重复荷载下600 MPa级钢筋混凝土轴压柱受力性能研究

2019-06-09李艳艳刘彬

广西大学学报（自然科学版） 2019年6期

李艳艳,刘彬

(河北工业大学土木与交通学院, 天津300401)

0 引言

600 MPa级钢筋具有强度高、延伸性好等优点，是一种环保节约、经济高效的新型建筑材料。然而，由于缺乏600 MPa级钢筋混凝土构件的试验数据，目前并未列入现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)。许多专家学者研究了高强钢筋在钢筋混凝土结构中的应用[1-5]，主要集中于对各种配置HRB400、HRB500钢筋混凝土构件的力学性能研究。钢筋混凝土柱是钢筋混凝土最基本的构件，国内外进行了许多的试验研究和理论分析[6-12]。但在实际工程中，钢筋混凝土柱不仅仅承受单调荷载，往往主要承受重复荷载。且研究结果表明，两种情况下柱的受力性能是不相同的[13-17]。鉴于此，有必要对重复荷载作用下配置600 MPa高强钢筋的钢筋混凝土轴压柱进行力学性能研究。

1 试件方案

设计并制作了10根钢筋混凝土轴压构件，包括8根配置600 MPa级钢筋、1根配置HRB400钢筋和1根配置HRB500钢筋为受力纵筋的钢筋混凝土受压构件。采用对称配筋，保护层20 mm，C40混凝土抗压强度实测值为44.13 MPa，C50混凝土抗压强度实测值为49.3 MPa。具体设计方案见表1，具体配筋见图1。

表1 构件设计参数Tab.1 Design parameters of compression members

600 MPa级钢筋的材料性能如表2所示。

表2 钢筋材料力学性能实测值Tab.2 Mechanical properties of reinforcement

图1 轴压试件示意图
Fig.1 Axially compressed specimen sketch

2 试验方法

2.1 试验装置

所有试验均在1 000 t微机控制电液伺服压力试验机上进行。量测项目包括轴向荷载N、4个纵向变形以及钢筋和混凝土的应变，如图2所示。其中，在构件上部放置荷载传感器以采集施加在构件上的荷载值，在柱中位置对面布置两个位移计进行纵向变形的量测，标距为L/2。另外，在试验装置的顶板与底板之间对角布置两个位移计，以采集600 MPa级钢筋混凝土柱的轴向压缩位移值。在纵向钢筋和试验柱四面的中心位置粘有电阻应变片，以采集受压钢筋和混凝土的应变值。所有数据均使用DH3818-3采集系统进行应变信号采集。

(a) 加载装置

(b) 仪表布置

图2 加载装置及测试方案
Fig.2 Loading instrumentation and schematic diagram

2.2 加载制度

在正式加载前，先进行预加载。预加载时测量柱的四个侧面的混凝土压缩应变，并根据收集的应变测量数据进行试验柱位置的调整，直到试验柱四个侧面混凝土的压缩应变基本相等时，即构件的物理对中，再正式进行加载。

试验采用荷载—位移控制。先使用荷载控制，每一级加载值为计算承载力的10 %，待持荷时间结束，缓慢将荷载卸载至零，再重新加载至下一级计算荷载值。加载达到承载力计算值的90 %左右或当钢筋屈服后，改由位移速率控制加载，直至试件破坏，荷载下降至峰值荷载的30 %左右，试验结束。

图3 破坏形态Fig.3 Failure pattern

3 试验结果分析

3.1 破坏现象

在加载初始时，轴压构件上下端头会出现少许微小的纵向裂纹，并随着荷载值的逐渐增加，会有少量延伸。当加载值到达受压承载力的90 %左右时，裂缝会发展至轴压构件柱中位置。接近峰值荷载时，构件会持续发出混凝土被压碎的声音，轴压构件中部的混凝土开裂，随后出现竖向贯通裂缝，沿柱表面形成主斜剪切裂缝，并贯穿整个截面。随着位移的继续增加，受压承载力下降，柱中部分成为裂缝发展的主要区域。荷载下降至峰值荷载的80 %后，混凝土保护层开始逐渐破裂和剥落。荷载下降至峰值荷载的50 %以下，裂缝继续发展，宽度变大，轴压构件混凝土保护层的严重剥落，钢筋暴露可见，纵筋隆起外突。试件破坏状态见图3。

3.2 荷载—位移曲线

图4给出了部分试件的荷载—位移关系曲线。

(a) 试件B3荷载—位移曲线

(b) 试件D2荷载—位移曲线

图4 荷载—位移曲线
Fig.4 Load-displacement curves

在加载开始初期，轴压构件刚度较大，随着重复荷载的卸载和再加载的不断进行，曲线的斜率也在逐渐减小，这是由于轴压构件在重复加载过程中，发生累积损伤，导致压缩刚度逐渐退化。在加载前期，滞回环面积非常小，之后随荷载和位移的增加，在位移控制阶段加卸载次数的增多，每一级滞回环的面积逐渐变大，尤其是在轴压构件达到峰值荷载之后，滞回环的面积显著增大，表现出耗能逐渐增多的特点，并且在每次循环之后，都会留下残余位移，在破坏时残余位移达到最大。

3.3 名义压缩应力—应变曲线

图5绘制了不同影响因素下钢筋混凝土柱的名义应力—应变关系曲线。

(a) 不同混凝土强度的钢筋混凝土柱的应力—应变关系

(d) 不同钢筋强度的钢筋混凝土柱的应力—应变关系

图5 不同影响因素下钢筋混凝土柱的应力—应变关系
Fig.5 Stress-strain relationships of the RC columns under different influence factors

① 混凝土强度的影响。

由图5(a)可以看出，当构件的纵筋配筋率相同时，随着混凝土强度的提高，轴压试件的峰值应力也随之增大；构件A2的峰值应变达到0.003 55，构件B2的峰值应变达到0.003 41，由此可见，随着混凝土强度的提高，峰值应变却略有所减小。

② 纵筋配筋率的影响。

由图5(b)可以看出，当构件的混凝土强度相同时，构件A1的峰值应变接近0.003，而构件A2的峰值应变达到0.003 55，构件A3的峰值应变达到0.003 25，配筋率较大的构件A2、A3的峰值应变、峰值应力均明显高于配筋率较小的构件A1，但当配筋率较大时，构件的峰值应力、峰值应变随纵筋配筋率的变化则较不明显，甚至略有下降。同时随着配筋率的增加，应力—应变曲线后期下降平缓，延性较好。

③ 配箍率的影响。

由图5(c)可以看出，当构件的混凝土强度和纵筋配筋率相同体积配箍率不同时，构件的峰值应力随着体积配箍率的提高而增大；构件B2的峰值应变达到0.003 41，构件D2的峰值应变达到0.003 38，由此看出，随着体积配箍率的提高，峰值应变也会略有增大。

④ 钢筋强度的影响。

由图5(d)可以看出，构件A1的峰值应变接近0.003，而构件C1的峰值应变达到0.003 55，构件A1比构件C1的峰值应变更小，但后期延性较好，而两者峰值应力相差不大。由此可见，对于改善混凝土轴压柱延性性能而言，HRB400钢筋要略优于600 MPa级钢筋。

3.4 荷载—钢筋应变曲线

试件的荷载—钢筋应变曲线如图6所示。

(a) 屈服钢筋的荷载—钢筋应变关系

(b) 未屈服钢筋的荷载—钢筋应变关系

图6 600 MPa级钢筋混凝土柱的荷载—钢筋应变关系
Fig.6 Load-strain relationships of the RC columns with 600 MPa steel bars

从图中可以看出，在外部荷载较小时，荷载和钢筋应变大致呈线性关系。随着外部荷载的继续增加，混凝土开始出现裂缝并不断延伸，曲线的斜率随之减小，表现出明显的非线性。在试件达到极限承载力时，钢筋开始屈服或接近屈服，钢筋的压应变基本达到并超过规范规定的混凝土极限压应变，有的甚至可达到0.004 8。但从图6(b)中看出，部分试件在达到极限承载力时，钢筋应变仅有0.002 37，钢筋并未屈服，而是在峰值过后才迅速屈服，这种情况更容易出现在纵向配筋率较大的试件中。