大尺寸钢筋高强混凝土柱的轴心受压性能.pdf

第 43 卷 第 5 期 2013 年 3 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 5 Mar 2013 大尺寸钢筋高强混凝土柱的轴心受压性能 * 符佳， 杜修力， 张建伟 ( 北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124) 摘要钢筋混凝土构件存在尺寸效应现象， 为了解大尺寸钢筋高强混凝土柱的轴心受压性能及其尺寸效应规 律， 使用 40 000kN 多功能压力机进行不同几何尺寸和不同配箍率的钢筋高强混凝土柱轴心受压性能试验。在试 验基础上， 对比分析了不同几何尺寸、 不同配箍率的各试件破坏特征、 极限承载力和变形。结果表明， 大尺寸钢筋 高强混凝土柱轴心受压承载力具有一定的尺寸效应， 变形能力尺寸效应明显， 配箍率对其承载力及变形能力存在 不同程度的影响。 关键词钢筋高强混凝土柱;配箍率;轴心受压性能;尺寸效应;单调加载试验 中图分类号: TU398. 7文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 05- 0077- 05 Mechanical properties of large- size high- strength reinforced concrete columns under axial compression Fu Jia，Du Xiuli，Zhang Jianwei ( Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education， Beijing University of Technology，Beijing 100124，China) Abstract: In order to reveal the size effect law and the axial compression performance of large-size high-strength reinforced concrete columns，axial compression experiments of high-strength reinforced concrete columns with different geometric dimensions and stirrup ratio were carried out under 40 000kN multi-function press Based on the experiments，the failure characteristic，the ultimate bearing capacity and the deformation of large-size high-strength reinforced concrete with different geometric dimensions and stirrup ratio were obtained The results show that as to high-strength reinforced concrete columns with stirrups under axial loading，size effect exists in maximum carrying capacity and deformation capacity Stirrup ratio has varying degrees of impact on maximum carrying capacity and deformation capacity Keywords: high-strength reinforced concrete column;stirrup ratio;axial compression performance;size effect;monotonic loading test * 国家自然科学基金重点项目( 50838001) ， 北京市优秀人才培养项 目( 20081D051500182) ， 北京市高校中青年骨干人才培养计划资助 项目( PHR201108009) 作者简介: 符佳， 博士研究生， Email: grace516 emails bjut cn。 0引言 钢筋混凝土柱是钢筋混凝土结构最基本的竖向 承重构件， 随着近年来超高层建筑和大跨度建筑、 桥 梁的剧增， 钢筋混凝土柱的截面尺寸越来越大， 混凝 土强度越来越高。试验及工程实践证实混凝土材料 本身具有明显的尺寸效应 1- 5。同时， 由于纵筋、 箍 筋的存在， 钢筋混凝土柱还可能存在构件层次的尺 寸效应。受试验条件的限制， 已有钢筋混凝土柱尺 寸效应试验研究和数值模拟 6- 10， 其截面尺寸主要 集中在 300mm 以下的小尺寸试件， 未能对符合工程 实际的大尺寸钢筋混凝土柱展开研究。本文在文献 10 普通强度混凝土柱轴压性能尺寸效应试验研 究基础上， 进行大尺寸钢筋高强混凝土柱轴心受压 性能的试验研究， 揭示其尺寸效应规律。 1试验概况 1. 1 试件设计 设计 2 组钢筋混凝土柱， 其纵筋配筋率均为 1. 5% ， 体积配箍率分别为 0. 65% 和 1. 20% ， 每组试 件按几何相似关系设计 4 种不同截面尺寸， 试件编 号以 NM 系列和 MS 系列区分不同配箍率试件， 同 一设计参数的试件制作 2 个， 具体设计参数及编号 见表 1。箍筋为 HPB235 级钢筋， 同一系列中， 由于 试件尺寸和纵筋常用直径的限制， 配箍形式不能完 全一致， 但其体积配箍率保持一致。试件 NM800， NM600， NM400， MS800， MS600 和 MS400 的纵筋采 用 HRB335 级钢筋， 试件 NM200 和 MS200 的纵筋按 等强度设计原则采用 HRB400 级钢筋， 钢筋的材料 力学性能实测值列于表 2。各试件的配筋情况见图 1。混凝土设计等级为 C65， 骨料最大粒径 25mm。 试件制作完成 8 个月后进行试验， 其同条件混凝土 立方体抗压强度实测值为 65. 8MPa， 棱柱体抗压强 度实测值为 45. 5MPa， 峰值压应变为2 530。 1. 2 测试方案 试验采用北京工业大学工程结构实验中心的竖 建筑结构2013 年 试件设计参数及极限承载力实测值和计算值的比较表 1 试件编号 设计 相似比 实测截面尺寸 /mm 配箍率 /% 保护层厚度 /mm 极限承载力 实测值 /kN 极限承载力 计算值 /kN 极限承载力 相对误差 /% 相对误差均值 /% NM800- 14804 8050. 654037 881. 828 949. 2 24 17. 5 NM800- 24800 8000. 654032 241. 428 818. 2 11 NM600- 13602 6020. 663020 229. 316 283. 2 20 23. 5 NM600- 23604 6030. 663022 409. 016 332. 3 27 NM400- 12403 4030. 65209 038. 57 482. 9 17 22. 5 NM400- 22403 4030. 652010 335. 27 482. 9 28 NM200- 11200 2000. 66102 178. 81 830. 6 16 13. 5 NM200- 21200 2000. 66102 061. 21 830. 6 11 MS800- 14799 8031. 204038 966. 828 883. 6 26 25. 0 MS800- 24803 8061. 204038 391. 529 113. 8 24 MS600- 13608 6031. 203023 819. 416 505. 3 31 31. 5 MS600- 23600 6001. 203023 988. 916 234. 1 32 MS400- 12402 4001. 202010 947. 77 466. 5 32 29. 5 MS400- 22401 4011. 202010 270. 57 466. 6 27 MS200- 11200 2001. 20102 359. 11 871. 6 21 20. 0 MS200- 21200 2001. 20102 305. 21 871. 6 19 钢筋材料力学性能实测值表 2 直径 /mm 钢筋 等级 使用 位置 屈服强 度 /MPa 极限强 度 /MPa 屈服应 变 / 断后伸 长率 /% 12HRB335纵筋4755232 39213. 7 14HRB335纵筋3765561 90226. 3 18HRB335纵筋3465161 70828. 3 20HRB335纵筋3585281 85129. 8 22HRB335纵筋3835831 98829. 0 25HRB335纵筋3455391 76730. 4 6HRB400纵筋5236562 61619. 8 8HRB400纵筋5577232 91615. 0 48 号铁丝 箍筋4334742 06113. 1 6HPB235箍筋5415902 57612. 8 8HPB235箍筋4545062 16320. 8 10HPB235箍筋4544902 16317. 6 向 40 000kN 多功能电液伺服加载系统进行加载， 加 载方式为单调加载。试验加载装置及位移计布置见 图 2。 试验先进行预加载， 在检查试件安装和仪表工 作正常后正式加载， 加载前期采用荷载控制方法进 行加载， 实时监测试件位移发展， 当位移发展出现明 显塑性后， 转变为位移控制加载， 直到试件丧失承载 力， 试验结束。 2试验结果 2. 1 破坏特征 各试件破坏照片见图 3。加载初期随着荷载的 增加， 试件端部的角部出现细微纵向裂纹， 但发展不 大， 对试件的破坏形态影响不明显。加载接近峰值 荷载时， 各试件中段范围内出现纵向、 斜向裂缝， 其 数量、 长度与宽度快速增长， 形成裂缝集中发展区。 集中发展区中纵向裂缝迅速延伸、 扩展、 上下贯通， 且纵向裂缝间出现横向裂缝并迅速发展， 纵横裂缝 逐渐连通， 形成贯通的斜向裂缝带， 与轴向约成 30 40角， 相应位置保护层不断剥落， 试件横向变形 明显增加。由于箍筋和纵筋的约束作用， 试件在承 载力大幅度下降后均没有发生整体坍塌。各试件最 终破坏时， 呈压剪破坏形态， 表现出一定的延性， 其 破坏区域均发生在上述裂缝集中发展区， 混凝土被 压碎， 纵 筋 屈 曲 外 鼓， 且 试 件 MS800- 1， MS400- 2， NM800- 2， NM400- 1， NM400- 2 的箍筋折角处有拉断 现象发生， 断口处有明显颈缩。破坏试验表明， 不同 几何尺寸试件的破坏特征无明显尺寸效应， 体积配 箍率为 0. 65% 和 1. 2% 的试件的破坏特征也没有明 显差别。 2. 2 承载力 各试件名义应力-应变关系曲线见图 4， 纵坐标 为截面平均应力， 横坐标为轴向应变平均值。各试 件曲线上升阶段的发展趋势大致相同: 刚开始加载 时， 应力-应变曲线近似直线， 试件刚度变化不大; 接 近峰值应力时， 应变发展快于应力发展， 试件表现出 明显的塑性， 而且配箍率不同的两组试件之间无明 显差异。 按现行混凝土结构设计规范 ( GB 50010 2010) 11( 简称混凝土规范) 中钢筋混凝土轴心受 压构件的正截面承载力公式和材料实测强度计算所 得的各试件极限承载力见表 1。 87 第 43 卷 第 5 期符佳， 等 大尺寸钢筋高强混凝土柱的轴心受压性能 图 1试件尺寸及配筋 图 2加载装置及量测系统 97 建筑结构2013 年 图 3各试件破坏照片 由表 1 可见， 按照混凝土规范计算的钢筋高强 混凝土柱的轴心受压极限承载力低于实测值， 设计 是可靠的。不同尺寸的试件， 其承载力存在一定的 尺寸效应， 对纵筋等级和配箍形式相同的中等几何 尺寸试件( 截面边长为 400， 600mm) 和大尺寸试件 ( 截面边长为 800mm) 进行比较， 2 组不同尺寸的中 等几何尺寸试件的设计计算可靠性相近， 大尺寸试 件的设计计算可靠性相对于中等几何尺寸试件明显 降低。随着试件配箍率的增大， 试件实际承载力高 于设计计算值的幅度增大， 设计计算的可靠性增大。 2. 3 轴向变形 各试件轴向变形能力用峰值荷载、 荷载下降至 峰值荷载的 85% 时的轴向平均应变来反映， 实测结 轴向平均压应变 /表 3 试件编号 peak0 85 试件 1试件 2 均值试件 1试件 2均值 NM- 800 2 208 1 861 2 035 2 985 3 742 3 364 NM- 600 2 384 2 086 2 235 3 048 3 048 NM- 400 2 805 2 733 2 769 5 274 4 087 4 680 NM- 200 2 867 3 225 3 046 4 408 4 408 MS- 800 2 666 2 628 2 647 3 544 3 403 3 473 MS- 600 2 961 2 681 2 821 4 243 4 234 4 239 MS- 400 2 825 3 093 2 959 3 428 4 759 4 094 MS- 200 3 699 3 941 3 820 5 272 5 980 5 626 果见表 3。其中， peak为峰值应变， 0. 85为荷载下降 至峰值荷载的 85% 时所对应的应变。由表 3 中列 出的峰值应变和表 2 中的纵筋屈服应变可知， 所有 试件在达到峰值荷载前， 纵筋已屈服， 符合混凝土规 范的设计要求。 各试件峰值应变随试件尺寸变化规律见图 5， 荷载下降至 85% 峰值荷载时各试件应变随尺寸变 化规律见图 6， 其纵坐标为设计相同的 2 个试件峰 值应变的平均值， 横轴为试件截面设计边长 d。 由图 5 可见， 钢筋高强混凝土柱轴心受压峰值 应变表现出明显的尺寸效应， 随着几何尺寸的增大， 峰值应变减小; 随着配箍率的增大， 峰值应变增大。 由图 6 可见， 荷载下降至峰值荷载的 85% 时， 钢筋 高强混凝土柱轴心受压应变与峰值应变同样表现出 明显的尺寸效应， 随着几何尺寸的增大而减小; 随着 配箍率的增大， 应变增大。 2. 4 抗压刚度 各试件的刚度退化规律曲线见图 7。图中横坐 标为加载过程中不同时刻的荷载与峰值荷载的比值 ( 峰值荷载倍数) ， 纵坐标为设计相同的 2 个试件抗 压刚度平均值与试件设计相似比的比值。图 7 所示 的 NM 和 MS 两系列试件刚度退化规律曲线表明， 不同几何尺寸试件的刚度退化过程相近， 无明显尺 08 第 43 卷 第 5 期符佳， 等 大尺寸钢筋高强混凝土柱的轴心受压性能 图 4应力-应变曲线 图 5各试件峰值应变均值变化规律 图 6 85% 峰值荷载时各试件 应变均值变化规律 图 7刚度退化规律 寸效应; 配箍率不同的两系列试件刚度退化规律相 近， 箍筋配箍率对其没有明显影响。 3结论 ( 1) 箍筋约束作用使钢筋高强混凝土柱轴心受 压破坏形态的尺寸效应不明显。 ( 2) 大尺寸钢筋高强混凝土柱轴心受压承载力 有一定的尺寸效应，而且峰值荷载后的承载力下降 过程中的尺寸效应明显，配箍率对该规律无明显的 影响。 ( 3) 大尺寸钢筋高强混凝土柱轴心受压的变形 能力相对于小尺寸试件要差， 具有明显的尺寸效应， 且随着配箍率的增大， 大尺寸钢筋高强混凝土柱轴 心受压的变形能力增大。 ( 4) 大尺寸钢筋高强混凝土柱轴心抗压刚度退 化规律尺寸效应不明显， 配箍率对其刚度退化规律 没有明显影响。 参考文献 1MAIHOTRA V M Are 4 8 inch concrete cylinders as good as 6 12 inch cylinders for quality control of concrete?J ACI Structural Journal，1976，73( 1) : 33- 36 2SABINS G M，MIRZA S MSize effects in model concreteJ Journal of the Structural Division，1979， 105( 6) : 1007- 1020 3LESSARD M，CHALLAL O，AITCIN P C Testing high strengthconcretecompressivestrength JACI Materials Journal，1993，90( 4) : 303- 308 4中国土木工程学会高强混凝土委员会 高强混凝土 结构设计与施工指南M 北京:中国建筑工业出 版社，l994 5黄煜镔 混凝土脆性与力学参数的尺寸效应及其相 互关系的研究D 重庆:重庆大学，2002 6BAZANT Z P，KWON Y WFailure of slender and stocky reinforced concrete columns:tests of size effect J Materials and Structures，1994，27 ( 166) :79- 90 7MICHELE B，BAZANT Z PSize effect in concrete columns:finite-element analysis with microplane model JJournal of Structural Engineering， 2001，127 ( 12) :1382- 1390 8NEMECEK J，BITTNAR Z Experimental investigation and numerical simulation of post-peak behavior and size effect of reinforced concrete columnsJ Materials and Structures/MateriauxetConstructions， 2004， 37 ( 267) :161- 169 9SENE S，BARR B I G，ABUSIAF H F Size effect in axially loaded reinforced concrete columnsJ Journal of Structural Engineering，2004，130( 4) :662- 670 10杜修力， 符佳， 张建伟 钢筋混凝土柱轴心受压性能 尺寸效应的大比尺试验研究J 土木工程学报， 2010， 43( S2) :1- 8 11GB 500102010 混凝土结构设计规范S 北京: 中国建筑工业出版社，2011 18