机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱偏心受压承载力的计算方法

李凤兰，任访春，苏延峰，杨亚彬

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

随着建筑产业向以生态、环保、节能、利废为特征的绿色方向的发展，加之对天然砂资源的大力保护，以利用城市建设废弃混凝土为目标的再生骨料混凝土、以替代天然砂为目标的机制砂混凝土逐步得到重视，并得以迅速推广应用［1－4］．本文作者曾提出以机制砂和再生粗骨料配制混凝土，从而形成了介于机制砂混凝土、再生骨料混凝土之间的一种新型绿色混凝土，更能发挥这两种骨料的优良特性、更加突出混凝土生态环保的绿色特质［3］．

在新型混凝土应用于实际工程结构之前，需研究其结构受力性能及合理的设计方法． 对于再生骨料混凝土，有关学者已完成了考虑初始偏心距、再生骨料取代率、混凝土强度、长细比、初始偏心距、配置500 MPa 级钢筋等主要参数影响的静载轴心受压和偏心受压试验研究，得到了关于柱承载力和延性性能方面的研究成果［5－10］．

本文在第1 批机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱大偏心受压承载力试验研究的基础上［11－12］，补充进行了第2 批机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱小偏心和大偏心受压性能试验研究，通过与应用现行规范中的计算公式所得的计算结果的对比，阐述了机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱偏心受压承载力的主要控制因素及其影响机理，提出了偏心受压承载力计算建议．

1 试验概况

再生粗骨料由实验室废弃的混凝土梁用颚式破碎机经过初碎、二次破碎和筛分得到，外形与天然骨料接近． 通过试验测试骨料粒径按单级配5． 0 ～10．0 mm、10．0 ～20．0 mm、20．0 ～26．5 mm 的质量比4∶3∶3 混合，得到最大粒径26．5 mm 的连续级配．细骨料为机制砂．水泥为P·O 52．5 普通硅酸盐水泥，28 d 抗折强度9．2 MPa、抗压强度53．5 MPa．外加剂为聚羧酸高效减水剂，拌合水为自来水．

柱的纵向受拉和受压钢筋均为HRB335 级212 带肋钢筋，实测屈服强度420 MPa、极限抗拉强度625 MPa、弹性模量2．02 ×105MPa、屈服应变0．002 1．纵向配筋率均为1．03%，采用对称配筋，混凝土保护层厚25 mm． 箍筋为HPB235 级8@100 mm(RC1 和RC2 系列)或8@50 mm(RC3 系列)光圆钢筋．试验以长细比(l0/i)和初始偏心距(e0)为主要因素．柱的端部设有牛腿以便偏心加载．在每次浇筑试件时，伴随浇筑混凝土标准试块，用于测混凝土的实际强度(立方体抗压强度fcu、轴心抗压强度fc、劈裂抗拉强度ft)． 试验柱的编号与参数组合见表1，其中编号含义为:配筋柱RC 组号－初始偏心距e0(cm)，A 和B 表示每组有2 根柱．

试验加载设备为5 000 kN 四柱液压试验机．加载装置和测点如图1 所示．为了保证两端铰支，在构件上下两端设置滚轴铰支座． 加载过程及加载设备的设计安装均按照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)的规定进行［13］． 试验量测主要内容为柱中截面纵向钢筋和混凝土的应变，受压区混凝土的应变、裂缝宽度、柱中截面的侧向位移、截面开裂荷载和极限承载． 加载前先进行几何对中并预加载5 kN，安装位移计及连接应变片至采集仪器，检测调整试验装置至正常工作．正式加载实行分级，每级持荷8 min，加载值取极限承载力的1/10．试件开裂前，加载值达到开裂荷载的60 %以后，每级按10 kN 加载并注意观察柱受拉区裂缝情况． 找到开裂荷载后，恢复到原来的每级加载值．当加载值达到极限承载力的90 %以后，每级加载值降为原加载值的1/2 ～1/3．各试件的承载力极限状态见表1．为了偏于综合分析，表1 中同时列出了第1 批试验柱的主要测试成果．

图1 加载装置及测点布置图

表1 试验柱实测性能参数

2 试验结果分析

2．1 混凝土应变分析

为了验证试验柱正截面应变在轴向荷载下是否仍符合平截面假定及找到柱中截面应变的变化规律，在柱中截面对称布置4 个应变测点．各柱正截面混凝土应变与荷载的关系曲线如图2 所示． 由图2可知，各试验柱正截面应变分布基本符合平截面假定．

试验柱中受压侧混凝土的应变与荷载关系曲线如图3 所示，其中RC2 －15B、RC3 －15A/15B 均未能测得各自破坏位置的应变，应变数值在0．002 0和0．002 7 之间;RC1 －15B 应变数值为破坏前一级荷载下的混凝土最大应变，为0．003 1;RC1 －15A和RC2 －15A 的混凝土最大压应变数值均对应于各自破坏位置，分别为0．003 1 和0．003 2． 考虑到试验测试时的各种影响因素，各大偏心受压柱的混凝土极限压应变可达到《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)规定［14］的普通混凝土极限压应变值0．003 3． 对于小偏心受压柱RC3 －6A/6B，极限压应变达到了0．002 3 和0．002 7，受压边缘混凝土被压碎．

图2 试验柱中截面混凝土应变曲线

图3 受压侧混凝土应变与荷载关系曲线

2．2 钢筋应变分析

大偏心受压柱的中截面受拉和受压钢筋的应变与荷载关系曲线如图4 所示． RC2 －15A 和RC3 －15B 未能测得对应破坏位置的钢筋最大受压应变，应变数值分别为－0．001 8 和－0．001 9，其余各柱在破坏或破坏前一级荷载作用时的受拉和受压钢筋应变均达到或超过钢筋屈服应变0．002 1． 因此，可以认为柱在大偏心受压破坏时柱中截面受拉和受压钢筋均处于屈服状态． 小偏心受压柱RC3 －6A/6B达到极限承载力时，靠近轴向压力一侧的钢筋的应变均达到或超过钢筋屈服应变0．002 1，远离轴向压力一侧的钢筋仍处于弹性受拉状态．

图4 柱中钢筋应变与荷载关系曲线

2．3 侧向挠度分析

两端铰支的偏心受压柱，在轴向荷载作用下产生较大的侧向弯曲变形(图5)，进而引起承载力的降低，各试件柱中高度处侧向挠度的试验值和计算值见表2，所有试件的挠度试验值均对应于破坏荷载．因此，规范规定承载力计算时必须考虑偏心距增大系数的影响［14－15］．表2 中的侧向挠度计算值由试验初始偏心距乘以偏心距增大系数所得，从表中可以看出试验值与计算值比较吻合．相对而言，初始偏心距较大时，计算值小于试验值．

图5 柱RC3 －15B 侧向挠度曲线

表2 试验柱侧向挠度试验与计算值比较

2．4 破坏形态特征

大偏心受压柱的破坏形态如图6 所示． 由图6可知，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，属于大偏心受压破坏形态．

图6 试验柱破坏形态

从破坏过程上看，随着加载值增大，柱受拉区出现横向裂缝并逐渐向受压区发展，裂缝宽度和侧向挠度也不断增大．当加载值接近破坏荷载时，受压区边缘出现纵向裂缝并发展交叉，横向裂缝向受压区快速发展，裂缝宽度和侧向挠度也快速增大，受压区混凝土被压碎，试件失去承载能力． 由表1 可以看出，随着长细比的增大，大偏心受压柱在破坏时的最大裂缝宽度呈增大趋势．

3 偏心受压承载力计算方法

3．1 试验柱承载力计算结果

采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)规定的钢筋混凝土偏心受压构件正截面承载力计算方法，得到本文试验柱的偏心受压承载力的计算结果，其与试验结果的对比见表3．本次试验柱正截面抗裂轴向压力实测值与式(1)计算值的比值统计结果为:平均值1．003，标准差0．090．

表3 试验柱承载力试验与计算值比较

3．2 机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱偏心受压承载力影响因素的分析

根据本文试验结果，作为几何特征参数，长细比直接影响柱的偏心受压承载力．长细比增大，侧向弯曲变形加大，柱的承载力降低．作为轴向压力位置的表征参数，初始偏心距越大，轴向压力在柱截面产生的弯矩也越大，能够承受的极限轴向压力也就越小［15］．这些参数变化对机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱偏心受压承载力的影响与其对普通钢筋混凝土柱偏心受压承载力的影响是一致的．

在同样几何尺寸和配筋条件下，机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱与普通钢筋混凝土柱的偏心受压承载力的差异，主要来自于两种混凝土材料的力学性能的差异;如果它们的强度等级相同，则来自于同强度等级下轴心抗压强度和材料本构关系之间的差异以及它们与钢筋之间粘结－ 滑移关系的差异［2－4，16］．因此，不同类型混凝土之间材料性能的差异是其结构构件受力性能差异的根本性控制因素．

4 结 语

本文对机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱的正截面偏心受压承载力进行了研究，结果表明:

1)机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱与普通钢筋混凝土柱的偏心受压承载性能是一致的，可采用现行混凝土结构设计规范规定的方法来计算机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱的偏心受压承载力．

2)长细比和初始偏心距对机制砂再生粗骨料混凝土配筋柱偏心受压承载力的影响规律，与其对普通钢筋混凝土柱偏心受压承载力的影响规律是一致的．不同类型混凝土之间材料性能的差异，是其结构构件受力性能存在差异的根本性控制因素．

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