摘要：為了解高強(qiáng)混凝土柱小偏心受壓性能的尺寸效應(yīng)，進(jìn)行了3組不同幾何尺寸的高強(qiáng)混凝土柱小偏心受壓破壞試驗(yàn)，其截面幾何尺寸分別為200 mm×200 mm、400 mm×400 mm、800 mm×800 mm，對(duì)比分析了其破壞形態(tài)、承載力、變形能力及截面應(yīng)變分布規(guī)律，揭示了其尺寸效應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明，高強(qiáng)混凝土柱的小偏心受壓破壞形態(tài)和橫截面應(yīng)變分布規(guī)律基本相同，其尺寸效應(yīng)不明顯；高強(qiáng)混凝土柱的小偏心受壓承載力和變形能力存在明顯尺寸效應(yīng)，隨著截面尺寸的增大，其極限承載力的安全儲(chǔ)備量減小，變形能力減弱。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)混凝土；鋼筋混凝土柱，小偏心受壓；力學(xué)性能；尺寸效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2013）04-0001-06

混凝土作為土木、水利等工程結(jié)構(gòu)的主要材料，在工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。隨著工程結(jié)構(gòu)向大跨度、超高層及超大型方向發(fā)展，對(duì)混凝土性能提出了更高的要求。隨著水泥品種的改善以及外加劑的使用，工程中使用的混凝土強(qiáng)度越來(lái)越高?；炷翆儆跍?zhǔn)脆性材料的范疇，試驗(yàn)研究表明^[1-5]，試件尺寸對(duì)其強(qiáng)度和韌性都有一定影響，即混凝土的力學(xué)性能存在隨著幾何尺寸的變化而變化的尺寸效應(yīng)。鋼筋混凝土構(gòu)件是由混凝土和鋼筋2種材料組成的，其力學(xué)性能直接取決于混凝土和鋼筋的力學(xué)性能，混凝土材料的尺寸效應(yīng)必然直接反映到鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能中。另外，鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋和混凝土共同工作的基礎(chǔ)是它們之間存在的粘結(jié)力，而鋼筋和混凝土之間粘結(jié)力的大小受鋼筋直徑和外形、鋼筋間距、混凝土強(qiáng)度、混凝土保護(hù)層厚度及混凝土澆筑時(shí)鋼筋所處的位置等影響，這些因素的影響程度都會(huì)隨構(gòu)件尺寸的不同而變化，進(jìn)而其力學(xué)性能隨構(gòu)件尺寸不同發(fā)生變化，加劇鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)性能受尺寸效應(yīng)的影響。因此，開(kāi)展大尺寸鋼筋混凝土構(gòu)件破壞試驗(yàn)，研究其破壞機(jī)理和力學(xué)性能，基于此開(kāi)展鋼筋混凝土構(gòu)件尺寸效應(yīng)研究^[6-10]，是建立更為科學(xué)、合理、可靠的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的需要。本文進(jìn)行不同幾何尺寸的高強(qiáng)混凝土柱小偏心受壓性能試驗(yàn)，分析其力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)規(guī)律。

1試驗(yàn)方案

1.1試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)6個(gè)試件，其截面尺寸分別為200 mm×200 mm、400 mm×400 mm、800 mm×800 mm，試件相應(yīng)編號(hào)為DZ200、DZ400、DZ800，每種截面2個(gè)試件，試件長(zhǎng)細(xì)比均為4.5。試件初始偏心距設(shè)為0.25 h0，為小偏心受壓。為保證試件在受壓加載過(guò)程中不發(fā)生柱端加載點(diǎn)處破壞，以及便于試驗(yàn)加載，將柱端設(shè)計(jì)成牛腿形式，并按照牛腿的設(shè)計(jì)方法加密箍筋。柱中部不設(shè)箍筋，以保證試驗(yàn)結(jié)果不受箍筋對(duì)混凝土的約束作用影響，柱中受力縱筋采用對(duì)稱(chēng)配筋方式^[11-13]。各試件的具體配筋情況如圖1所示。

試件制作所用混凝土為商品混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C60，混凝土實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度為63.7 MPa，彈性模量為44.5 GPa。鋼筋的實(shí)測(cè)力學(xué)性能見(jiàn)表1。

1.2加載方案

試驗(yàn)在北京工業(yè)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心的4 000 t多功能電液伺服加載系統(tǒng)上進(jìn)行，試驗(yàn)加載裝置及位移、材料應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。試驗(yàn)采用力與位移混合控制加載。加載前進(jìn)行預(yù)加載^[14]，以檢查各儀表是否工作正常，以及消除試件的非結(jié)構(gòu)性變形。正式加載時(shí)，每級(jí)加荷增量為計(jì)算極限荷載的10%，加載的時(shí)間間隔為10 min，加荷至計(jì)算極限荷載的60%后，每級(jí)加荷增量調(diào)整為計(jì)算極限荷載的5%，加荷至其90%后，加荷由力控制改為位移控制，并加荷直至試件破壞。人工觀測(cè)裂縫。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1破壞形態(tài)

各試件的破壞形態(tài)如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，3種不同幾何尺寸的試件受拉側(cè)均出現(xiàn)較少的彎曲橫向裂縫，且裂縫發(fā)展較緩慢，加載至接近極限荷載時(shí)，壓區(qū)混凝土應(yīng)變達(dá)到極限壓應(yīng)變，保護(hù)層混凝土開(kāi)裂，并發(fā)出“噼啪”的響聲，幾秒鐘后，試件發(fā)出很大的“砰”的響聲，試件受壓區(qū)混凝土均被嚴(yán)重壓碎，破壞區(qū)域成錐體，部分混凝土碎塊崩出，受壓鋼筋屈曲并向外鼓出，試件受拉側(cè)彎曲橫向裂縫向內(nèi)開(kāi)展至截面中部。各尺寸試件均在受壓區(qū)混凝土壓碎后，因有效截面面積減小嚴(yán)重，導(dǎo)致試件突然出現(xiàn)一條破壞斜裂縫，將試件混凝土完全剪開(kāi)，試件抗壓承載力突然完全喪失，并導(dǎo)致受拉側(cè)保護(hù)層混凝土大片脫落，受拉鋼筋外露。由此可見(jiàn)，各組試件均表現(xiàn)為混凝土首先壓碎的脆性破壞形態(tài)，沒(méi)有明顯預(yù)兆，屬于典型的小偏心受壓破壞形態(tài)。

DZ200-1試件在加荷至第5級(jí)荷載時(shí)，試件受拉側(cè)下部出現(xiàn)1條初始彎曲橫向裂縫，DZ200-2試件在加荷至第4級(jí)荷載時(shí)，試件受拉側(cè)上部出現(xiàn)1條初始彎曲橫向裂縫，試件破壞時(shí)，2個(gè)試件的混凝土壓碎區(qū)域長(zhǎng)度分別為320、350 mm，深度為150、140 mm，2個(gè)試件破壞后形成的斜裂縫與其豎向縱軸夾角約為36°和38°。DZ400的2個(gè)試件在加荷至第4級(jí)荷載時(shí)，在試件受拉側(cè)分別出現(xiàn)4條和2條初始彎曲橫向裂縫，試件破壞時(shí)，2個(gè)試件的混凝土壓碎區(qū)域長(zhǎng)度分別為750、700 mm，深度為280、260 mm，破壞后形成的斜裂縫與其豎向縱軸角約為30°和33°。DZ800的2個(gè)試件分別在加荷至第9級(jí)和第10級(jí)荷載時(shí)，在試件受拉側(cè)中部出現(xiàn)1條彎曲橫向初始裂縫，試件破壞時(shí)，2個(gè)試件的混凝土壓碎區(qū)域長(zhǎng)度均為1 600 mm，深度分別為420、500 mm，2個(gè)試件破壞后形成的斜裂縫與其豎向縱軸夾角約為27°。

由不同幾何尺寸的試件破壞形態(tài)比較可知，在研究的尺度范圍內(nèi)，大尺寸試件的受壓區(qū)破壞區(qū)域略大些，大尺寸試件與小尺寸試件的破壞形態(tài)基本相同，沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)，只是截面尺寸越大，試件從出現(xiàn)“噼啪”的混凝土破壞聲音到完全破壞的持續(xù)時(shí)間越短，試件破壞脆性越顯嚴(yán)重些。

2.2承載力

各試件極限荷載的實(shí)測(cè)值和規(guī)范值列于表2，其中實(shí)測(cè)值為試驗(yàn)過(guò)程中的最大荷載值，規(guī)范值為按我國(guó)現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 ^[15]中相應(yīng)公式計(jì)算所得（材料強(qiáng)度按實(shí)測(cè)值代入），將實(shí)測(cè)值與規(guī)范值的比值稱(chēng)為安全儲(chǔ)備系數(shù)。

由表2可知，使用規(guī)范公式計(jì)算所得試件極限荷載與其實(shí)測(cè)值相比，不同幾何尺寸的試件其差異不同。當(dāng)截面尺寸較小時(shí)，計(jì)算值低于實(shí)測(cè)值，試件有較大的安全儲(chǔ)備。隨著截面尺寸的增大，試件的安全儲(chǔ)備系數(shù)逐漸減小，與試件DZ200相比，試件DZ400降低了19.5%，試件DZ800降低了40.5%，且試件DZ800已沒(méi)有安全儲(chǔ)備，實(shí)測(cè)值低于計(jì)算值。因此，使用基于小尺寸試件試驗(yàn)研究成果所建立的混凝土柱小偏心受壓設(shè)計(jì)計(jì)算公式設(shè)計(jì)大尺寸實(shí)際構(gòu)件，會(huì)過(guò)高的估計(jì)柱的承載力，使設(shè)計(jì)結(jié)果偏于不安全。

圖4為各試件的相對(duì)彎矩曲率關(guān)系曲線。其中彎矩實(shí)測(cè)值考慮試驗(yàn)過(guò)程中試件撓度的變化，取每級(jí)荷載的實(shí)測(cè)偏心距與豎向荷載的乘積；彎矩規(guī)范值為按規(guī)范公式計(jì)算所得的極限彎矩值；曲率Φ值是根據(jù)柱中4根受拉鋼筋和4根受壓鋼筋的應(yīng)變差值求得，取4對(duì)數(shù)據(jù)的平均值作為該試件的曲率。為便于比較，對(duì)變量進(jìn)行無(wú)量綱化，將各試件的實(shí)測(cè)彎矩值與按規(guī)范計(jì)算所得彎矩值的比值作為縱坐標(biāo)，將Φ·h0作為橫坐標(biāo)（h0為截面有效高度），得到圖4中的曲線。

由圖4可見(jiàn)，3組曲線的峰值隨著尺寸的增大而降低，即按規(guī)范公式計(jì)算大尺寸構(gòu)件極限彎矩值，其結(jié)果的安全性逐漸降低；峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的相對(duì)曲率也隨著尺寸的增大而減小，即隨著尺寸的增大，小偏心受壓構(gòu)件的變形能力逐漸減弱。圖5為不同尺寸的準(zhǔn)脆性結(jié)構(gòu)的名義強(qiáng)度與相對(duì)撓度關(guān)系曲線^[1]，該圖表明，小尺寸的準(zhǔn)脆性結(jié)構(gòu)有較大的韌性，而大尺寸的準(zhǔn)脆性結(jié)構(gòu)的韌性較小，這與試驗(yàn)所得結(jié)果相符。

2.3截面應(yīng)變規(guī)律

3種不同幾何尺寸試件的截面實(shí)測(cè)應(yīng)變分布如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，不同幾何尺寸試件的截面應(yīng)變發(fā)展變化規(guī)律基本相同，荷載較低時(shí)，截面應(yīng)變分布線性規(guī)律較好；隨著荷載增大，裂縫出現(xiàn)并開(kāi)展、延伸，中和軸向受壓邊移動(dòng)，受壓區(qū)高度逐漸減小，截面應(yīng)變分布的線性規(guī)律有所減弱，但直至試件破壞，截面應(yīng)變分布規(guī)律仍均可近似為線性。因此，混凝土柱的截面應(yīng)變規(guī)律不存在明顯的尺寸效應(yīng)問(wèn)題，平截面假定對(duì)大尺寸混凝土柱仍適用。

2.4側(cè)向撓度

各試件的荷載跨中撓度曲線見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，隨豎向荷載增大，不同尺寸試件的撓度曲線變化規(guī)律基本相同。各試件在極限荷載作用下的柱中撓度值列于表3。由表3可知，隨著截面尺寸的增大，試件DZ200的相對(duì)撓度（柱中撓度/柱高）較大，試件DZ400和DZ800的相對(duì)撓度接近，且明顯小于試件DZ200，即大尺寸混凝土柱的側(cè)向彎曲變形比小尺寸試件要小些。

2.5縱筋應(yīng)變

不同幾何尺寸試件在不同荷載下的鋼筋應(yīng)變發(fā)展規(guī)律見(jiàn)圖8，其中縱筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)為各試件的柱中測(cè)點(diǎn)（即圖2的1-1截面測(cè)點(diǎn)）。由圖8可見(jiàn)，各試件達(dá)到極限荷載時(shí)均為受壓鋼筋先屈服，受拉鋼筋未屈服，且隨著幾何尺寸的增大，受拉鋼筋應(yīng)變減小，即受拉鋼筋的拉應(yīng)力逐漸減小。

3結(jié)論

1）當(dāng)荷載偏心距取為0.25 h0時(shí)，不同幾何尺寸高強(qiáng)混凝土柱的受壓破壞形態(tài)基本相同，均是典型的小偏壓脆性破壞，其尺寸效應(yīng)不明顯。

2）高強(qiáng)混凝土柱的小偏心受壓承載力存在明顯尺寸效應(yīng)，隨著截面尺寸的增大，高強(qiáng)混凝土柱的承載力安全儲(chǔ)備量減小，即按現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的大尺寸高強(qiáng)混凝土柱的安全性偏低。

3）高強(qiáng)混凝土柱的小偏心受壓變形能力存在尺寸效應(yīng)，與其極限承載力相對(duì)應(yīng)的彎曲曲率隨著其幾何尺寸的增大而減小，即其變形能力減弱。

4）高強(qiáng)混凝土柱在小偏心受壓情況下的橫截面應(yīng)變分布規(guī)律基本符合平截面假定，不存在明顯的尺寸效應(yīng)問(wèn)題。

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（編輯胡玲）