李 倩，符 佳，杜修力，張建偉

（北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京100124）

不同尺寸的鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能存在尺寸效應(yīng)。鋼筋混凝土柱是鋼筋混凝土最基本的構(gòu)件，其尺寸效應(yīng)問題一直是工程界關(guān)注的問題。在鋼筋混凝土柱的尺寸效應(yīng)研究方面，各國進(jìn)行了大量的試驗研究和理論分析［1－14］。然而在實際工程中，許多鋼筋混凝土柱是在重復(fù)荷載作用下工作的，且研究結(jié)果表明，在重復(fù)荷載作用下，柱的受力性能與在其他荷載作用下的受力性能是不相同的［15－17］，力學(xué)性能很可能隨尺寸的不同而發(fā)生變化。而重復(fù)荷載和尺寸效應(yīng)引起的影響在規(guī)范的計算公式中并沒有準(zhǔn)確體現(xiàn)出來。因此，需要研究實際結(jié)構(gòu)（尤其是大尺寸結(jié)構(gòu)）在重復(fù)荷載下力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)問題。本文通過比例縮尺試驗來認(rèn)識重復(fù)荷載下鋼筋混凝土柱的力學(xué)性能。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

試驗按照相似關(guān)系設(shè)計了3組正方形截面鋼筋混凝土柱，縱筋均采用HRB 335級鋼筋，箍筋均采用HPB 235級鋼筋。為防止柱端發(fā)生局部承壓破壞，在試件兩端各設(shè)一層鋼筋網(wǎng)片。試件采用平臥澆筑。試件縱筋配筋率為1.5%，非加密區(qū)體積配箍率為0.65%，實測試驗用混凝土材料軸心抗壓強(qiáng)度為34.39MPa，其他設(shè)計參數(shù)詳見表1。試件設(shè)計尺寸及配筋見圖1。其中NM為試件編號，b為試件截面邊長，c為混凝土保護(hù)層厚度。

1.2 測試方案

1.2.1 試驗裝置 采用北京工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗中心豎向40 000kN多功能電液伺服加載實驗系統(tǒng)對試件施加軸向壓力。采用壓力傳感器采集荷載信號；在鋼筋表面粘貼應(yīng)變片，監(jiān)測鋼筋變形；在試件中間3／4高度范圍內(nèi)布置百分表，測量該范圍內(nèi)的變形；在上下加載鋼板之間布置位移計，監(jiān)測試件在荷載作用下的軸向總變形。試驗加載裝置及量測儀表布置見圖2。

1.2.2 加載制度 預(yù)加荷載按規(guī)范計算最大承載力N的1／5施加（N按現(xiàn)行規(guī)范［18］中鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的正截面承載力公式N＝fc·Ac＋fy·As計算得到，未計入安全系數(shù)0.9），施加預(yù)加荷載后，檢查并校正儀器儀表，之后卸載至零。然后，正式實施加載。該試驗的加載方式為多級加載［19］，加載前期用荷載控制，按照10%N的荷載值分級，緩慢加載，等測試儀表讀數(shù)穩(wěn)定之后緩慢卸載，之后施加下一級荷載。在試件承載力到達(dá)60%的峰值荷載計算值之前，荷載加卸載1次；在試件承載力到達(dá)60%的峰值荷載計算值之后，每級荷載加卸2次。試驗過程中詳細(xì)記錄荷載值和儀表數(shù)據(jù)，在柱體剛度第一次出現(xiàn)明顯下降時，轉(zhuǎn)為位移控制繼續(xù)加卸載，直至試件承載力下降至實測峰值荷載的30%左右結(jié)束試驗。試驗過程中的照片見圖3。

圖1 試件尺寸及配筋

圖2 加載裝置及量測儀表布置

圖3 試驗照片

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 荷載 位移關(guān)系曲線

試件的荷載 位移關(guān)系曲線見圖4?？梢钥闯觯焊鞒叽缭嚰谥貜?fù)荷載作用下荷載 位移關(guān)系曲線趨勢大致相同。

2.2 破壞特征

試驗過程中，當(dāng)荷載增加到峰值荷載的60%～85%時，端部出現(xiàn)細(xì)微的縱向裂紋。當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載的90%左右時，試件出現(xiàn)明顯的豎向裂縫，且縱向延伸，數(shù)量逐漸增多。接近峰值荷載時，試件的中部區(qū)域成為主要的裂縫發(fā)展區(qū)，混凝土保護(hù)層破裂和剝離，端部裂縫發(fā)展不明顯。超過峰值荷載后，隨著荷載的繼續(xù)施加，試件承載力緩慢下降，裂縫開展與保護(hù)層的剝落加快，縱筋開始外鼓。荷載下降到峰值荷載的70%～85%以下，中部區(qū)域的核心混凝土逐漸壓碎破壞。荷載下降到峰值荷載的50%以下，混凝土連續(xù)碎裂脫落，縱筋外鼓嚴(yán)重。試件破壞照片見圖5。試件均為縱向受壓破壞，破壞現(xiàn)象均發(fā)生在柱體中部區(qū)域范圍內(nèi)。試件最終破壞時，混凝土保護(hù)層嚴(yán)重開裂和剝落，核心混凝土內(nèi)部分布著縱向裂縫；縱筋屈曲并呈燈籠狀外鼓，如圖6所示。對于較小尺寸試件（NM 400），當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載的95%時，主裂縫首先在柱中部區(qū)域出現(xiàn)，之后延伸到端部。對于較大尺寸試件（NM 600和NM 800），當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載的80%～95%時，主裂縫首先在柱端部區(qū)域出現(xiàn)，之后延伸到中部?？梢姡煌叽缭嚰牧芽p發(fā)展在試驗中呈現(xiàn)了不同。裂縫發(fā)展過程見圖7（數(shù)字表示加載到此級時柱體裂縫發(fā)展至此處）。

2.3 承載力

各試件實測最大承載力F及按規(guī)范公式計算的最大承載力N見表3（計算中取材料的實測強(qiáng)度）。其中，承載力相對誤差

圖4 試件的荷載 位移關(guān)系曲線

圖5 試驗破壞照片

圖6 縱筋受壓屈曲并外鼓

可見，尺寸越大，試件的承載力相對誤差的絕對值越低，即現(xiàn)行規(guī)范中鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的正截面承載力計算不能準(zhǔn)確體現(xiàn)重復(fù)荷載作用下尺寸效應(yīng)對試件承載力的影響。

表2 柱承載力計算結(jié)果和實測結(jié)果

圖7 各試件裂縫發(fā)展過程

2.4 峰值應(yīng)力

由實測最大承載力計算得到的試件全截面峰值名義壓應(yīng)力σS見表3。

表3 峰值名義壓應(yīng)力實測結(jié)果

可見，隨試件尺寸增大，峰值名義壓應(yīng)力降低，存在一定程度的尺寸效應(yīng)。與較小尺寸試件（NM 400和NM 600）相比，較大試件（NM 600和NM 800）峰值名義應(yīng)力的降低幅度相對較小。若按照相似關(guān)系，用小尺寸試件的試驗結(jié)果，外推較大尺寸試件的承載力，會較高估計大尺寸試件承載力。

2.5 峰值應(yīng)變

試件的峰值變形uP以及平均峰值名義壓應(yīng)變εP見表4。

表4 峰值變形及峰值名義壓應(yīng)變實測結(jié)果

可見，隨試件尺寸的增大，峰值名義壓應(yīng)變降低，較大的試件（NM 600和NM 800）峰值名義壓應(yīng)變比較接近，存在一定的尺寸效應(yīng)。

2.6 剛度

通過試驗實測得到的試件全截面名義應(yīng)力σ 試件縱向平均應(yīng)變ε骨架曲線見圖8。

圖8 應(yīng)力 應(yīng)變骨架曲線

可見，隨試件尺寸增加，到達(dá)峰值荷載前，大尺寸試件（NM 800）的抗壓剛度明顯降低；到達(dá)峰值荷載后，3種尺寸試件的剛度退化沒有明顯的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

1）在重復(fù)荷載作用下，截面尺寸在400～800mm范圍內(nèi)的鋼筋混凝土柱的軸心受壓承載力存在一定程度的尺寸效應(yīng)，按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算，不同幾何尺寸構(gòu)件的承載力計算結(jié)果可靠度不同，大尺寸構(gòu)件的可靠度降低。

2）不同尺寸構(gòu)件破壞發(fā)生部位均在柱體的中部區(qū)域，尺寸效應(yīng)不明顯，構(gòu)件的裂縫發(fā)展過程存在一定差異。

3）重復(fù)荷載作用下不同幾何尺寸鋼筋混凝土軸心受壓柱的峰值應(yīng)力存在一定程度的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，尺寸越大，峰值應(yīng)力越低，但下降幅度呈非線性變化。

4）重復(fù)荷載作用下不同幾何尺寸鋼筋混凝土軸心受壓柱的峰值應(yīng)變存在一定程度的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，尺寸越大，峰值應(yīng)變越小，但下降幅度呈非線性變化。

5）重復(fù)荷載作用下不同幾何尺寸鋼筋混凝土軸心受壓柱的抗壓剛度存在一定程度的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，峰值荷載前，隨著構(gòu)件尺寸的增大，抗壓剛度呈降低趨勢；峰值荷載后，剛度退化規(guī)律差異不明顯。

［1］王文標(biāo)，黃晨光，趙紅平，等.結(jié)構(gòu)破壞的尺度律［J］.力學(xué)進(jìn)展，1999，29（3）：383－433.Wang W B，Huang C G，Zhao H P，et al.Scaling of structural failture［J］.Advances In Mechanics，1999，29（3）：383－433.

［2］黃海燕，張子明.混凝土的尺寸效應(yīng)［J］.混凝土，2004（3）：8－9.Huang H Y，Zhang Z M.Size effect in concrete［J］.Concrete，2004（3）：8－9.

［3］Bazant Z P，Planas J.Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials［J］.CRC Press LLC，1998.

［4］Bazant Z P，Kwon Y W.Failure of slender and stocky reinforced concrete columns：tests of size effect［J］.Materials and Structures.1994，27（2）：79－90.

［5］Godat Z A，Qu，Lu X Z，et al.Size effects for reinforced concrete beams strengthened in shear with CFRP strips［J］.Journal of Composites for Construction，2010，3（14）：260－271.

［6］Wang X Z，Xu Z C，Bi Z，et al.Experimental investigation on size effect formulae suitable for common concrete nominal fracture toughness［J］.ICLEM，2010：1421－1427.

［7］Michele B，Bazant Z P.Size effect in concrete columns：finiteelement analysis with microplane model［J］.Journal of Structural Engineering，2001，127（12）：1382－1390.

［8］Sene S，Barr B I G，Abusiaf H F.Size effect in axially loaded reinforced concrete columns［J］.Journal of Structural Engineering，2004，130（4）：662－670.

［9］杜修力，張建偉，符佳，等.鋼筋混凝土構(gòu)件的尺寸效應(yīng)研究進(jìn)展及展望［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2009，26（4）：14－19.Du X L，Zhang J W，F(xiàn)u J，et al.Research progress and prospect of size effect on reinforced concrete members［J］.Journal of Architecture and Civil Engineering，2009，26（4）：14－19.

［10］杜修力，符佳，張建偉.鋼筋混凝土柱軸心受壓性能尺寸效應(yīng)的大比尺試驗研究［J］.土木工程學(xué)報，2010，43：1－8.Du X L，F(xiàn)u J，Zhang J W.The experimental study on size effect of the large－size reinforced concrete column under axial loading［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43：1－8.

［11］杜修力，符佳，張建偉，等.鋼筋高強(qiáng)混凝土柱軸壓性能尺寸效應(yīng)試驗［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，10（38）：1491－1497.Du X L，F(xiàn)u J，Zhang J W，et al.Experiments on size effect of the reinforced high－strength concrete column under axial loading［J］.Journal of Beijing University of Technology，2012，10（38）：1491－1497.

［12］Nemecek J，Bittnar Z.Experimental investigation and numerical simulation of post－peak behavior and size effect of reinforced concrete columns［J］.Materials and Structures／Materiaux et Constructions，2004，37 （267）：161－169.

［13］杜修力，袁健，周宏宇，等.鋼筋混凝土梁在低周反復(fù)荷載作用下受剪性能的尺寸效應(yīng)試驗研究［J］.地震工程與工程振動，2011，5（31）：30－38.Du X L，Yuan J，Zhou H Y，et al.The experimental study of size effect on shear capacity of reinforced concrete beam under low cyclic loading［J］.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2011，5（31）：30－38.

［14］馮帆，趙均，盧愛貞，等.鋼筋混凝土偏心受壓短柱尺寸效應(yīng)研究［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報，2011，2（13）：13－17 Feng F，Zhao J，Lu A Z，et al.The experimental study on size effect of reinforced concrete column under eccentric loading［J］.Journal of Institute of Disaster Prevention，2011，2（13）：13－17.

［15］程文瀼.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［16］高丹盈.重復(fù)荷載下鋼纖維混凝土軸壓全曲線的研究［J］.水力發(fā)電，1994（5）：18－23.Gao D Y.Axial compressive streed versus strain of steel fibre concrete［J］.Water Power，1994（5）：18－23.

［17］易美英.重復(fù)荷載下受腐蝕鋼筋混凝土梁承載力研究［D］.上海：上海交通大學(xué).2008.

［18］GB 50010－2011混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［19］李忠獻(xiàn).工程結(jié)構(gòu)試驗理論與技術(shù)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2004.