自密实微膨胀混凝土填充圆钢管约束钢筋混凝土柱轴压性能试验研究*

姜海波 李佳航 李军生 陈振侃 叶嘉政

(1.广东工业大学土木与交通工程学院, 广州 510006; 2.广州广明高速公路有限公司, 广州 511430; 3.广州交通投资集团有限公司营运分公司, 广州 511430)

0 引 言

改革开放以来,早年建成的桥梁已服役多年,其RC桥墩难免遭受疲劳及腐蚀耐久性[1-3]等问题。此外,随着国内交通量急剧增加,RC桥墩遭受车船撞击[4-6]的可能性进一步增大。因此,需要对功能退化或损伤的RC桥墩进行加固。

当今,常用的加固方法有增大截面法和粘钢法。然而,增大截面法对RC柱对承载力和延性的提升效果有限,而粘钢法存在胶层老化而失效的问题[7-8]。

钢套管加固法,即在原RC柱外面套上由两片半圆钢焊接而成的圆钢管,并在两者间的夹层(后文称之为填充层)灌注混凝土,从而形成钢套管加固柱。由于钢管的约束,原RC柱混凝土三向受压,混凝土的抗压强度和极限应变显著提高,即经过钢套管加固法加固后,RC柱承载力和延性显著提高。Hailil等比较了钢套管加固法、外包FRP加固法和增大截面加固法,结果[9]表明:钢套管加固法对RC柱承载力和延性的提升最显著。另外,填充层的存在,进一步减少了原RC柱和钢管间存在的脱空隐患[10-11],保证了钢套管加固柱复合性能的充分发挥。综上,钢套管加固柱是具有研究价值的。

填充混凝土作为原RC柱和新增钢管的连接媒介,其工作性能将对钢套管加固柱的轴压性能起重要作用。胡潇等采用细石混凝土作为填充材料,以保证填充层的填充密实[12];卢亦焱等采用自密实混凝土作为填充材料,利用自密实混凝土高流动、免振捣的优异工作性能,以实现浇筑的便捷[13-14];何岸等采用再生混凝土作为填充材料,以响应节能环保的时代要求,结果[15-16]表明:再生混凝土钢套管加固柱的抗压承载力略低于普通混凝土钢套管加固柱。

普通混凝土的早期收缩较为明显[17],若将其作为钢套管加固柱填充层的填充材料,可能会影响填充层与原RC柱、钢管的黏结。因此,有必要选择性能更加优异的填充材料。本文采用自密实微膨胀混凝土(SMC)作为填充层的填充材料,利用高效膨胀剂补偿收缩[18],更进一步确保了填充层与原RC柱、钢管的充分黏结。

既存RC桥墩加固前,由于承受各种荷载而存在一定的初始轴压力,本文参照文献[19-20]的做法,采用预应力后张法赋予原RC柱初始轴压力。

王玉虎等研究了加载方式对钢套管加固柱轴压性能的影响,结果[21]表明:加载方式的不同将影响钢套管加固柱的延性和刚度。结合RC桥墩加固背景,为避免RC桥墩加固后圆钢管和填充混凝土直接受荷而引起盖梁及承台内力的重分布,本文选择原RC柱截面作为直接加载区域。此外,部分研究学者提出了钢套管加固柱的轴压承载力预测公式[22-24]。然而,采用上述加载方式的钢套管加固柱的轴压承载力预测公式仍存空缺。

为深入研究SMCFCST约束柱的轴压性能,本文共制作了9个试件,并开展轴压试验。通过荷载-竖向变形曲线和荷载-钢管应变曲线等,对试件的峰值荷载和延性进行分析。最后,提出了SMCFCST约束柱的轴压承载力简便预测公式,为工程设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验共设计并制作了1个无约束RC柱和8个自密实微膨胀混凝土填充圆钢管约束RC柱(简称SMCFCST约束柱),共计9个试件。试验参数包括:钢管厚度,自密实微膨胀填充混凝土强度,填充混凝土类型和初始轴压力。试件参数汇总详见表1。

表1 试验参数及试验结果汇总Table 1 Summary of test parameters and test results

T为钢管厚度实测值;fcu为填充混凝土标准立方体抗压强度实测值;Npre为初始轴压力大小;Pue为试件峰值荷载试验值;ER为比例增强系数;DI为延性系数。

试件具体尺寸:RC柱直径d均取200 mm,试件高度h均取600 mm,填充层厚度t均取62.5 mm,钢管外径D均取325 mm。无约束RC柱和约束柱的长细比分别为3和1.85,均为短柱。RC柱中布置有6根直径为8 mm的HRB400纵向钢筋,直径为6 mm的HRB400箍筋按每隔120 mm等间距进行布置。另外,RC柱的中心预留了直径为50 mm的张拉孔道。加载过程中,放置在试件两端的高刚度钢块的外径、厚度和高度分别为200,40,140 mm。试件尺寸构造详见图1。

中小跨度RC桥墩恒载产生的轴压比约为0.10,因此,本文将RC柱初始轴压比设计为0.050、0.084和0.134,即RC柱初始轴压力分别设置为30,50,80 kN。

残差块中使用ReLU函数作为激活函数。与其它线性或非线性函数相比,ReLU函数仅需要设置阈值,表达能力更强,且处理方式简单。然而在训练网络时使用ReLU 激活函数,则非常容易导致训练中断,需要选用较小的网络学习率,但学习率过小则易使网络陷入局部最优。

a—RC柱钢筋配筋; b—RC柱构造; c—约束柱构造。图1 试件大样 mmFig.1 The details of specimens

为了便于描述,需要对试件进行统一编号:无约束RC柱编号为0-0-P80;对于SMCFCST约束柱,T2、T4和T6分别代表钢管厚度为2.50,3.75,5.75 mm;SMC40、SMC60、SMC80和SCC60分别代表设计强度为40,60,80 MPa的自密实微膨胀混凝土和设计强度为60 MPa的自密实混凝土;P30、P50和P80分别代表初始轴压力为30,50,80 kN。

1.2 试件制作

SMCFCST约束柱的制作方法大致可分为3个步骤:1)制作RC柱。绑扎钢筋,安装混凝土浇筑模板,浇筑混凝土并养护成型,待用。2)采用预应力后张法赋予RC柱初始轴压力。将一根直径为15.24 mm的高强钢绞线置于RC柱预留孔道中,锚固固定端,利用千斤顶进行分级张拉钢绞线,直至达到初始轴压力设计值并保持稳定。3)浇筑填充混凝土。将已赋予初始轴压力的RC柱置于带孔木底模框上,外套圆钢管,在新增钢管与原RC柱间的填充层浇筑混凝土,养护成型,待压。试件制作流程详见图2。

a—制作RC柱; b—赋予RC柱初始轴压力; c—浇筑填充混凝土。图2 试件制作流程Fig.2 Fabrication processes of specimens

1.3 材料性能

采用C40商品混凝土浇筑RC柱,C40商品混凝土的标准立方体28 d抗压强度为48.07 MPa,SMCFCST约束柱加载前测得其抗压强度为54.48 MPa。根据试验参数设计情况,采用不同强度或类型的混凝土浇筑不同试件的填充层,具体包括设计强度为40,60 ,80 MPa的SMC混凝土以及设计强度为60 MPa的SCC混凝土。参考GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》[25]规范,将限制膨胀率作为填充混凝土膨胀情况的评定指标。填充混凝土的配合比及材料性能详见表2和表3。钢材的材料性能详见表4。

表2 填充混凝土配合比Table 2 Mix proportions of filling concretes kg/m3

表3 填充混凝土材料性能Table 3 Material properties of filling concrete

表4 钢材材料性能Table 4 Material properties of steels

1.4 测试设备及方案

采用YAW-10000F液压伺服压力机加载试件。试件上下两端仅RC柱截面区域直接受压。在试件表面中高位置沿环向每隔90°布置应变片(共4组),分别用来测试轴向及环向的应变情况。另外,在加载台上围绕试件均布置4个轴向LVDT位移计,监测试件整体竖向变形。为了控制试件直接受压区域,同时解决RC柱两端突出的锚具对试件加载造成的困难,加载过程中,在试件两端放置了高刚度钢块。试验装置和测点布置详见图3。

试件加载共分为两个步骤:1)预加载。采用力控制的加载方式,施加30 kN压力,检查测点数据无误后,卸载。2)正式加载。采用0.3 mm/min等速率位移控制的加载方式,直至达到峰值荷载;继续加载,直至荷载下降到峰值荷载的85%左右,停止试验。

2 试验结果

2.1 试验现象

无约束RC柱的试验现象表现为:加载初期,荷载与竖向变形呈线性比例增长;当荷载增加至峰值荷载的90%左右,混凝土表面上部出现竖向裂缝且迅速向下发展;达到峰值荷载后,混凝土被压碎,钢筋裸露且弯曲明显,荷载迅速下降,无法继续承载。其破坏形态(试件0-0-P80)如图4a所示。

SMCFCST约束柱的试验现象表现为:加载初期,荷载与竖向变形呈线性比例增长;荷载接近峰值荷载时,填充混凝土顶面出现均匀分布的径向裂缝,呈“辐射状”;继续加载,荷载缓慢下降直至峰值荷载的85%左右后趋于平缓,此时,钢管外鼓,且上端鼓胀程度略大于下端,试件整体呈“倒圆台状”。这是因为试件加载端局部受压,在试件上端,局压力未扩散到钢管,即此处钢管对混凝土的约束作用难以发挥,混凝土受压沿径向向外挤压,使得此处钢管的变形更大。这一试验现象与钢管混凝土局部轴压试验的试验现象相似[26]。SMCFCST约束柱的破坏形态以试件T4-SMC60-P80为例,如图4b、4c所示。

a—0-0-P80主视; b—T4-SMC60-P80主视; c—T4-SMC60-P80俯视。图4 试件典型破坏形态Fig.4 Typical failure modes of specimens

2.2 峰值荷载分析

将试件的峰值荷载Pue进行汇总,详见表1和图5。从结果得知,SMCFCST约束柱的峰值荷载显著高于无约束RC柱。本文引用文献[27]中提到的比例增强系数ER定量分析各试验参数对SMCFCST约束柱峰值荷载的影响,其计算公式如下:

(1)

式中:Pue,cc为各SMCFCST柱的峰值荷载;Pue,rc为相应的无约束RC柱(试件0-0-P80)的峰值荷载。

将SMCFCST约束柱的ER计算结果汇总于表1。SMCFCST约束柱的ER的均值为1.547,即SMCFCST约束柱的峰值荷载显著高于无约束RC柱,即SMCFCST约束法可显著提高无约束RC柱的峰值荷载。分析各试验参数变化对SMCFCST约束柱的峰值荷载的影响。1)试件T2-SMC60-P80、T4-SMC60-P80和T6-SMC60-P80为钢管厚度组,峰值荷载分别提高了1.200、1.447和2.510倍。这表明SMCFCST约束可显著提高RC柱的峰值荷载。另外,SMCFCST约束柱的峰值荷载随着钢管厚度的增大而显著增大。2)试件T4-SMC40-P80、T4-SMC60-P80和T4-SMC80-P80为自密实微膨胀填充混凝土强度组,峰值荷载分别提高了1.373、1.447和1.466倍。这表明SMCFCST约束柱的峰值荷载随着自密实微膨胀填充混凝土强度的增大而小幅度提高。3)试件T4-SMC60-P80和T4-SCC60-P80为填充混凝土类型组,峰值荷载分别提高了1.447和1.449倍。这表明填充混凝土类型对SMCFCST约束柱的峰值荷载的影响不明显,填充混凝土主要起黏结和传力作用。这是因为加载过程中,填充混凝土同时受到RC柱混凝土径向挤压和钢管的约束,处于受压状态,即尽管采用收缩较明显的自密实混凝土作为填充层浇筑材料,也能保持其与钢管和RC柱表面的充分黏结。但为了减少加载前填充层出现脱空的可能性,仍推荐性能更为优异的自密实微膨胀混凝土作为填充层材料。4)试件T4-SMC60-P30、T4-SMC60-P50和T4-SMC60-P80为初始轴压力组,峰值荷载分别提高了1.477、1.452和1.447倍,这表明初始轴压力对SMCFCST约束柱的峰值荷载的影响也不明显。

图5 试件峰值荷载汇总Fig.5 Summary of the peak loads of specimens

2.3 延性分析

为了定量分析SMCFCST约束对RC柱延性的改善情况,本文引用文献[27]中提到的延性系数DI作为评定指标,其计算公式如下:

DI=δ0.85/δu

(2)

式中:δu为试件达到峰值荷载处相应的竖向变形;δ0.85为试件达到峰值荷载后,荷载下降到峰值荷载85%处相应的竖向变形。

汇总各试件的DI计算结果,详见表1和图6。因试件数量较少,且各试件的DI计算结果较为离散,故难以进行参数分析。从整体上看,无约束RC柱(试件0-0-P80)的DI为1.140;而SMCFCST约束柱的DI均超过2.500,均值为3.124,且最高可至3.972。这表明SMCFCST约束可显著提高RC柱的延性。

图6 试件DIFig.6 DI of specimens

2.4 荷载-竖向变形曲线分析

绘制试件的荷载-竖向变形曲线(P-Δ曲线),详见图7。通常,P-Δ曲线可分为弹性、弹塑性和破坏三阶段。图7a展示的是无约束RC柱(试件0-0-P80)的P-Δ曲线:弹性阶段,荷载与竖向变形呈线性比例增长;弹塑性阶段,荷载随着竖向变形的增大而呈非线性比例增长;破坏阶段,即达到峰值荷载后,荷载急剧下降,表明无约束RC柱延性差。图7b～e曲线展示的是各SMCFCST约束柱的P-Δ曲线:SMCFCST约束柱的P-Δ曲线在弹性阶段和弹塑性阶段的走势与无约束RC柱相似,但曲线明显延长,表明SMCFCST约束柱的峰值荷载显著高于无约束RC柱;达到破坏阶段后,荷载缓降,表明SMCFCST约束柱的延性好。也就是说,SMCFCST约束可显著提高RC柱的峰值荷载和延性。

a—无约束RC柱; b—钢管厚度组; c—自密实微膨胀填充混凝土强度组; d—填充混凝土类型组; e—初始轴压力组。图7 试件荷载-竖向变形曲线Fig.7 Relations between load and vertical deformation of specimens

图7b～e曲线反映了各试验参数变化对SMCFCST约束柱的轴压性能影响。1)图7b描绘了钢管厚度组的P-Δ曲线,随着钢管厚度的增大,SMCFCST约束柱的峰值荷载增大,且峰值荷载后平缓段越长。这表明钢管厚度越大,约束效果越佳。2)图7c描绘了自密实微膨胀填充混凝土强度组的P-Δ曲线,随着自密实微膨胀填充混凝土强度的提高,试件初始刚度和峰值荷载小幅度增大;3)图7d描绘了填充混凝土类型组的P-Δ曲线,试件T4-SMC60-P80和T4-SCC60-P80的P-Δ曲线几乎重合,表明填充混凝土类型对SMCFCST约束柱峰值荷载和延性的影响微弱。4)图7e描绘了初始轴压力组的P-Δ曲线,试件T4-SMC60-P80、T4-SMC60-P30和T4-SMC60-P50的P-Δ曲线几乎重合,表明初始轴压力大小对SMCFCST约束柱峰值荷载和延性的影响不明显。

2.5 荷载-钢管应变曲线分析

由前述可知,钢管约束可显著改善RC柱的力学性能。为研究SMCFCST约束柱加载过程中钢管的变形情况,现绘制SMCFCST约束柱的荷载-钢管应变曲线(P-ε曲线),详见图8。其中,εa代表钢管的轴向应变,εh代表钢管的环向应变。试件加载过程中,εa均为压应变,而εh均为拉应变。加载初期,试件处于弹性阶段,εa和εh均较小且增长缓慢,这表明钢管的约束作用在弹性阶段暂不明显;达到峰值荷载时,相应的钢管轴向应变在1 500×10-6～4 500×10-6范围内,而相应的钢管环向应变在1 000×10-6～2 000×10-6范围内,即钢管已屈服;继续加载,εa和εh应变迅速增大,即钢管的约束作用明显。最终,SMCFCST约束柱的P-ε曲线的形状均呈现“v”字形。

a—钢管厚度组; b—自密实微膨胀填充混凝土强度组; c—填充混凝土类型组; d—初始轴压力组。图8 SMCFCST约束柱荷载-钢管应变曲线Fig.8 Load-strain curves of steel tubes of SMCFCST confined columns

3 承载力分析计算

鉴于目前规范中并未提供自密实微膨胀混凝土填充圆钢管约束RC柱的轴压承载力计算公式,本文将GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》[28]中钢管混凝土柱的局部轴压承载力计算公式作为原型。另外,由试验结果可知,初始轴压力和填充混凝土类型对SMCFCST约束柱承载力的影响不明显,故本文公式计算忽略了初始轴压力和填充混凝土膨胀的影响。对GB 50936—2014规范相关公式进行修改,得到适用于SMCFCST约束柱的轴压承载力预测公式,如式(3)所示:

Puc=β[0.9Acffcf(1+αξ)]+Alfly

(3)

式中:Puc为峰值荷载预测值,kN;α为混凝土强度等级相关系数,按规范取值为2;β为局压系数;Al为纵筋的横截面面积,mm2;fly为纵筋的屈服强度,MPa;Acf、fcf、ξ分别为RC柱混凝土和填充混凝土的横截面总面积,mm2、组合轴心抗压强度,MPa和组合套箍系数,计算公式如式(4)所示:

(4a)

Acf=Ac+Af

(4b)

fcf=(Acfc+Afff)/Acf

(4c)

ξ=Asfy/(Acfc+Afff)

(4d)

式中:Ac、Af和As分别为RC柱混凝土、填充混凝土和钢管的横截面面积,mm2;fc、ff和fy分别为RC柱混凝土和填充混凝土的轴心抗压强度,以及钢管的屈服强度,MPa。

将式(3)计算得到的SMCFCST约束柱的轴压承载力预测值与试验值进行比较,详见表5和图9。可知:轴压承载力预测值与试验值比值(Puc/Pue)的平均值为0.956,标准差为0.064。除了试件T6-SMC60-P80和T4-SMC40-P80的轴压承载力预测值较为保守,其余试件的轴压承载力预测值与试验值间的相对误差均控制在10%以内,即吻合情况良好。因此,式(3)可作为自密实微膨胀混凝土填充圆钢管约束RC柱的轴压承载力简便预测公式,为实际工程提供参考。

表5 修正公式参数及预测结果汇总Table 5 Summary of modified formula parameters and prediction results

图9 承载力预测值和试验值对比Fig.9 Comparisons of the bearing capacity between predicted values and test data

4 结 论

本文开展了轴压试验,对自密实微膨胀混凝土填充圆钢管约束RC柱的轴压性能进行研究,可得到如下结论:

1)SMCFCST约束法可以显著提高RC柱的峰值荷载(ERmean=1.547)和延性(DImean=3.124)。随着钢管厚度的增大,SMCFCST约束柱的峰值荷载显著增大,即厚钢管的约束效果更佳。随着自密实微膨胀填充混凝土强度的提高,SMCFCST约束柱的峰值荷载小幅增大。填充混凝土类型和初始轴压力的变化对SMCFCST约束柱峰值荷载的影响不明显。

2)SMCFCST约束柱轴压过程中,钢管轴向应变均为压应变,而环向应变均为拉应变。加载初期,钢管轴向应变和环向应变均较小且增大缓慢;达到峰值荷载时,峰值处相应的钢管轴向应变约为1 500×10-6～4 500×10-6,而相应的钢管环向应变约为1 000×10-6～2 000×10-6;继续加载,钢管轴向应变和环向应变迅速增大。即在加载初期,SMCFCST约束柱的变形小,钢管暂未起明显的约束作用;荷载增加到峰值荷载附近时,钢管的约束作用逐渐显现,随后钢管屈服。此时,SMCFCST约束柱的试验现象表现为填充混凝土顶面出现均匀分布的径向裂缝,呈“辐射状”;钢管外鼓,且上端的外鼓程度略大于下端,SMCFCST约束柱呈“倒圆台状”。

3)修改GB 50936—2014规范中钢管混凝土柱的局部轴压承载力计算公式,得到了SMCFCST约束柱的轴压承载力简便预测公式。公式预测值与试验值比值的平均值为0.956,标准差为0.064,预测值与试验值间的相对误差几乎控制在10%以内,即本文提出的修改公式的精确性较好。