楊艷敏 姚 巍

(1:吉林建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118;2:長(zhǎng)春市希望建設(shè)項(xiàng)目管理咨詢有限公司，長(zhǎng)春 130012)

0 引言

全輕混凝土粗、細(xì)骨料由頁巖陶粒及陶砂組成，其表觀密度為1 150 kg/m3～1 350 kg/m3，比普通輕骨料混凝土低600 kg/m3.由于全輕混凝土取代了苯板等高效有機(jī)保溫材料，實(shí)現(xiàn)了建筑物的無機(jī)化、低碳化，形成結(jié)構(gòu)自身固有的保溫性能.因此，利用全輕混凝土輕質(zhì)、節(jié)能的突出特點(diǎn)，若同時(shí)可作為結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件，將具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景.目前，文獻(xiàn)以輕骨料混凝土剪力墻研究居多，我國將全輕混凝土作為結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件的研究甚少，而偏心受壓構(gòu)件的受力狀態(tài)較復(fù)雜［1］，為將全輕混凝土偏心受壓柱有效地應(yīng)用于實(shí)際工程，本文設(shè)計(jì)了6根偏心受壓柱，通過對(duì)比試驗(yàn)，研究全輕混凝土偏心受壓柱的工作性能，并應(yīng)用現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算其安全儲(chǔ)備能力，為進(jìn)一步研究全輕混凝土偏心受壓構(gòu)件的抗震性能奠定了基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

為研究全輕混凝土對(duì)稱配筋偏心受壓柱的抗壓性能，試件設(shè)計(jì)綜合考慮了偏心距、縱筋配筋率、配箍率等影響因素.共設(shè)計(jì)偏心柱6根，相同配筋柱按偏心距不同各制作2個(gè)試件.試件設(shè)計(jì)高度取1.5 m，柱截面尺寸如圖1所示.同時(shí)，為了防止構(gòu)件端部局部承壓破壞，在構(gòu)件端部各設(shè)鋼筋網(wǎng)片3排，間距60 mm［2］，并且加強(qiáng)牛腿構(gòu)造以防止局部破壞.試件相關(guān)參數(shù)見表1.

表1 試件相關(guān)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案及破壞形態(tài)

加載設(shè)備應(yīng)用5 000 kN長(zhǎng)柱液壓試驗(yàn)機(jī)，柱底和柱端設(shè)置鉸支座.加載制度采用單調(diào)靜力荷載試驗(yàn)，按一定加載級(jí)距分級(jí)加荷，直至構(gòu)件破壞為止［3］.為了量測(cè)偏心柱在各級(jí)荷載下的側(cè)向位移、應(yīng)力變化規(guī)律及裂縫開展情況，位移及應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示.

以Z 1，Z 4為例，其破壞形態(tài)如圖3，圖4.小偏壓構(gòu)件Z 1，Z 3，Z 5表現(xiàn)出共同的特點(diǎn):隨著荷載的增大，截面受壓區(qū)混凝土和鋼筋的受力較大，受拉側(cè)鋼筋應(yīng)力較小.在加載后期，受壓區(qū)裂縫較少，且開展較慢，當(dāng)受壓鋼筋屈服且受壓區(qū)出現(xiàn)縱向裂縫，并伴有突然的豎向裂縫出現(xiàn)，直至受壓區(qū)混凝土被壓碎，保護(hù)層脫落，而受拉鋼筋尚未屈服.

Z 2，Z 4，Z 6表現(xiàn)出大偏壓特點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到開裂荷載時(shí)，首先在受拉邊出現(xiàn)2～5條水平裂縫，初始裂縫寬度均在0.01 mm～0.02 mm之間，長(zhǎng)度均在1.5 cm～5 cm之間.當(dāng)軸力N繼續(xù)增大時(shí)，受拉邊裂縫數(shù)量增多，裂縫基本等間距出現(xiàn)，與受拉鋼筋的軸線垂直相交，并且新裂縫一旦出現(xiàn)即有一定的高度，達(dá)到截面高度的1/3，形成一條或幾條主要水平裂縫.裂縫截面處受拉鋼筋屈服，最后受壓區(qū)混凝土被壓碎，構(gòu)件達(dá)到極限承載力.

圖1 柱截面尺寸(單位:mm)

圖2 偏壓柱測(cè)點(diǎn)布置

圖3 Z 1受壓破壞形態(tài)

圖4 Z 4受拉破壞形態(tài)

2 理論計(jì)算

中國現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定偏心受壓構(gòu)件的承載力是采用材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按等效矩形方法進(jìn)行計(jì)算［4］，等效矩形應(yīng)力圖系數(shù)(α，β1、穩(wěn)定系數(shù)φ按照《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ12-2006)［5］取用.計(jì)算時(shí)做以下假定:鋼筋和輕骨料混凝土間無滑移;不考慮受拉區(qū)輕骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度;可忽略輕骨料混凝土收縮、徐變和溫濕度變化引起的內(nèi)應(yīng)力和變形［6］.矩形截面全輕混凝土偏心受壓構(gòu)件，其正截面承載力計(jì)算按國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行［5］.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 承載力

偏壓柱承載力檢驗(yàn)系數(shù)實(shí)測(cè)值見表2，規(guī)范規(guī)定大、小偏壓構(gòu)件承載力檢驗(yàn)系數(shù)允許值為1.25，1.45，均達(dá)到或高于規(guī)范要求，表明按現(xiàn)有理論進(jìn)行計(jì)算，具有足夠的安全儲(chǔ)備.并且小偏壓構(gòu)件檢驗(yàn)系數(shù)高于大偏壓構(gòu)件，由于小偏壓構(gòu)件承載力主要取決壓區(qū)混凝土和受壓鋼筋;相同偏心距、相同配箍率，配筋率大的承載力高，如Z3承載力高于Z1;相同配筋、相同配箍的偏壓柱其受拉破壞承載力明顯低于受壓破壞承載力，Z2，Z 4，Z 6承載力均低于其對(duì)應(yīng)配筋的Z 1，Z 3，Z 5.

表2 承載力實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值比較

3.2 荷載-位移曲線

偏壓柱荷載-位移曲線如圖5所示.受拉破壞(大偏壓)具有明顯預(yù)兆，變形能力較大，試驗(yàn)柱在受拉區(qū)混凝土開裂之前(N＜Ncr)基本處于彈性工作狀態(tài).混凝土開裂后，荷載-側(cè)向位移曲線斜率降低，構(gòu)件塑性變形不斷增加，截面剛度降低，荷載與位移非線性越來越明顯，直到試件突然破壞.從側(cè)向位移變化、裂縫發(fā)展可知，受壓破壞(小偏壓)沒有有明顯預(yù)兆，屬脆性破壞，側(cè)向位移較小，相同配筋、不同偏心距其最大位移差別明顯，小偏心柱側(cè)向位移低于相同配筋的大偏心柱，全輕混凝土位移曲線與普通鋼筋混凝土柱相似.

圖5 全輕混凝土柱荷載-位移曲線

3.3 荷載-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)為了驗(yàn)證平截面假定和測(cè)量柱中間截面不同荷載下的混凝土應(yīng)變分布情況，全輕混凝土柱正截面共布置5個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，受拉區(qū)外邊緣為測(cè)點(diǎn)1，依次排序，受壓區(qū)為測(cè)點(diǎn)5，以Z3，Z4為例，繪制相同配筋、不同破壞形態(tài)的荷載-應(yīng)變曲線如圖6.Z3為小偏壓破壞，由圖可知，當(dāng)荷載達(dá)到60kN.M時(shí)，受壓區(qū)混凝土局部塑性變形迅速發(fā)展，最大壓應(yīng)變達(dá)990με，而受拉區(qū)混凝土最大應(yīng)變198με.當(dāng)Z3荷載達(dá)到315KN.M時(shí)，測(cè)點(diǎn)4發(fā)生轉(zhuǎn)折，從受壓向受拉趨勢(shì)發(fā)展，測(cè)點(diǎn)5荷載達(dá)到330kN.M時(shí)開始轉(zhuǎn)折，表明中和軸逐漸上移，當(dāng)荷載達(dá)到358.5kN.M，Z3達(dá)極限承載力.Z4為大偏壓破壞，當(dāng)荷載達(dá)到123.75kN.M時(shí)，拉區(qū)應(yīng)變比Z3增長(zhǎng)加快，表明大偏壓柱開裂后拉區(qū)混凝土比小偏壓柱變形大，當(dāng)荷載達(dá)到191.25kN.M時(shí)，測(cè)點(diǎn)3，4，5依次發(fā)生轉(zhuǎn)折，中和軸逐漸上移，隨著縱向壓力N的逐漸增加主裂縫逐漸明顯，當(dāng)受拉鋼筋屈服后，受拉變形的發(fā)展大于受壓變形，當(dāng)荷載達(dá)到329.4kN.M，壓區(qū)混凝土局部壓碎，構(gòu)件達(dá)到極限承載力.由Z3，Z4的荷載-應(yīng)變曲線表明全輕混凝土大偏壓柱的變形能力高于小偏壓柱，而且大偏壓構(gòu)件壓區(qū)混凝土轉(zhuǎn)折點(diǎn)均低于小偏壓構(gòu)件.圖7為Z3在不同彎矩作用下的截面應(yīng)變分布圖，由圖可見，小偏壓柱的中和軸略有移動(dòng)，應(yīng)變隨截面高度的變化基本呈線性規(guī)律，符合平截面假定.

圖6 荷載-應(yīng)變曲線

圖7 Z 3截面應(yīng)變分布圖

4 結(jié)論

(1)6根全輕混凝土試驗(yàn)柱均為單向偏心受壓柱，結(jié)果表明:對(duì)稱配筋偏心受壓柱，其破壞特征、撓曲模式與普通混凝土柱基本一致，而且具有足夠的安全儲(chǔ)備;

(2)全輕混凝土偏心受壓構(gòu)件的破壞形態(tài)與偏心距e0的大小和縱向鋼筋的配筋率有關(guān)，破壞形態(tài)判別與普通混凝土柱相同;

(3)全輕混凝土構(gòu)件能較好地符合平截面假定，混凝土極限壓應(yīng)變隨著配筋率提高而增大，隨混凝土強(qiáng)度提高而減小;

(4)試驗(yàn)表明，全輕混凝土偏心受壓柱的承載力隨著配筋率的增加而提高;

(5)全輕混凝土材料在全過程試驗(yàn)中性能穩(wěn)定，構(gòu)件延性好，可作為結(jié)構(gòu)材料替代普通混凝土.

［1］盧成原，王李娜.混凝土受壓構(gòu)件的力學(xué)行為及設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(6):332-337.

［2］王命平，耿樹江，江 濤.HRBF500鋼筋混凝土偏心受壓柱承載力的試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2009(11):17.

［3］劉 明.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)［M］.北京:高等教育出版社，2008:69-76.

［4］葉列平，宋世研.中、美規(guī)范中受壓構(gòu)件的正截面承載力計(jì)算［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008(6):56-62.

［5］中華人民共和國建設(shè)部.輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ12-2006)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［6］劉曉紅.輕骨料混凝土受壓構(gòu)件偏心距增大系數(shù)的計(jì)算［J］.四川建筑科學(xué)研究，2008(10):59-61.