机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱偏心受压承载力研究.pdf

2 0 1 3 年 第 9 期 (总 第 2 8 7 期 ) N u mb e r 9 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 7 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE 0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 3 0 9 0 0 7 机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱偏心受压承载力研究 赵顺波 ，苏延峰 ，李长永，何伟 ( 华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ) 摘要 ： 介绍 了6根再生混凝土配筋柱的偏心受压静载试验结果 ， 再生混凝土的骨料由机制砂和废弃混凝土再生粗骨料组成 ， 初始偏心距为截面有效 高度的 0 4 4 倍 。 研究了长细比对柱的正截面应变分布、 钢筋和混凝土应变 、 侧向挠度、 破坏形态和极限承 载力的影响。 试验结果表明： 再生混凝土配筋柱的正截面平均应变分布符合平截面假定， 破坏时受压混凝土达到极限应变而压碎、 受 拉和受压钢筋均达到屈服强度 ， 可采用现行混凝土设计规范公式计算机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱的偏心受压承载力。 关键词： 配筋柱 ；再生混凝土 ；机制砂；再生粗骨料 ；长细比；应变 ；侧向挠度 ；承载力 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 0 2 6 0 3 R e s e a r c h o n e c c e n t r i c c o m p r e s s i v e r e s i s t a n c e o f r e i n f or c e d M S RAC c o l u m n s ZHAO Sh u nb o， SU Ya n f e n g， L1Ch a n g y o n g， HE We i ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d C o mm u n i c a t i o n ， No r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s and E l e c t r i c P o w e r ， Z h e n g z hou 4 5 0 0 1 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： I t i n t r od uc e s t he e x pe r i me n t a l s dt s o fthe s t a t i c e c c e n t r i c c o mp r e s s i v e l oa d i n g o n 6 r e i nf o r c e d M S RAC c o l u mns ， the a g g r e - g a t e s o f M S F AC c o mp ris e d the ma c h i ne - ma d e s an d an d the r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e the i n i tia l e c c e n t r i c d i s t a n c e e q u a l e d t o O4 4 t i me s o fthe e ffe c tiv e s e c t i o na l h e i g ht Th e s tra i n d i s tri b ut i o n o fno r ma l s e c t i o n， t he s tra i n s o fc o n c r e t e a nd s t e e l b a r s ， the t r ans ve r s a l d e fle c t i o n， t he f a i l u r e s t a t e and u l t i ma t e r e s i s t anc e o f t h e c o l u mn s a ffe c t e d b y the s l e n d e rne s s r a t i o we r e s t ud i e d Th e r e s ul t s s h o w tha t the s tra i n d i s t r i - b u t i o n o f n o r ma l s e c t i o n me t the p l an e s e c t i o n a s s u mp t i o n ， t h e c o mp r e s s i v e c o n c r e t e r e a c h e d the u l t i ma t e s t r a i n c o mp a n i e d wi th c r u s h f a i l - ur e ， t he t e n s i l e a n d c o mp r e s s i ve s t e e l bars r e a c h e d the y i e l d s tre n g t h， the e c c e n t r i c c o mp r e s s i v e r e s i s t an c e o f r e i nf o r c e d M S RAC c o l u mn c a n b e c a l c u l a t e d by the f o rm u l a s s pe c i f i e d i n c u r r e n t d e s i g n c o de f o r c o n c r e t e s t r u c t ur e s K e y w o r d s ： r e i n f o r c e d c o l u mn ； r e c y c l e d - c o n c r e t e ； ma c h i n e - ma d e s an d ； r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e ； s l e n d e r n e s s r a t i o； s t r a i n ； tran s v e r s a l d e fle c tio n； u l t i ma t e r e s i s t a nc e 0 引 言 随着我国环境保护和天然资源保护力度的加大和相关 制度的不断完善 ， 绿色混凝土技术得到了丰富和重视 ， 机制 砂作为天然砂的合理替代资源已经得到越来越广泛的工程 应用 ， 由建筑垃圾混凝土生产的再生粗骨料也得到了较多 的试验研究 1- 2 。 就再生骨料混凝土柱的承载力而言 ， 研究集 中在不同再生粗骨料取代率配制 的再 生混凝土柱 ， 采取与 同条件普通混凝土柱对比的试验研究方法， 计算需要的混 凝土轴心抗压强度则 由实测立方体抗压强度换算得 出3 - 7 。 为了深入研究新型绿色混凝土一 机制砂再生粗骨料混 凝土的结构性能 ， 本试验开展了机制砂再生粗骨料混凝土 配筋柱偏心受压承载力试验研究 。 1试 验 概 况 再生粗骨料来源于试验室废弃混凝土试件， 经过人工和 颚式破碎机破碎并筛分达到现行规范的技术要求。 混凝土 拌合用水量考虑再生粗骨料的吸水的附加用量 ， 配合 比为 水泥： 砂： 碎石： 拌合水： 附加水 = 3 6 6 7 ： 8 2 0 7 ： 1 0 8 6 2 ： 1 6 5 ： 5 3 3 ， 水泥为 P O 5 2 5 级水泥 ， 细骨料 为机制砂 ， 外加剂为聚羧 酸减水剂 。 本试验共设计 6 根机制砂再生骨料混凝土配筋柱 ， 截面 尺寸为 1 5 0 m m x 3 0 0 m m， 长度为 O 9 0 、 1 8 0 、 2 1 0 m。 纵向钢筋 为直径 1 2 m m 的 H R B 3 3 5 级钢筋 ， 实测屈服强度 4 2 0 MP a ， 弹性模量 2 0 1 0 MP a ， 箍筋为直径 8 m n l 的 H P B 2 3 5级钢 筋。 对称配筋 ， 混凝土保护层厚度 2 5 m m， 如 图 1 所示 。 混 凝土设计强度等级为 C 4 0 ， 与柱 同批浇筑并 同条件养护边 长 1 5 0 m m 的立方 体试块 及 1 5 0 m mx l 5 0 m mx 3 0 0 m m 棱 柱体试块测定混凝土的立方体和轴心抗压强度 、 劈裂抗拉 强度及弹性模量 ， 结果见表 1 。 试验按照 G B 5 0 1 5 2 -1 9 9 2 ( 混凝土结构试验方法标准 的规定执行嗍 。 试验量测 内容包括纵 向钢筋应变 、 涣 0 量段受 压区混凝土应变、 1 2 高度截面的混凝土应变、 裂缝宽度 以及 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 3 - 2 6 基金项目：河南省高校 生态 高性能建筑材 料重点实验室培育 基地资助项 目( 教科 外 2 0 0 9 1 6 0 9 - - ) ； 郑 州市科技 领军人才 培育计划 ( 0 9 6 S Y J H 2 3 1 0 5 ) ； 生态建筑材料与结构工程河南省高校科技创新团队支持计划( 1 3 I R T S T H N0 0 2 ) 2 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 也8 氢 图 1 构件几何尺寸和截面配筋( 单位： mm) 1 2高度截面的侧向位移 。 试验在 5 0 0 0 k N四柱液压试验机上进行 ， 加载装置及 主要测点见图2 。 加载前先进行几何对中， 然后预加载 5 k N， 安装位移计及连接应变片至应变仪， 检测试验装置。 正式加 载时实行分级加载 ， 每级持荷 8 rai n ， 每级加载值取极限承 载力计算值的 1 1 0 。 柱截面开裂前， 当荷载达到计算开裂荷 载的 6 0 以后 ， 每级按 1 0 k N加载， 注意观察柱受拉区裂 缝情况 。 柱截 面试件开裂 以后 ， 每级仍按极限承载力计算值 的 1 1 0 加载 。 当荷载达到极 限承载力的 9 0 以后 ， 每级加 载值取原来的 1 2 1 3 。 表 1 柱的几何尺寸和混凝土基本力学性能实测值 图 2 加载装置及测点布置图 2 试验结果及分析 2 1 混凝土应变分析 为 了验证平截面假定及测量柱 中截 面应 变随荷载 的 变化规律， 在柱 1 2 高度截面对称布置 4 个应变测点。 图3 为各试件 正截面混凝土应变与荷载的关系 曲线 ， 由图可 以 宣 量 褪 喧 辍 0 0 0 1 2 0 0 4 0 0 应 变 1 0 ( a ) RC1 一I 2 A 目 量 髓 挺 喧 辍 看出， 各试验柱中截面应变分布均符合平截面假定。 图 4给 出了各试件柱 中受压表面混凝 土的应 变与荷 载曲线 ， 其中 R C1 1 2 A、 R C1 1 2 B和 R C 3 。 1 2 B未能测得对 应破坏位置的应变 ， 数值在 0 0 0 2 1 0 0 0 2 6 之间 ； R C 2 1 2 A 的混凝 土最大压应 变对应 于破坏 状态 ， 达 到 了 0 0 0 3 4 ； R C 2 1 2 B和 R C 3 1 2 A均为破坏前一级荷载下的混凝土最 大应变 ， 且达到了0 0 0 3 。 因此， 综合考虑试验测试因素， 各 柱的混凝土极限压应变可达到现行混凝 土结构设计规范嘲 规定 的普通混凝土极限压应变值 0 0 0 3 3 。 2 2钢 筋 应 变 分析 图 5 为柱中钢筋的受拉和受压应变与荷载关系， 其中除 了 R C 1 1 2 A和 R C 1 1 2 B未能测得对应破坏位置的受拉最大 应变外( 数值为 0 0 0 1 5 和0 0 0 1 7 ) ， 其余柱在破坏或破坏前一 级荷 载时的钢 筋受拉 和受压应变均 达到或 超过 屈服应变 0 0 0 2 l o 因此， 柱中受拉和受压钢筋的立力均达到了屈服强度。 - -4 0 0 应变 1 0 ( b ) R C 2 1 2 A 图 3 柱 中截面混凝土应变曲线 2 3 侧 向挠度分析 表 2给出了各柱的 1 2 高度处侧向挠度的试验值与计 算值， 其中R C 1 1 2 B 、 R C 2 1 2 A的试验值对应于破坏荷载 ， 其余的试验值均对应于破坏前一级荷载 。 由于柱 在承受偏 心荷载时产生的侧向挠度会加大偏 心距 ， 因此规范规定采 吕 目 、 越 超 暄 辍 t 一8 0 0 0 8 0 0 1 6 0 0 应变 1 0 ( c ) RC 3 1 2 B 用偏心距增大系数计算附加偏心距 。 本文将此偏 心距增 大系数与试验初始偏心距相乘， 即得柱的侧向挠度计算值。 可以看出试验值与计算值具有良好的符合性。 2 4 破坏形态与承载力分析 柱 的受拉 区横 向裂缝在加载至破坏荷载 的 1 1 左右 27 鲞 一 加如 0加 舳加 加舳砷如 0 加印舳加 加舳们 0加 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 0 0 7 0 0 6 0 0 Z 5 0 0 铺 4 0 0 挺 3 0 0 2 0 0 1 O 0 0 1 0 0 0 20 0 0 3 0 0 0 40 0 0 应 变 1 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 Z 5 0 0 纛 4 o o 挺 3 0 0 2 0 0 1 0 0 O 应变 1 0 图 4 受压侧混凝土应变与荷载关系曲线 图 5 柱中钢筋应变与荷载关系曲线 表 2 柱的侧向挠度和承载力的试验与计算值 比较 时 出现 ， 随着荷载的增大而逐渐沿截 面高度发展 ， 裂缝宽 度和侧向挠度不断增大。 当荷载接近破坏荷载时 ， 受压区边 缘 出现交叉裂缝 ， 裂缝宽度和侧 向挠 度快速增大 ， 受压 区 混凝土被压碎 ， 柱达到极限承载状态。 随着柱的长细 比增大 ， 破坏时的最大裂缝宽度增大( 表 3 ) 。 表 3 柱破坏时的最大裂缝宽度 试件名称 最大裂缝宽度 r a m RC1 1 2 A RC1 1 2 B RC2 1 2 A RC2 1 2 B RC3 1 2 A RC3 1 2 B 1 O 6 1 1 2 2 4 2 3 2 7 2 8 柱破坏 时的受压 区外轮廓呈三角形且 混凝土压碎区 段较小 ， 具有 明显的大偏心受压破坏特征( 图 6 ) 。 以实测混凝土轴心抗压强度代人现行混凝土结构设计 规范中的偏心受压构件正截面承载力计算公式 ， 得到轴 向 压力计算值( 表 3 ) ， 试验值与计算值的平均值为 0 9 1 2 ， 标准 差为 0 0 4 1 。 考虑柱与试块混凝土强度离散性系数 O 8 8 后， 试验值与计算值的平均值为 1 0 3 7 。 因此， 机制砂再生粗骨 料 混凝土配筋柱 的正截面承载力可按现行混凝土结构设 计规范的相应公式计算 。 3结论 通过试验研究 了以机制砂 和再生粗骨料配制 的再生 混凝土配筋柱的正截面承载性能 ， 结果表明： 柱的正截面应变符合平截面假定， 混凝土受压应变达到 极限值而出现压碎状态， 受压和受拉钢筋均达到屈服应力状 态 ， 破坏前有明显征兆 ， 具有较明显的大偏心受压破坏特征。 柱 的正截面承载性能与普通钢筋混凝 土柱正截 面承 载力计算基本假定相符 ， 其试验值与采用现行混凝土结构 2 8 图 6 试件破坏形态 设计规范中偏心受压构件正截面承载力计算公式得到的 计算值具有良好的符合性。 参考文献： 1 】李凤兰 ， 朱倩 ， 徐阳洋 C 4 5 级原状机制砂混凝土试验研究 J 1 混 凝土， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 8 4 8 6 2 吕智英 混凝土再生骨料的研究动态与发展趋势f J I 混凝土， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 7 7 8 2 【 3 周静海， 于洪洋， 杨永生 再生混凝土大偏压长柱受力性能试 验 J 沈阳建筑大学学报： 自然科学版， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 2 ) ： 2 5 5 2 6 0 4 杜朝华， 郝彤 ， 赵临涛 再生混凝土柱受压性能研究【 J 】 工业建 筑 ， 2 0 1 2 ， 4 2 ( 4 ) ： 3 1 - 3 6 5 】肖建庄， 沈宏波， 黄运标 再生混凝土柱受压性能试验 J 1 _结构工 程师 ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 6 ) ： 7 3 7 7 【 6 】6 王乐天 ， 刘煦 ， 刘超 再生混凝土柱受压性能试验研究 【 J 】 混凝 土。 2 0 1 1 ( 7 ) ： 1 7 1 9 7 】 赵临涛， 郝彤， 杜朝华 再生骨料混凝土柱受压性能试验【 J J _混凝 土， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 8 0 8 4 8 】G B 5 O 1 5 2 9 2 ， 混凝土结构试验方法标准 S 1 9 9 G B 5 0 0 1 ( I- - - 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范【 s 】 1 o lI币 波 混凝土结构设计原理 M 1 上海： 同济大学出版社， 2 0 0 4 作者简介 ： 赵顺波( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 教授 ， 博士 ， 主要从事混凝土及其 结构设计理论研究。 联系地址： 关 N 市北环路 3 6 号 华北水利水电大学土木与交通学 院( 4 5 0 0 1 1 ) 联系电话 ： 0 3 7 1 6 9 1 2 7 3 7 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m