灵感来源于钢管钢骨混凝土柱。钢管的套箍作用对提高混凝土柱的承载力和变形能力十分有效[2,3]，而螺旋箍筋的作用机理与钢管类似，通过螺旋箍筋的环向拉力对核心区混凝土产生间接的侧向压力，使混凝土处于三向受压状态[4]，抑制混凝土的侧向变形和内部微裂缝的发展，保证核心区混凝土在外围混凝土开裂甚至是剥落后，仍能继续工作，直至箍筋达到抗拉屈服强度而失去对混凝土的约束能力后，核心区混凝土才被压碎，整个构件破坏。试验研究和工程经验都证明，在矩形或圆形截面柱内设置矩形核心柱，不但可以提高柱的受压承载力，还可以提高柱的变形能力[5-11]。相比于钢管钢骨混凝土柱，配螺旋箍筋芯柱的钢筋混凝土柱具有不需要设置剪力连接件和造价较低经济性好的特点。螺旋箍筋芯柱与再生混凝土结合起来制作的绿色混凝土柱，工作性能的优劣，目前国内外的研究十分鲜见。

本文分别设计制作了6根配螺旋箍筋芯柱的钢筋再生混凝土轴心受压柱和6根偏心受压柱，通过静力单调加载试验，初步研究了该类型柱的受力性能。

1试验概况

1.1试验设计及材料性能

试验使用的再生混凝土的强度等级为C60，依文献[12]确定的配合比为水∶水泥∶粉煤灰∶砂子∶再生粗骨料∶外加剂=1∶2.27∶0.76∶4.21∶6.31∶0.027，实测的混凝土立方体抗压强度为65.4 MPa。采用渤海水泥葫芦岛有限公司生产的渤海牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，28 d抗压强度为49.3 MPa；粉煤灰采用锦州热电厂生产的Ⅱ级粉煤灰；砂子为Ⅱ区中砂，表观密度为2.618 g/cm3；再生粗骨料由辽宁工业大学厂房拆迁废弃混凝土破碎筛选得来，压碎指标为13.47%，表观密度为2.637 g/cm3，吸水率为3.94%，粒径范围5～25 mm；外加剂采用锦州凌云建材有限公司生产的LY-A聚羧酸系高性能减水剂，减水率为29%。

表1　轴心受压试件设计参数

注：ZX表示轴心受压，40、80表示箍筋间距为40 mm和80 mm，1、2、3表示同类型柱编号。

表2　偏心受压试件设计参数

注：PX表示偏心受压，40、80表示箍筋间距为40 mm和80 mm，e125、e80表示偏心距为125 mm和80 mm，1、2、3表示同类型柱编号。

表3　钢筋的力学性能

图1试件尺寸及配筋简图

1.2试验测点布置与加载

如图2所示，轴心受压柱共布置了10个测点。包括2个外围纵筋测点，2个芯柱纵筋测点，2个螺旋箍筋测点，2个混凝土测点，2个柱压缩位移测点。如图3所示，偏心受压柱共布置了11个测点，包括外围受拉及受压纵筋各1个，芯柱受拉及受压纵筋各1个，2个螺旋箍筋测点，受拉及受压混凝土各1个测点，沿柱高方向布置了3个位移计以测量偏压柱的水平挠度。

试件采用YAW-5000微机控制电液伺服压力5 000 kN试验机进行静力单调加载试验。轴压试验以每400 kN为一级，加载速度为2 kN/s直至2 000 kN。随后以200 kN间隔为一级，以0.5 kN/s的速度缓慢连续加载，每一级持荷90 s，直至试件破坏失去承载能力。完全卸载后，对破坏后的轴压柱进行二次加载，以1 kN/s的速度连续加载直至试件再次失去承载能力。偏压试验以每200 kN为一级，加载速度为1 kN/s。达到1 000 kN后，以0.5 kN/s的速度继续加载，每一级持荷90 s，待变形稳定后，再进入下一加载阶段，直至试件破坏。

1.3试件的破坏过程与破坏形态

对于轴心受压柱，当加载至1 000 kN时，柱出现首条裂缝，大多位于柱底部。继续加载，柱体出现多条纵向裂缝，伴有劈裂声，并逐渐向柱中位置发展，柱顶部和底部裂缝有连通的趋势。当加载至极限荷载的80%左右时，大多数柱相连两面的裂缝在柱棱上连通，有剪切柱棱的趋势，其余上下裂缝逐渐连通。达到极限荷载的90%时，柱棱完全与柱体脱离但未剥落。接近极限荷载时，各裂缝剧烈发展，劈裂声愈发明显，柱体不断有混凝土崩落，多数柱的四个柱棱及保护层均已与柱体脱离退出工作，柱截面变小。达到极限荷载时，与柱体脱离的混凝土剥落，外围箍筋露出，柱中混凝土被压碎，柱失去承载能力。

图2　轴压柱测点布置

图3　偏压柱测点布置

完全卸载后的二次加载，仅有核心区芯柱和部分外围箍筋包裹的混凝土工作。在达到90%极限荷载之前，柱工作稳定，无混凝土剥落，肉眼观察不到原有裂缝的变化，也没有新裂缝的出现，更没有劈裂声。加载至90%极限荷载时，有混凝土出现松动，随即前期被压碎的混凝土纷纷剥落并伴有明显纷乱的劈裂声，螺旋箍筋拉断，柱再次失去承载能力，试验结束。

对于偏心受压柱，加载至180 kN左右时受拉侧柱面即出现多条裂缝，400 kN左右时受拉侧柱面出现贯通裂缝。随着荷载的递增，受拉面出现多条贯通裂缝，裂缝间距大致在8～15 cm之间。随后裂缝向受压侧发展，裂缝逐渐增宽，混凝土受压区面积逐渐减小并伴有劈裂声。在达到极限荷载之前，受压区混凝土均工作稳定，无裂缝，无隆起。接近极限荷载时，受压区混凝土逐渐隆起、压碎、剥落，露出隆起的纵筋。受拉面裂缝逐渐增宽，甚至可以看到外围受拉纵筋，柱挠度逐渐增大，随后柱失去承载能力，试验结束。柱的破坏形态如图4所示。

图4　柱受压破坏形态

2轴心受压试验结果与分析

2.1承载力分析

表4所示为配螺旋箍筋芯柱的钢筋再生混凝土柱的轴心受压承载力试验结果，表5为文献[13]相同截面尺寸及配筋情况的钢管钢骨再生混凝土柱轴心受压承载力的试验结果。对比可以发现，该构造的螺旋箍筋芯柱混凝土柱的轴压承载力普遍低于钢管钢骨混凝土柱。说明该配筋情况的螺旋箍筋，在柱未破坏之前，对混凝土的约束作用要低于钢管，螺旋箍筋对提高柱承载力的贡献明显低于钢管。

从二次加载的结果来看，在外围混凝土退出工作后，核心区混凝土由于螺旋箍筋的约束作用，仍能继续稳定工作。螺旋箍筋加芯柱破坏后的承载力约为轴压极限承载力的58%左右，说明该类型柱在破坏后，芯柱部分仍具有一定的承载能力，柱具备一定的抗震防倒塌能力。

由表还可发现，提高螺旋箍筋的配箍率对柱承载力的影响并不明显。根据文献[14]中对局部受压承载力计算的规定，螺旋式间接钢筋对混凝土的提高效应与构件核心截面面积、箍筋尺寸和强度以及箍筋间距密切相关。由于试件的核心截面面积较小，箍筋尺寸及强度均较小，对承载力的提高效应并不明显。表中低配箍率的柱轴压承载力反而高于高配箍率柱，是由于制作误差导致混凝土抗压强度离散性较大导致的。

表4　轴压承载力试验结果

表5　文献[13]试验结果

2.2延性性能分析

图5、图6分别是本文和文献[13]的轴心受压柱荷载-位移曲线。弹性阶段过后，不管是螺旋箍筋加芯柱，还是钢管钢骨混凝土柱，都进入了塑性阶段。但不同的是，螺旋箍筋加芯柱的塑形阶段较长，而钢管钢骨混凝土柱塑形阶段较短，承载力损失严重。钢管钢骨混凝土柱每毫米承载力的损失约为1 000 kN，而螺旋箍筋加芯柱的每毫米承载力的损失约为100 kN，说明破坏后，螺旋箍筋对混凝土的约束作用要好于钢管，螺旋箍筋芯柱的延性优于钢管钢骨混凝土，且对柱破坏后承载力的保证要远好于钢管钢骨混凝土柱。由于截面较小，改变箍筋配箍率对螺旋箍筋加芯柱变形能力的影响并不明显。

上述结果，究其原因是由于在柱受力阶段，螺旋箍筋对核心混凝土的约束作用仅限于箍筋与混凝土较小的接触面上，对核心混凝土的有效约束面积较小，相邻箍筋之间的混凝土仍可自由变形。而钢管将核心混凝土全部包裹，对核心混凝土的有效约束面积就是整个核心混凝土圆柱的表面积，可抑制全部核心混凝土微裂缝的发展，限制核心混凝土的侧向变形，约束效果远好于螺旋箍筋。但当钢管应变超过其屈服应变后，钢管发生局部屈曲，对混凝土的约束作用显著减弱，钢管局部屈曲部位的混凝土随即破坏，此处成为柱的薄弱区，导致整根柱迅速失去承载能力。

图5　轴压柱荷载-位移曲线

图6　文献[13]荷载-位移曲线

而此时的螺旋箍筋加芯柱，由于本构关系不同于核心区加芯混凝土而产生的较大剪应力，外围混凝土大多已退出工作。但螺旋箍筋仍能为混凝土提高约束作用，限制或减缓混凝土内部微裂缝的发展，减缓了承载力下降趋势。二次加载试验结果，也充分说明了这一点。如图7所示，对比本试验和文献[13]测得的典型试件荷载-应变曲线，可以发现钢管的应变明显好于螺旋箍筋，对混凝土的约束作用较好。

图7　典型荷载-应变曲线

3偏心受压试验结果与分析

3.1承载力分析

表6所示为偏压柱承载力试验结果，其中N0表示依据文献[14]计算得到的未配置芯柱的同截面尺寸同配筋情况的普通偏心受压柱承载力。相比于计算值，配置芯柱的偏压柱承载力普遍提高了64%～78%，最高为84%，说明螺旋箍筋芯柱可显著提高偏压柱承载力。对比试件PX-40-e125与试件PX-80-e125-1、2、3可发现，提高箍筋配箍率对偏压柱承载力的改善并不明显；对比试件PX-40-e125与PX-40-e80-1、2可发现，减小偏心距可显著提高偏压柱的承载力，决定承载力的主要因素是偏心距。

表6　偏心受压柱试验结果

偏心受压试件破坏的主要标志是：受拉区钢筋屈服，受压区混凝土被压碎。螺旋箍筋芯柱对偏心受压试件承载力的提高主要来自于两方面：一是由于核心区纵向受力钢筋的贡献。如图8所示为典型试件各类型钢筋荷载-应变曲线，核心区纵向受力钢筋提高了柱纵筋配筋率，为柱受拉区提供了更大的拉力，在受压区分担了部分压力，减小了混凝土应力，延缓了混凝土压应变增加；二是由于螺旋箍筋的约束作用，核心区混凝土的抗压强度提高。

图8　典型偏压柱荷载-应变曲线

(1)

混凝土偏心受压柱承载力的计算公式为

(2)

(3)

核心区混凝土抗压强度由于螺旋式间接钢筋的约束作用得到提高，最终提高了柱偏心受压承载力。

3.2延性性能分析

图9所示为试件的荷载-挠度曲线。对比分析同类型柱试件发现：极限荷载过后，试件的承载力经过一小段的剧烈下降，原因是受压区混凝土超过其极限压应变后被压碎，高强混凝土的脆性破坏导致了承载力降低。随后，挠度下降趋势趋于平缓，挠度急剧增大，螺旋箍筋芯柱混凝土柱表现出良好的变形能力。

对比分析偏压柱在不同偏心距下的挠度曲线，可发现：在到达极限荷载之前，偏压柱的荷载与挠度成一次线性关系，PX-40-e80类柱的曲线斜率明显大于PX-80-e125；极限承载力过后，偏心距80 mm的偏压柱曲线，无论是在下降趋势，还是在极限挠度方面，均不及偏心距125 mm的偏压柱。说明，螺旋箍筋芯柱偏压柱的变形能力与偏心距和箍筋体积配箍率有关。偏心距越大，螺旋箍筋芯柱偏压柱的变形能力越好。与箍筋体积配箍率的关系，目前尚不明确。