混凝土强度对混凝土柱延性的影响研究.pdf

蒋连接等： 混凝土强度对混凝土柱延性的影响研究 l 3 混凝土 强度对 混凝土柱 延性 的影响研 究 蒋连接 ， 陈建超 ， 郎龚 f 1 宿迁学院建筑工程系， 江苏宿迁2 2 3 8 0 0 ； 2 南京工程高等职业学校建筑工程系， 南京2 1 1 1 0 0 ) 【 摘要】 通过对高强混凝土柱和普通混凝土柱进行反复加载试验 ， 分析混凝土强度等级对钢筋混凝土柱 延性的影响规律。结果表明： 随着混凝土强度的提高， 混凝土构件破坏时脆性特征增强 ， 延性降低。 【 关键词】 高强混凝土 ； 破坏形态； 延性 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 7 - 0 0 1 3 0 3 高强混凝土抗压强度高， 在结构 中的使用能显著减小 钢筋混凝土柱的截面尺寸 ， 减轻结构 自重， 节约钢筋用量， 增大建筑使用面积 ， 有良好的经济效益和社会效益。高强 混凝土还因徐变小、 弹性模量高， 可以减小柱的压缩变形和 增加结构刚度。因此高强混凝土已经广泛应用于高层建筑 的下部柱中。但是， 随着混凝土强度的提高， 构件呈现愈益 严重的脆性破坏特征 ， 这与地震 区框架柱要具有 良好 的变 形能力相矛盾 ， 引起了人们对其用于抗震设 防区结构的担 心， 也给构件的抗震设计带来了问题 J 。为保证地震区高 强混凝土柱具有良好 的抗震性能， 在破坏以前有足够的变 形能力， 以吸收地震作用产生的能量， 必须保证其具有良好 的延性。本文通过对 3 根高强混凝土柱在单调荷载、 反复荷 载作用下的加载试验 ， 将其试验结果与普通混凝土柱做 比 较， 分析混凝土强度对钢筋混凝土柱延性的影响规律。 1 试验研 究 1 1 试件设计 高强混凝土柱： 该组试件为中国矿业大学结构实验室 原有的高强混凝土柱 ， 试件截面尺寸为 bh=1 5 0 ra m 1 6 0 ra m， 长 度为 1 5 0 0 ram， 试 件 中部 留有 端头， 其 尺寸 为 1 5 0 ra m x 1 6 0 ra m， 用于施加水平反复荷载。利用回弹法测定 混凝土强度等级为 C 5 0 ， 主筋采用直径 1 6 ra m的 H R B 3 3 5级 钢筋， 实测钢筋屈服强度为 3 5 9 2 7 N m m 2 ， 对称布置； 箍筋 为 1 0 0 。试件形状及配筋详见图 1 。 试 ( 丑 ) 试件形状和尺寸 截面配筋图 图1 试件外形和配筋 图 普通混凝土柱： 混凝土强度等级按 C 2 5设计 ， 混凝土保 基金项目 宿迁学院科研基金项 目资助( 2 0 1 l k y 2 3 ) 护层取 2 0 ra m， 平卧浇筑。主筋采用直径 1 6 m m的 H R B 3 3 5 级钢筋， 屈服强度为 3 5 4 2 6 N ra m ， 对称布置 ， 箍筋为 1 0 0 。试件形状及截面配筋同高强混凝土柱。 1 2 试件分组 本试验主要考虑下列 因素： 混凝土强度等级、 轴压 比、 加载方式。试件具体分组见表 1 。 表 1 钢筋混凝土柱试验分组 1 3 试验加载装置及量测内容 本试验在中国矿业大学结构试验室进行。将试件平放 在试验台座上， 十字端头部位垂直于试验台以方便加载， 试 件一端为固定铰支座， 另一端为滚动支座， 两支座 间长度为 1 3 0 0 ramo 试验中采用力 一位移混合控制加载制度 ： 先依据设计 轴压比确定并施加轴向力， 待轴向力稳定后再施加反复荷 载。试件屈服前采用力控制并分级加载 ， 每级荷载为 2 0 k N， 接近开裂和屈服前宜减小级差加载 ， 每级荷载反复一次； 试 件屈服后采用试件中部的位移控制 ， 位移应取屈服时试件 的最大位移值， 并以该位移的倍数为级差进行分级加载 ， 每 级循环一次， 直至试件破坏。试验中的测量内容有轴向荷 载、 反复荷载、 试件端部和中部位移值。 2 试验结果分析 2 1 破坏形态的比较 轴压比为 0 3的试件 G Z一1 、 G Z一 2 、 Z一1 破坏前受拉 区钢筋先屈服， 裂缝沿试件高度不断地延伸、 加宽 ， 最后受 压区混凝土被压碎， 均表现为延性较好的弯曲破坏， 见图 2 ， 混凝土强度的影响不明显； 随着轴压比提高 ， 试件的脆性增 强 ， 破坏形态随之改变， 但试件 z一 3仍具有一定的延性， 不 r _ 一 广_ 羽 1 4 低温建筑技术 2 0 1 1 年第7期( 总第 1 5 7期) 过试件 G Z一3 ， 由于较大的轴压力延迟了裂缝的出现和开 展 ， 裂缝分布也 比较稀疏； 临近破坏时， 试件的弯曲裂缝 、 弯 剪裂缝开展宽度并不大 ， 但剪切斜裂缝突然沿对角线贯通， 纵筋鼓 出， 混凝土保护层剥落， 试件达到极限抗剪强度， 瞬 间破坏， 同时伴随着巨大的响声， 承载力急剧下降， 呈现出 显著的脆性性质。在实际工程中， 试件 G Z一3的脆性破坏 形态要避免， 可以通过增加配箍率、 改变箍筋形式等约束核 心混凝土， 增强混凝土的强度和变形能力， 防止纵筋压屈 ， 从而起到增强构件的变形能力、 改善其延性的 目的。 一 试件G z l 试件Z 一 1 一 试件Z 一 2 圈 图2 各试件破坏形态 试件Gz 一 3 2 2 位移延性系数的计算 描述构件延性可用构件极限状态与屈服状态下曲率或 位移的比值来表示。本文采用位移 比值即位移延性系数 来度量构件的延性 ： =u Y 式中， 为试件中部的极限位移； 为试件中部的屈 服位移。本试验中试件的屈服位移、 极限位移按下列方法 确定 ： 屈服位移 ： 本文试件 G Z一1 、 G Z一 2 、 Z一1 、 z一2破坏时 均具有一定的延性， 取荷载 一位移曲线或骨架 曲线上有明 显转折且曲线变得比较平缓时的点为屈服点， 对应 的位移 为屈服位移； 试件 G Z一3的荷载 一位移曲线没有明显的屈 服点， 采用几何作图法确定屈服荷载和屈服位移 。 表 2 各试件的位移延性系数 件承载力开始急剧降低时的荷载所对应的位移值作为极限 位移。各试件的位移延性系数的计算结果如表2所示。 2 3 延性与混凝土强度的关系 图4为不同轴压 比时各试件的位移延性系数。 籁 掣 l 髻 l 轴压 比 图3 高强与普通混凝土构件的延性比较 从图3可以看出， 在轴压比相同或相近的条件下 ， 随着 混凝土强度等级的提高 ， 试件的位移延性系数降低， 延性逐 渐下降。混凝土强度对延性的影响主要体现在混凝土的极 限变形能力方面： ( I ) 随着混凝土强度的提高， 混凝土材料内部的孔隙 变得细小、 均匀， 孔隙体积缩小。这些变化在材料力学性能 上表现为高强混凝土受压时的应力 一应变图形明显地不同 于普通混凝土： 强度提高 ， 上升段的线性关系保持到较高的 应力水平 ， 与峰值应力相应的应变 增大， 但下降段陡峭 ， 极限压应变减小， 混凝土的极限变形能力降低 ， 延性变差。 ( 2 ) 混凝土的极限变形能力除与轴压比、 混凝土强度 有关外， 还与构件内箍筋的约束程度相关， 箍筋的约束作用 越强， 混凝土的极限变形能力越强 ， 构件的延性越好。随着 混凝土强度的提高， 高强混凝土试件在受压时的横向变形 能力比普通混凝土明显偏小 ， 从而使得箍筋的约束作用不 能充分发挥 ， 混凝土的变形能力下降， 延性变差。 因此 ， 随着混凝土强度的提高 ， 混凝土的极限变形能力 下降， 试件的延性降低。 3结语 本文通过对高强混凝土和普通混凝土柱的单调和反复 加载试验 ， 结合试验结果， 分析了两种构件因混凝土强度不 同所产生的破坏形态和延性上的差异。结果表明： ( 1 ) 高强混凝土柱的破坏形态与普通混凝土柱相 比： 轴压 比较小时， 试件均发生延性较好的弯曲破坏， 混凝土强 度影响不显著； 随着轴压比提高 ， 受压区混凝土的受压性能 逐渐起主要作用， 混凝土强度等级高的混凝土， 其极限压应 变降低， 导致试件破坏时的脆性性质比普通混凝土更明显。 ( 2 ) 混凝土强度是影 响构件延性的重要因素。随着 混凝土强度的提高， 混凝土的极限压应变减小 ， 同时高强混 凝土构件在受压时的横 向变形能力 比普通混凝土明显偏 小， 使得箍筋的约束作用不能充分发挥， 以上两种原因导致 高强混凝土构件的极限变形能力下降， 延性降低。 极限位移： 对于试件 G Z一1 、 G Z一2 Z一1 、 Z一2 ， 取荷载 一 位移骨架曲线下降段相应于 8 5 的极限荷载时所对应的 参考文献 位移值为极限位移； 对于发生脆性破坏的试件 G Z一 3， 取试 1 Wa n g Q i n g x i a n g ， Z h a o G u o f a n ， L i L i y a n D u c t i l i t y o f h i g h s t r e n g t h 沙克等： 预养时间对蒸养混凝土耐久性的影响 1 5 预养时间对蒸养混凝土耐久性的影响 沙克 ， 黄艳春 ( 1 哈尔滨市散装水泥办公室 。 哈尔滨1 5 0 0 0 6； 2 辽宁省建设科学研究院 ， 沈阳1 1 0 0 0 5) 【 摘要】 本文主要研究了蒸养制度中不同预养时间对混凝土抗冻 、 抗渗、 抗碳化等耐久性能的影响。结果 表明： 随着预养时间的延长， 蒸养混凝土的抗冻、 抗渗和抗碳化性能提高， 未经预养的蒸养混凝土， 各项性能大幅 度劣化 ， 而当预养时间延长至 6 h时， 接近于标养混凝土。 【 关键词】 预养时间； 蒸汽养护； 混凝土； 耐久性 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 1 5 0 2 我国一些交通基础设施常用的预制桥梁和铁路轨枕等 混凝土预制构件的工业化生产一般采用蒸汽养护 ， 使混凝 土在较短时间内获得较高的早期强度， 以达到缩短混凝土 脱模时间、 加快模具的周转速度、 缩短生产周期的 目的， 提 高经济和生产效益。但是， 蒸汽养护在提高混凝土早期水 化硬化速度的同时， 也会造成混凝土内部产生微裂纹和定 向空隙 ， 降低混凝土的后期强度和耐久性能“ 2 j 。Me h t a等 人调查旧金山湾 S a n Ma t e o 跨海大桥中受腐蚀的梁体时发 现， 水泥用量均为 3 7 0 k g m 的混凝土梁体， 部分在构件厂采 用蒸汽养护， 部分采用自然养护， 1 7年后蒸汽养护的梁已破 坏需要进行修补， 而自然养护的梁尚没有腐蚀迹象 J 。 合理的养护制度提高混凝土制品生产效率 ， 得到优质 产品的关键 。预养时间指从混凝土构件浇筑成型到加热升 温之前在常温下放置的时间， 是蒸汽养护过程中的第一步， 预养的目的在于使混凝土具备一定的初始结构强度， 增强 抵御蒸汽养护对结构破坏作用的能力， 预养时间的长短将 关系到混凝土初始结构强度的高低， 混凝土残余变形的大 小 ， 以及混凝土强度的发展和耐久性能 J 。因此， 本文从抗 冻性能、 抗氯离子渗透性能和抗碳化性能方面， 研究 了预养 时间对蒸养混凝土耐久性的影响。 1 原材 料及试验方法 试验采用 P0 4 2 5普通硅酸盐水泥； I 级粉煤灰； 中 砂 ， 细度模数 2 6 ； 52 0 ra m连续级配碎石 ； 萘系高效减水 剂 ， 减水率 2 0 。混凝土配合 比见表 1 。用于抗冻性能试验 的试件尺寸为 1 0 0 mm1 0 0 mm 4 0 0 m m， 用于抗氯离子渗透 试验的试件为直径 1 0 0 m m， 高度 5 0 ra m的圆柱体， 用于抗 碳化试验的试件尺寸为 1 0 0 m m1 0 0 mm1 0 0 m m。 预养时间分别采用 O h 、 2 h 、 4 h和6 h ， 其他条件均固定为 室温2 0 ， 相对湿度8 0 ， 升温 2 h ， 6 0 恒温8 h ， 降温2 h ， 蒸 汽养护完毕后立即脱模， 之后放置于标准养护室。用于抗 冻性能试验的试件养护至 2 4 d后泡水 4 d ， 采用快速冻融法， 测试其质量损失和相对动弹性模量； 用于抗渗性能和抗碳 化性能试验的试件均养护至2 8 d ， 采用电通量法测试其抗氯 离子渗透性能， 采用快速碳化法测试其碳化深度。 表 1 混凝土配合比 k g m 2 试验结果与分析 2 1 预养时间对混凝土抗冻性的影响 在寒冷地区， 混凝土常受到冻融破坏， 引起表层剥落， 甚至导致结构开裂 ， 严重威胁着混凝土的使用寿命 ， 试验研 究了标准养护以及经不同预养时间后蒸压养护混凝土的抗 冻性能， 试验结果见图 1 、 图2 。 由图1可见， 蒸养混凝土的相对动弹模量降低程度和质 量损失率均明显高于标养试件， 即标准养护混凝土试件的 抗冻性能优于蒸养混凝土； 随着预养时间的延长， 混凝土的 抗冻性能明显提高 ， 表现为在相同冻融循环次数下， 未预养 直接加热的混凝土经 2 0 0次冻融循环后 ， 相对动弹模开始快 re i n f o rc e d c o n c r e t e c o l u m n s J N u c l e a r E n g D e s i g n ， 1 9 9 5 ， 5 1 56： 758 1 2 S a l i m R ，R a z v i ， M u r a t S a c t c i o g l u S t r e n g t h a n d d e f o m a b i l i t y o f 6 c o n fi n e d h i g hs t r e n g t h c o n c r e t e c o l u m n s J A C I S t r u e t r a l ， 1 9 9 4， 9 1 ( 6 ) ： 6 0 6 8 3 F r e d e r i c L e g e r o n ，P a tr i c k P a u l t reB e h a v i o r o f h i g hs t re n gt h c o n c r e t e c du m n s u n d e r c y c l i c fl e x u r e a n d c o n s t a n t a x i a l 1 o a d J A C I S t r u c t u r a l J o u rna l ， 2 0 0 0 ( 89 ) ： 5 9 1 6 0 1 4 王清湘 赵国藩， 等 高强混凝土柱延性的试验研究 J 建筑 结构学报， 1 9 9 5 ， ( 8 ) ： 2 2 3 1 李立仁， 等低周反复荷载作用下高强混凝土柱受力性能的 试验研究 J 重庆建筑大学学报 ， 1 9 9 6 ， ( 1 2 ) ： 9 4 1 0 0 张国军， 白国良， 刘伯权， 陈秋艳高轴压比高强混凝土短柱 抗震性能试验研究 J 西安建筑科技大学学报， 2 0 0 3 ， ( 6 ) ： l 1 6 一l 1 9 收稿 日 期 2 0 1 1 0 3 0 7 作者简介 蒋连接( 1 9 8 3 一) ， 男 ， 江苏徐州人 ， 硕士， 讲师 ， 主 要从事混凝土结构耐久性方面的研究。