C60全珊瑚海水混凝土柱的受压性能与计算模型

2021-12-26达波余红发麻海燕陈达刘金文陈岩

哈尔滨工程大学学报 2021年11期

达波，余红发，麻海燕，陈达，刘金文，陈岩

(1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098； 2.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京 210098； 3.河海大学海洋与近海工程研究院，江苏南通 226300； 4.南京航空航天大学土木与机场工程系，江苏南京 210016)

在南海岛礁上，利用当地丰富的珊瑚、珊瑚砂和海水等材料制备钢筋全珊瑚海水混凝土(coral aggregate seawater concrete，CASC)柱，具有重要的国防意义和工程实用价值[1-2]。然而，CASC中含有大量的Cl-，使得构件中钢筋容易锈蚀，影响结构安全[3-7]。而有机新涂层钢筋具有较好的防腐蚀性能[8-9]。因此，研究涂层钢筋CASC柱的受压性能，为其在岛礁工程中的应用提供试验基础和理论依据。

Rick[10]实地考察了太平洋岛礁上CASC结构耐久性，发现CASC基本能够满足岛礁工程建设要求。余红发等[11-12]实地考察南海某岛礁CASC结构耐久性，发现热带岛礁环境对低强度CASC结构具有极强的腐蚀破坏作用。达波等[13]研究了CASC的轴心抗压、劈拉、抗折强度与立方体抗压强度及其相关性规律，实测了CASC的单轴受压应力-应变全曲线，并建立其本构方程。冯鹏等[14]研究了钢管CASC柱的力学性能，提出了钢管CASC柱轴压承载力计算方法。麻海燕等[15-16]研究了不同混凝土强度钢筋CASC梁的抗弯/剪性能，提出了钢筋CASC梁承载力计算模型。

综上表明目前尚缺对钢筋CASC柱受压性能的研究。本文以钢筋种类和初始偏心距为参数，对8根钢筋CASC柱进行正截面受压性能试验，研究了钢筋CASC柱的变形性能和承载能力，根据不同混凝土结构规范，提出了考虑钢筋锈蚀和粘结滑移影响的钢筋CASC柱轴心、小偏心、大偏心受压极限承载力(Nu)计算模型。

1 钢筋混凝土柱受压性能实验

1.1 制作方法

胶凝材料为P·II52.5型硅酸盐水泥、I级粉煤灰和S95级矿渣，骨料为南海某岛礁的珊瑚砂、珊瑚，其Cl-质量百分比含量为0.112/%和0.074%，外加剂为亚硝酸钙阻锈剂和聚羧酸减水剂。海水为3.5%NaCl溶液，钢筋为普通钢筋(A)和有机新涂层钢筋(涂层厚度为40 μm) (B)，配筋率为0.17%。钢筋CASC柱的尺寸为200 mm×240 mm×1 500 mm的矩形截面试验柱(见图1)。单位体积CASC中各材料用量(kg/m3)为水泥：矿渣∶粉煤灰∶珊瑚砂∶珊瑚∶海水∶减水剂∶阻锈剂= 780∶150∶70∶700∶300∶264∶6∶30，其中混凝土强度等级为C60，混凝土保护层厚度为30 mm，初始偏心距为0、70和160 mm。钢筋CASC柱基本参数见表1，其中ω表示钢筋质量损失率，fcu、fc和fcm为混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和弯曲抗拉强度，fy为钢筋屈服强度。

图1 钢筋CASC柱的配筋Fig.1 Steel details of reinforced CASC column

表1 钢筋CASC柱的基本参数Table 1 Basic parameters of reinforced CASC column

1.2 测试方法

参照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152-2012)进行，试验装置见图2。采用DH3818-2型静态应变仪、200 t荷载传感器和SW-LW-201型裂缝观测仪对试验过程中应变、应力和裂缝宽度进行采集。对于轴心受压试验(图2(a))：在试验机加载板布置1个和柱侧面布置2个YWC-50型位移传感器测量柱的轴/侧向变形，在每根纵筋跨中位置粘贴2片钢筋应变片测量钢筋应变，在柱的2个相邻侧面粘贴横向、纵向混凝土应变片各1片测量混凝土应变。对于偏心受压试验(图2(b))：在千斤顶上布置1个和受拉侧布置5个YWC-50型位移传感器测量柱的轴/侧向变形，其余应变片粘贴方式与轴心受压试验一致。

2 结果与讨论

2.1 破坏特征

图3为钢筋CASC柱的裂缝展开图(最终状态)。由图可知：1) 轴心受压(见图3(c))，当荷载较小时，钢筋CASC柱处于弹性状态，此时钢筋和混凝土的应变基本一致。随着荷载增大，初期钢筋和混凝土的应变均逐渐增加；后期在柱端部出现数条竖向裂缝，且逐渐向柱的中部延伸，裂缝宽度不断增加；最后出现一条宽度较大的纵向劈裂裂缝，其端部混凝土被压碎，钢筋屈服，钢筋CASC柱破坏。2) 偏心受压：当荷载较小时，钢筋CASC柱的小/大偏心受压的受力特点与轴心受压一致。随着荷载增大，在柱的受拉侧出现数条横向裂缝，且逐渐向柱的受压侧延伸，裂缝宽度不断增加。继续增大荷载，之后小/大偏心表现出不同的破坏特征：对于小偏心受压(见图3(d))，钢筋CASC柱因受压侧混凝土被压碎而破坏，受压侧纵向钢筋发生屈服，而受拉侧纵向钢筋未发生屈服；对于大偏心受压(见图3(a)、(b))，受拉侧纵向钢筋发生屈服，随后受压侧混凝土被压碎而破坏，在受拉侧有一条裂缝宽度较大的混凝土横向裂缝。

图2 钢筋CASC柱的加载装置Fig.2 Loading devices of reinforced CASC column

图3 钢筋CASC柱的裂缝展开图Fig.3 Crack developments of reinforced CASC column

2.2 承载力分析

2.2.1 不同因素的影响

图4为不同钢筋CASC柱的Nu。由图可知：1) CL5-1、CL5-2、CL6-1和CL6-2的Nu分别为720、700、650和570 kN，即相同ei(170 mm)下，普钢钢筋CASC柱(CL5)的Nu比有机新涂层钢筋CASC柱(CL6)高7.7%～26.3%。主要是由于：在受力作用时，CASC与涂层钢筋之间发生滑移，其粘结力降低，Nu减小。2) CL6-1、CL6-2、CA7-1、CA7-2、CS8-1和CS8-2的Nu分别为650、570、810、1 900、1 540和1 550 kN。表明对于C60钢筋CASC柱，当ei由0 mm增大到70 mm时，Nu下降幅度约为18.7%，当ei由70 mm增大到170 mm时，Nu下降幅度约为60.5%。即相同混凝土强度下，随着ei增大，其Nu大致呈非线性减小的规律。

2.2.2 承载力计算模型

1)轴心受压。

不同规范中轴心受压钢筋混凝土柱的Nu计算公式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：φ为稳定系数，对于GB 50010-2010、JGJ 12-2006和ACI 318-1999，φ分别取1、0.97和0.7；fc为混凝土轴心抗压强度，MPa；fy′为钢筋抗压强度，MPa；A为柱截面面积，mm2；As′为受压区钢筋截面面积，mm2；β2、β3分别为应力、高度系数；γ为强度差异系数，取0.85。

图4 不同钢筋CASC柱的NuFig.4 Nu of different reinforced CASC column

表2 轴心受压钢筋CASC柱的NuTable 2 Nu of reinforced CASC column under axial compression

2)小轴心受压。

不同规范中小偏心受压钢筋混凝土柱的Nu计算公式为：

①GB 50010-2010：

(5)

②JGJ 12-2006：

(6)

③EN-1992：

(7)

④ACI 318-1999：

(8)

式中：α1为应力图系数，取0.975；x为受压区高度，mm；σs为钢筋应力，MPa；fy′为钢筋抗压强度，MPa；As、As′为受拉、压区钢筋截面面积，mm2；e为偏心距，mm；h0为截面有效高度，mm；β为拟合系数；fcm为混凝土弯曲抗压强度，MPa；d为截面有效高度，mm。

3)大轴心受压。

不同规范中大偏心受压钢筋混凝土柱的Nu计算公式为：

①GB 50010-2010：

(9)

表3 小偏心受压钢筋CASC柱的NuTable 3 Nu of reinforced CASC column under small eccentric compression

②JGJ 12-2006：

(10)

③EN-1992：

(11)

④ACI 318-1999：

表4 大偏心受压钢筋CASC柱的NuTable 4 Nu of reinforced CASC column under large eccentric compression

2.2.3 模型优化

基于上述研究发现，GB 50010-2010、JGJ 12-2006、EN-1992和ACI318-1999中钢筋混凝土柱的Nu计算模型不适用于钢筋CASC柱。这主要是由于：CASC中含有大量的Cl-，以及珊瑚骨料多孔的结构“缺陷”，使得构件中钢筋极易锈蚀，减小钢筋的有效截面和降低钢筋强度，影响CASC结构的承载能力[5,17]；对于暴露240 d的CASC，其内部普通钢筋已发生严重锈蚀，而有机新涂层钢筋未发生大面积锈蚀，表现出较好的耐蚀性(见图5)；在受力作用时，涂层钢筋与混凝土之间易发生粘结滑移，粘结力降低，构件Nu减小。然而，上述规范均未考虑钢筋锈蚀和钢筋粘结滑移影响。