曹大富 馬 釗 葛文杰 袁沈峰 張 政

(1揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127)(2揚(yáng)州市江都區(qū)規(guī)劃建筑設(shè)計院有限公司，揚(yáng)州 225200)

凍融循環(huán)作用后鋼筋混凝土柱的偏心受壓性能

曹大富1馬 釗2葛文杰1袁沈峰1張 政1

(1揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127)
(2揚(yáng)州市江都區(qū)規(guī)劃建筑設(shè)計院有限公司，揚(yáng)州 225200)

摘 要:為了研究凍融循環(huán)作用對鋼筋混凝土柱偏心受壓性能的影響，對經(jīng)歷0，75，100，125，150次凍融循環(huán)作用后的立方體試塊進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并設(shè)計制作了30根鋼筋混凝土柱，將其經(jīng)歷0，75，100，125，150次凍融循環(huán)作用后進(jìn)行偏心受壓靜力試驗(yàn).分析了混凝土相對抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失率、相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，研究了凍融循環(huán)次數(shù)、軸向力偏心距對鋼筋混凝土柱偏心受壓性能的影響.研究結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試驗(yàn)柱的開裂荷載和極限荷載都逐漸減小，極限變形逐漸增大，部分試件由大偏心受壓破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑氖軌浩茐?現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范關(guān)于鋼筋混凝土偏心受壓柱極限承載力的計算理論適用于凍融循環(huán)作用后的鋼筋混凝土柱.

關(guān)鍵詞:凍融循環(huán);鋼筋混凝土柱;偏心受壓;承載力

混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，在未來土木工程建設(shè)中仍將處于主導(dǎo)地位.但混凝土結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境越來越復(fù)雜，其中主要的不利因素之一凍融破壞表現(xiàn)出的影響日益突出.混凝土凍融破壞機(jī)理非常復(fù)雜，至今仍未得到一個公認(rèn)的完全能解釋凍害的理論.國內(nèi)外學(xué)者對凍融循環(huán)后混凝土的性能開展了相關(guān)研究，包括凍融破壞機(jī)理、凍融后混凝土材料的性能及其與鋼筋的黏結(jié)性能等.目前，關(guān)于凍融循環(huán)作用下混凝土的研究大多偏重于材料方面［1-6］，對于混凝土構(gòu)件凍融后受力性能的研究［7-10］在國外開展得較多，國內(nèi)則相對較少［11-15］.本文對凍融循環(huán)作用后鋼筋混凝土柱的偏心受壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期為凍融循環(huán)作用后混凝土結(jié)構(gòu)性能評價提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計與制作

考慮凍融次數(shù)和偏心距對偏心受壓構(gòu)件正截面承載能力的影響，設(shè)計并制作了30根鋼筋混凝土柱.試件的配筋構(gòu)造如圖1所示.試件采用對稱配筋，縱向鋼筋采用直徑為12.0 mm的HRB335級鋼筋，配筋率為3%，箍筋采用直徑為6.5 mm的HRB235級鋼筋.設(shè)計混凝土強(qiáng)度等級為C40，設(shè)計凍融循環(huán)次數(shù)分別為 0，75，100，125，150 次.試件的混凝土強(qiáng)度等級為C40，縱筋配置為4 12 mm，箍筋配置為φ6.5 mm@100 mm.鋼筋的力學(xué)性能見表1.本試驗(yàn)未考慮凍融循環(huán)對鋼筋力學(xué)性能的影響.

圖1 試驗(yàn)柱配筋圖(單位:mm)

表1 鋼筋力學(xué)性能

1.2 凍融試驗(yàn)

制作一組(3個)棱柱體試件，試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，用以測量凍融后混凝土質(zhì)量和相對動彈性模量的損失.制作5組(每組3個)100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，用來測量凍融后混凝土抗壓強(qiáng)度.凍融試驗(yàn)采用快速水凍水融法，試件中心的最低和最高溫度分別控制在(－17±2)℃和(6±2)℃，一次凍融循環(huán)控制在3 h左右完成.每隔25次凍融循環(huán)，取出棱柱體試件，觀測外部損傷并測量試件的質(zhì)量和混凝土動彈性模量(見圖2).達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計的凍融次數(shù)，進(jìn)行立方體試塊抗壓強(qiáng)度測試.

圖2 動彈性模量測試照片

1.3 靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)柱的偏心受壓靜力加載在3 000 kN液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行(見圖3).加載時構(gòu)件兩端分別放置在刀口鉸支座上.柱中部和兩端分別布置百分表，用來實(shí)測柱的撓度.在柱中部縱向鋼筋上粘貼電阻應(yīng)變片，采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀來測量縱向受拉、受壓鋼筋的應(yīng)變.每級加載待各儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄百分表和鋼筋應(yīng)變數(shù)值，描繪裂縫發(fā)展趨勢，并量測裂縫寬度.

圖3 試驗(yàn)加載照片

2 凍融試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面剝落形態(tài)

試驗(yàn)柱分別經(jīng)歷75，100，125，150次凍融循環(huán)后的表面剝落形態(tài)如圖4所示.可以看出，混凝土柱在75次凍融循環(huán)后，表面浮漿面層稍有剝落;100和125次凍融循環(huán)后，表面砂漿基本剝落，出現(xiàn)棱角缺失現(xiàn)象，并有少量粗骨料露出;凍融循環(huán)達(dá)到150次后，大量粗骨料露出，棱角缺失現(xiàn)象嚴(yán)重.

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)柱表面剝落情況

2.2 質(zhì)量損失率和相對動彈性模量

表3給出了凍融循環(huán)后棱柱體試件的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量隨凍融次數(shù)變化情況.可以看出，當(dāng)凍融次數(shù)不大于100次時，混凝土質(zhì)量沒有減少，反而略有增加.究其原因可能是因?yàn)閮鋈诖螖?shù)較少，混凝土幾乎沒有剝落，由于凍融產(chǎn)生的凍漲作用，試件內(nèi)部孔隙率增大，含水量增加.凍融循環(huán)次數(shù)超過100次后，混凝土質(zhì)量開始下降.凍融循環(huán)到達(dá)150次時，質(zhì)量損失達(dá)到2.57%.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的相對動彈性模量逐漸下降，說明隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土內(nèi)部損傷逐漸增大.凍融次數(shù)越多，相對動彈性模量下降越快.

表3 質(zhì)量損失率和相對動彈性模量結(jié)果

2.3 抗壓強(qiáng)度

完成凍融試驗(yàn)后，對立方體試塊進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度測試.定義混凝土的相對抗壓強(qiáng)度為凍融循環(huán)后混凝土的抗壓強(qiáng)度與未凍融混凝土的抗壓強(qiáng)度的比值.圖5給出了凍融循環(huán)后混凝土試塊的相對抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線.

從圖5可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度逐漸降低.凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到75次時，混凝土抗壓強(qiáng)度下降到76%左右;凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次時，混凝土抗壓強(qiáng)度迅速下降到63%左右;凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到125次時，混凝土抗壓強(qiáng)度下降至51%左右;凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到150次時，混凝土抗壓強(qiáng)度下降到31%左右.

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 裂縫分布和破壞形態(tài)

圖6給出了部分試件的裂縫分布和破壞形態(tài).由圖可知，試驗(yàn)柱經(jīng)受不同凍融循環(huán)次數(shù)后的裂縫分布和破壞形態(tài)均相似.當(dāng)偏心距e0=12，24，36 mm時，柱截面全部受壓，靠近豎向荷載方向的縱向鋼筋受壓屈服，混凝土被壓碎，遠(yuǎn)離一側(cè)的鋼筋受壓不屈服，沒有水平裂縫出現(xiàn)，試件破壞時撓度較小，為小偏心受壓破壞.隨著偏心距的增加，受拉區(qū)邊緣出現(xiàn)水平裂縫，但發(fā)展并不顯著，破壞時受壓區(qū)混凝土被壓碎.

圖6 柱的破壞形態(tài)

當(dāng)偏心距e0=84，96，108 mm 時，加載初期試件發(fā)生彈性變形.隨著荷載的加大，受拉區(qū)出現(xiàn)水平裂縫，且裂縫發(fā)展逐漸加快，受壓區(qū)不斷減小.柱破壞時表現(xiàn)為受拉鋼筋先屈服，而后受壓區(qū)混凝土被壓壞，構(gòu)件破壞時撓度較大，為大偏心受壓破壞.

3.2 凍融循環(huán)次數(shù)對開裂荷載的影響

圖7給出了試驗(yàn)柱開裂荷載與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線.從圖中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，開裂荷載呈下降趨勢.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0～75時，下降速度緩慢;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于100次時，下降速度增大.這是因?yàn)殡S著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)部損傷逐漸積累，混凝土破壞嚴(yán)重.

3.3 凍融循環(huán)次數(shù)對極限荷載的影響

試驗(yàn)柱極限荷載與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線見圖8，軸力-彎矩關(guān)系曲線見圖9.由圖可知，凍融循環(huán)

圖7 開裂荷載與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

作用后，混凝土抗拉強(qiáng)度下降，混凝土和鋼筋的黏結(jié)性能降低，試驗(yàn)柱的極限荷載下降.對于小偏心受壓柱，0～75次凍融循環(huán)時，極限荷載下降速度較為緩慢;凍融循環(huán)次數(shù)超過75次后，極限荷載下降速度突然加快，下降幅度較大.對于大偏心受壓柱，0～75次凍融循環(huán)時，極限荷載幾乎沒有變化;凍融循環(huán)次數(shù)超過75次后，極限荷載下降速度加快，但下降幅度不大.凍融循環(huán)后，混凝土抗壓強(qiáng)度下降，與鋼筋拉力相平衡的混凝土壓力需要由更大高度的受壓區(qū)混凝土來提供，隨著凍融次數(shù)的增加，部分構(gòu)件大偏心受壓破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑氖軌浩茐?

圖8 極限荷載與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線

圖9 試驗(yàn)柱軸力-彎矩的關(guān)系曲線

圖10 荷載-撓度關(guān)系曲線

3.4 凍融循環(huán)次數(shù)對撓度的影響

圖10給出了試驗(yàn)柱荷載-撓度關(guān)系曲線.可以看出，偏心距相等時，隨著凍融次數(shù)的增加，柱的極限承載能力下降，極限撓度也逐漸增大.隨著偏心距的增大，承載能力逐漸降低，極限撓度增大.試驗(yàn)時考慮儀器設(shè)備和人員的安全，部分構(gòu)件試驗(yàn)數(shù)據(jù)丟失.

3.5 理論承載力與實(shí)際承載力的對比

采用凍融循環(huán)后實(shí)測的混凝土抗壓強(qiáng)度，按現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范計算鋼筋混凝土柱理論承載力，將理論承載力Nu，t與實(shí)測值Nu，e進(jìn)行對比，結(jié)果見表4.

表4 承載力的理論值與試驗(yàn)值對比

由表 4 可以看出，Nu，e/Nu，t的平均值為 1.11，變異系數(shù)為0.005.按現(xiàn)行規(guī)范公式計算的結(jié)果比較精確，承載力試驗(yàn)實(shí)測值和理論計算值比較接近，同時，實(shí)測值與理論值相比有一定的安全儲備.由此表明，經(jīng)受凍融循環(huán)作用后，偏心受壓柱的承載力計算仍可采用規(guī)范公式，且計算結(jié)果偏于安全.

4 結(jié)論

1)對經(jīng)歷凍融循環(huán)作用混凝土立方體、棱柱體、矩形截面鋼筋混凝土柱偏心受壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，鋼筋混凝土偏心受壓柱的開裂荷載與極限荷載都減小，大偏心受壓構(gòu)件的極限承載力下降幅度較小，而小偏心受壓構(gòu)件極限荷載的下降幅度則相對較大.

2)偏心受壓靜力試驗(yàn)結(jié)果表明，偏心距相等時，構(gòu)件的極限承載力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，且極限變形增大.相同凍融次數(shù)作用下，隨著偏心距的增大，構(gòu)件極限承載力逐漸減小，極限變形增大.

3)凍融循環(huán)后，混凝土抗壓強(qiáng)度下降，與鋼筋拉力相平衡的混凝土壓力需要由更大高度的受壓區(qū)混凝土來提供.隨著凍融次數(shù)的增加，部分構(gòu)件由大偏心受壓破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑氖軌浩茐?

4)凍融循環(huán)作用后，鋼筋混凝土偏心受壓柱的極限承載力仍可采用現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范相關(guān)公式進(jìn)行計算，且計算結(jié)果偏于安全.

［1］Alan R，Kathryn C，Jennifer B.Freeze/thaw durability of concrete with recycled demolition aggregate compared to virgin aggregate concrete［J］.Journal of Cleaner Production，2011，19(2/3):272-277.

［2］Shashank B，Taketo U.Strain-temperature hysteresis in concrete under cyclic freeze-thaw conditions［J］.Cement＆Concrete Composites，2008，30(5):374-380.

［3］Chetan H，Halil C，Kejin W.Influences of mixture composition on properties and freeze-thaw resistance of RCC ［J］.Construction and Building Materials，2011，25(1):313-319.

［4］Kevern J T，Wang K，Schaefer V R.Effect of coarse aggregate on the freeze-thaw durability of pervious concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2010，22(5):469-475.

［5］冀曉東，宋玉普.凍融循環(huán)后光圓鋼筋與混凝土黏結(jié)性能退化機(jī)理研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2011，32(1):70-74.

Ji Xiaodong，Song Yupu.Mechanism of bond degradation between concrete and plain steel bar after freezing and thawing［J］.Journal of Building Structures，2011，32(1):70-74.(in Chinese)

［6］Pierluigi C，Giulia F，Carlo P.Bond strength of CFRP-concrete elements under freeze-thaw cycles［J］.Composite Structures，2010，92(4):973-983.

［7］Yun Y，Wu Y.Durability of CFRP-concrete joints under freeze-thaw cycling［J］.Cold Regions Science and Technology，2011，65(3):401-412.

［8］Toutanji H A，Balaguru P.Effects of freeze-thaw exposure on performance of concrete columns strengthened with advanced composites［J］.ACI Materials Journal，1999，96(5):605-610.

［9］Green M F，Dent A J S，Bisby L A.Effect of freezethaw cycling on the behavior of reinforced concrete beams strengthened in flexure with fiber reinforced polymer sheets［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，2003，30(6):1081-1088.

［10］Reis J M L，F(xiàn)erreira A J M.Freeze-thaw and thermal degradation influence on the fracture properties of carbon and glass fiber reinforced polymer concrete［J］.Construction and Building Materials，2006，20(10):888-892.

［11］朱江.預(yù)應(yīng)力混凝土梁在凍融循環(huán)后的受力性能研究［D］.揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，2006.

［12］任慧韜，胡安妮，趙國藩.凍融循環(huán)對玻璃纖維布加固混凝土梁受力性能影響［J］.土木工程學(xué)報，2004，37(4):105-110.

Ren Huitao，Hu Anni，Zhao Guofan.The influence of freeze-thaw action on behavior ofconcrete beams strengthened by glass fiber reinforced plastics［J］.China Civil Engineering Journal，2004，37(4):105-110.(in Chinese)

［13］張娟秀，葉見曙，姚偉發(fā).凍融循環(huán)作用下CFRP加固混凝土梁疲勞性能試驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，40(5):1034-1038.

Zhang Juanxiu，Ye Jianshu，Yao Weifa.Fatigue behavior of RC beams strengthened with CFRP sheets after freeze-thaw cycling action［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2010，40(5):1034-1038.(in Chinese)

［14］陳建偉，胡海濤，王希賓，等.玄武巖纖維加固混凝土梁的凍融試驗(yàn)研究［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報，2008，29(3):27-30.

Chen Jianwei，Hu Haitao，Wang Xibin，et al.Experiment with the Freeze-Thaw of the Concrete Beams Reinforced by BFRP［J］.Journal of Qingdao Technological University，2008，29(3):27-30.(in Chinese)

［15］刁波，孫洋，葉英華.持續(xù)承載鋼筋混凝土梁的凍融循環(huán)試驗(yàn)［J］.中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，42(3):785-790.

Diao Bo，Sun Yang，Ye Yinghua.Experiments of persistent loading reinforced concrete beams with freezethaw cycles［J］.Journal of Central South University:Science and Technology，2011，42(3):785-790.(in Chinese)

Eccentric compressive behaviors of RC columns after freeze-thaw cycles

Cao Dafu1Ma Zhao2Ge Wenjie1Yuan Shenfeng1Zhang Zheng1
(1College of Civil Science and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China)
(2Jiangsu Jiangdu Planning and Architectural Design Institute Co.，Ltd.，Yangzhou 225200，China)

Abstract:To investigate the eccentric compressive behaviors of reinforced concrete(RC)columns after freeze-thaw cycles，compressive strength tests of concrete cubes after 0，75，100，125，150 freeze-thaw cycles were carried out.Then，30 RC columns were fabricated，and the corresponding static eccentric compressive experiments after 0，75，100，125，150 freeze-thaw cycles were carried out.The relationships between the relative compressive strength of concrete，mass loss rate，relative dynamic elastic modulus and the number of freeze-thaw cycles were analyzed，respectively.The influences of the number of freeze-thaw cycles and the eccentric distance of axial force on the compressive behaviors of RC columns were studied.The results show that with the increase of the number of freeze-thaw cycles，both the cracking load and the ultimate load of RC columns decrease while the deflection increases gradually.Moreover，large eccentric compression failures of some specimens turn into small eccentric compression failure.The current concrete structure design code about the ultimate load is still suitable for RC columns after freeze-thaw cycles.

Key words:freeze-thaw cycle;reinforced concrete columns;eccentric compression;bearing capacity

中圖分類號:TU375.1

A

1001－0505(2014)01-0188-06

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.034

收稿日期:2013-06-08.

曹大富(1964—)，男，副教授，dfcao@yzu.edu.cn.

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50978224，51278445，51308490)、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計劃資助項目(2013-K4-17)、江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20130450)、江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項目(13KJB560015)、揚(yáng)州市科技計劃資助項目(2012149).

曹大富，馬釗，葛文杰，等.凍融循環(huán)作用后鋼筋混凝土柱的偏心受壓性能［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，44(1):188-193.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.034］