配有钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土短柱轴压力学性能

王钧　王志彬　李论

摘要：为研究配有钢纤维活性粉末混凝土（RPC）免拆柱模的钢筋混凝土短柱的轴压力学性能与钢纤维RPC免拆柱模对核心钢筋混凝土短柱轴压承载力的提高效果，对2根配有不同壁厚钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土方形短柱和用于对比的1根普通钢筋混凝土方形短柱进行了轴压试验研究；采用有限元模型对试验结果进行了验证，根据试验结果及有限元分析结果，探讨了配有钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土短柱轴压承载力计算方法。结果表明：钢纤维RPC免拆柱模显著提高了钢筋混凝土短柱的极限承载力，且延缓了纵筋的屈服；随免拆柱模壁厚的增加，钢筋混凝土短柱轴向变形随之减小，极限承载力随之提高，延性也相对提高；免拆柱模不但限制了钢筋混凝土短柱在轴向压力作用下的侧向变形，而且间接减小了轴向变形；有限元计算结果与试验结果吻合良好，该计算方法可为工程实践提供参考。

关键词：钢纤维RPC；免拆柱模；短柱；静力试验；有限元分析；轴压承载力

中图分类号：TU375.3文献标志码：A

Abstract： In order to investigate the mechanical behavior of reinforced concrete short columns with steel fiber reactive powder concrete （RPC） columnpermanent template and the improvement effect of steel fiber RPC columnpermanent template on bearing capacity of core reinforced concrete short column， axial compression tests on two square reinforced concrete short columns with steel fiber RPC columnpermanent template of different wall thickness and a general square reinforced concrete short column used for comparison were carried out. The test results were verified using finite element model. According to the test and finite element analysis results， the axial bearing capacity calculation method of reinforced concrete short columns with steel fiber RPC columnpermanent template was discussed. The results show that ultimate bearing capacity of reinforced concrete short columns is significantly improved by steel fiber RPC columnpermanent template， and the yield of longitudinal reinforcement is delayed. With the increase of columnpermanent template thickness， axial deformation of reinforced concrete short column decreases， and the ultimate bearing capacity and ductility relatively increase. The lateral deformation of reinforced concrete short columns under axial compression is limited and axial deformation is decreased indirectly by columnpermanent template. The finite element analysis results agree well with the test results. The calculation method can provide references for practical engineering.

Key words： steel fiber RPC； columnpermanent template； short column； static test； finite element analysis； axial bearing capacity

0引言

模板工程是钢筋混凝土工程施工的基本组成部分。传统模板及其支撑系统的设计、安装、拆除以及周转等工作极其繁复，使其经济比重约占钢筋混凝土工程的四分之一，工期约占钢筋混凝土工程的二分之一[12]。因此，有效改进模板技术将大力推进建筑技术的进步，目前已经成为各国学者亟待解决的一项研究课题。

施一雷等[3]进行的相关研究表明，将钢丝网、玻璃纤维等增强材料与高强水泥砂浆或混凝土进行复合制作而成的免拆模板在实际工程中的应用是可行的。将钢纤维加入到具有高强度、高耐久性能的活性粉末混凝土（RPC）材料中，二者结合所形成的免拆柱模可对核心钢筋混凝土柱起到良好的约束作用，其受力状态类似于钢管约束钢筋混凝土柱。各国学者对钢管约束钢筋混凝土柱进行了大量的试验研究，结果表明钢筋混凝土柱通过外部钢管的约束作用提高了构件自身承载力[48]。然而钢材耐火、耐腐蚀性能相对较弱，需进行相关处理，而钢纤维RPC材料的耐高温与耐腐蚀性能可弥补钢制材料的性能缺陷，将其作为免拆柱模材料与钢筋混凝土柱组合[911]，既可以使模板的功能属性得到满足与优化，又可改善构件的受力性能。

目前，尚未有关配有钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土柱的试验研究报道。本文对配有钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土短柱进行轴压静力试验研究，分析其力学性能，并通过有限元模拟，对比试验结果与有限元计算结果。在试验及有限元分析的基础上，初步建立这种复合柱的轴压承载力计算公式，可为工程实践提供参考。

1试验概况

1.1试件设计

试验共设计制作3个钢筋混凝土轴心受压方形短柱，其中2个短柱分别配有壁厚为15 mm和25 mm的钢纤维RPC免拆柱模，另一个短柱为普通钢筋混凝土柱，作为对比试件。试件的几何尺寸见表1，试件的纵筋及箍筋配置如图1所示，钢筋的实测力学性能见表2；试验所用混凝土强度等级为C30，混凝土与钢纤维RPC的实测力学性能见表3。

2试验结果与分析

2.1破坏形态

普通钢筋混凝土短柱与配有不同壁厚的钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土短柱试件破坏形态如表5所示。由表5可知，配有钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土轴压短柱的破坏形态与普通混凝土轴压短柱的破坏形态一致。免拆柱模延缓了受压混凝土破碎，使构件延性有所改善，且随免拆柱模壁厚增加，延性随之提高。在加载过程中，免拆柱模主要受到核心混凝土受压后的横向膨胀力作用，对核心混凝土的横向变形起到有效约束作用，从而提高钢筋混凝土短柱的竖向承载能力，体现了利用钢纤维RPC免拆柱模约束钢筋混凝土短柱可提高构件承载力的设计思想。

2.2荷载应变曲线及荷载轴向变形曲线

试件编号纵向应变/10-6横向应变/10-6AS1-2 266355AS2-577644AS3-604835心混凝土而未直接作用于免拆柱模上，免拆柱模主要受到核心混凝土受压后的横向膨胀力作用，因此免拆柱模应变终值与普通钢筋混凝土柱应变终值相比，纵向压应变偏小，而横向拉应变偏大。由于AS3的承载能力较AS2有所提升，故AS3的横向和纵向应变终值大于AS2。

加载初期试件处于弹性工作阶段，核心钢筋混凝土短柱受到钢纤维RPC免拆柱模的约束作用不大，其受力性能与无约束钢筋混凝土短柱相似，横向与纵向应变比值无明显变化。当荷载逐渐增加时，试件进入弹塑性工作阶段，荷载应变曲线斜率开始下降，此时钢纤维RPC免拆柱模发挥对核心钢筋混凝土短柱约束作用，限制混凝土侧向变形，免拆柱模受核心混凝土横向膨胀力作用的影响，横向应变增长迅速，横向与纵向应变比值呈上升趋势。在试件达到极限承载力后，随着钢纤维RPC免拆柱模的断裂，试件失去承载能力。

图7为钢筋混凝土柱中纵筋的荷载应变曲线，曲线拐点为钢筋屈服点。由图7可见，在同一钢筋应变值条件下，试件AS1，AS2，AS3所对应的荷载值依次增加，因此，由于钢纤维RPC免拆柱模的配置，使柱中纵筋的屈服得以延缓。

图8为试件荷载轴向变形曲线。由图8可见，与未约束钢筋混凝土短柱相比，配有钢纤维RPC免拆柱模的短柱轴向变形明显减小，免拆柱模的紧箍约束作用不仅限制了核心混凝土侧向变形，也间接提高了其轴向抗变形能力。

由表7可知：试件AS2，AS3轴压承载力比试件AS1分别提高了17.3%，34.1%；钢纤维RPC免拆柱模不仅延缓了柱中纵筋的屈服，而且可显著提高钢筋混凝土短柱的轴压承载能力。由此可见，将钢纤维加入到具有高强度、高耐久性能的RPC材料中，二者结合所形成的免拆柱模对核心混凝土可起到良好的约束作用。试验中随着施加荷载的不断增大，免拆柱模所受膨胀力逐渐增加，当免拆柱模产生裂缝时，横跨在裂缝间的钢纤维成为主要受力者，由于钢纤维不断拉出所产生的粘结应力分布在裂缝端部，产生反向应力作用，限制裂缝的发展，使得免拆柱模抗裂性能得到提升，从而对核心混凝土产生的约束作用效应也随之增强。3有限元分析与试验结果比较

采用大型通用有限元程序ABAQUS9.0对试验进行了仿真模拟分析。混凝土计算采用塑性损伤模型[1922]，采用实体单元模拟。钢筋采用桁架单元模拟，钢筋应力应变关系采用理想弹塑性本构关系[2225]。由于核心混凝土浇筑在预制的免拆柱模中，构成复合柱，因此建模时将免拆柱模与核心钢筋混凝土视为一体，采用分割的方法将核心混凝土和免拆柱模分割，并赋予不同的材料和界面属性。此外，在柱的上下两端加钢垫板，来模拟柱端的实际受力状况。

3.1破坏形态比较

图9为配有钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土试件有限元分析与试件破坏形态的对比。由图9可知：试验中试件上部及下部均出现主裂缝，且最终为上部主裂缝开裂较明显；有限元分析中试件上部及下部向外鼓曲，与试件破坏形态基本一致。

3.2轴压承载力比较

表8为有限元分析与试验所得试件轴压承载力对比。由表8可知：有限元分析所得轴压承载力比试验结果偏大，这是由于有限元模拟情况较为理想，认为免拆柱模与核心混凝土间粘结紧密，不产生摩擦滑移，可视为一体，免拆柱模的约束效果也得到最大化实现，但试验试件因实际条件所限，使得后浇筑的混凝土与免拆柱模之间的粘结不能理想化，进而影响免拆柱模的约束作用。

3.3荷载应变曲线及荷载变形轴向曲线比较

试件AS2，AS3的荷载应变曲线与荷载轴向变形曲线如图10～12所示。通过图10～12对比结果可以看出：混凝土荷载应变模拟曲线得出了更为具体的下降趋势，试件经有限元分析得出的承载力与试验测得的承载力相比有所提高，延性得到增强；有限元计算全过程中压应力值较试验值偏大，而拉应力值前期较大，后期较小，终值大于试验值；在相同应变下，纵筋荷载应变模拟曲线较试验曲线荷载值略有提高。

模型分析与试验结果不同，一是由于模型理想化，而制作试件时，由于受实际条件所限，使得后浇筑的混凝土与免拆柱模之间的粘结很难理想化，进而影响免拆柱模的约束作用。另外，ABAQUS有限元模拟分析中假定混凝土材料为均匀的各向同性材料[26]，实际混凝土是一种非均质多相复合材料，内部呈现的是不均匀性和各向异性。在有限元模拟分析中，钢纤维RPC材料的本构关系与实际情况存在偏差，这会导致试件内力的计算结果与试验结果有所不同。总体上来说，有限元分析很好地模拟了试件受力全过程，有限元分析与试验结果吻合较好。

4轴压承载力计算方法探讨

5结语

（1）由于钢纤维RPC免拆柱模的约束作用，使得核心混凝土有效区域内处于三向受压状态，显著提高了钢筋混凝土短柱的轴压承载力；随钢纤维RPC免拆柱模壁厚的增加，钢筋混凝土短柱轴压承载能力随之提高，延性也相对提高。

（2）配置钢纤维RPC免拆柱模不仅限制了钢筋混凝土短柱在轴向压力作用下的侧向变形，而且间接提高了轴向抗变形能力。

（3）利用ABAQUS有限元程序对钢纤维RPC钢筋混凝土轴压短柱的破坏形态和极限承载力进行了分析，有限元计算结果与试验结果吻合良好；由此可以通过有限元程序对该类试件进行大量的参数分析。

（4）提出了配有钢纤维RPC免拆柱模方形钢筋混凝土短柱轴压承载力计算公式，且本文公式计算结果与试验结果吻合较好，可为工程实践提供参考。

参考文献：

References：

[1]糜嘉平.模板工程施工专业化是必然趋势[J].施工技术，2008，37（8）：5557.

MI Jiaping.Formwork Engineering Construction Specialization Is Inevitable Trend[J].Construction Technology，2008，37（8）：5557.

[2]卢济波.对建筑模板工程施工技术的研究[J].中国建材科技，2014（S1）：211.

LU Jipo.The Study of Building Template Engineering Construction Technology[J].China Building Materials Science & Technology，2014（S1）：211.

[3]施一雷，王丽.FRP管混凝土柱结构的研究进展与展望[J].工业建筑，2007，37（增）：182186.

SHI Yilei，WANG Li.Development and Prospects of Hybrid FRPconcrete Columns[J].Industrial Construction，2007：182186.

[4]甘丹.钢管约束混凝土短柱的静力性能和抗震性能研究[D].兰州：兰州大学，2012.

GAN Dan.Static and Seismic Behavior of Steel Tube Confined Concrete Short Columns[D].Lanzhou：Lanzhou University，2012.

[5]刘界鹏，张素梅，郭兰慧.方钢管约束高强混凝土短柱轴压力学性能[J].哈尔滨工业大学学报，2008，40（10）：15421545.

LIU JiePeng，ZHANG Sumei，GUO Lanhui.Axial Compression of Behavior Square Tube Confined High Strength Concrete （HSC） Short Columns[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2008，40（10）：15421545.

[6]ZHU M C，LIU J X，WANG Q X，et al.Experimental Research on Square Steel Tubular Columns Filled with Steelreinforced Selfconsolidating Highstrength Concrete Under Axial Load[J].Engineering Structures，2010，32（8）：22782286.

[7]李新生，王刚.钢管约束混凝土轴压短柱承载力的研究[J].铁道建筑， 2009（11）：114116.

LI Xinsheng，WANG Gang.Research on Bearing Capacity of Confined Concrete Filled Steel Tubular Columns Under Axial Compression[J].Railway Engineering，2009（11）：114116.

[8]王廷伟，贡金鑫，吴志良，等. 圆形截面钢管钢筋混凝土构件承载力的计算[J].水利水运工程学报，2014（3）：1825.

WANG Tingwei，GONG Jinxin，WU Zhiliang，et al.Calculation Method for Loadcarrying Capacity of Circular Reinforced Concrete Members Covered with Steel Tube[J].Hydroscience and Engineering，2014（3）：1825.

[9]王钧，李行，陈旭，等.配钢纤维RPC永久柱模的RC框架抗震性能试验[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2014，30（2）：220226.

WANG Jun，LI Hang，CHEN Xu，et al.Experimental Study on the Seismic Performance of RC Frame with the Steel Fiber RPC Permanent Pillar[J].Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2014，30（2）：220226.

[10]王钧，陈旭，李行，等.配有钢纤维RPC永久柱模的RC框架静力性能试验[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2014，30（1）：917.

WANG Jun，CHEN Xu，LI Hang，et al.Static Experimental on Reinforced Concrete Frame Structures with Steel Fiber RPC Permanent Pillar[J].Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2014，30（1）：917.

[11]王钧，李论，李行，等.钢纤维RPC永久柱模设计方法[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2014，30（6）：9991005.

WANG Jun，LI Lun，LI Hang，et al.Research on the Design Method for the Steel Fiber RPC Columnpermanent Template[J].Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2014，30（6）：9991005.

[12]周锡玲，谢友均，张胜.湿热养护制度对RPC200强度影响的研究[J].施工技术，2007，36（4）：4951.

ZHOU Xiling，XIE Youjun，ZHANG Sheng.Study on the Effect of Wethot Curing System on the Strength of RPC200[J].Construction Technology，2007，36（4）：4951.

[13]黄育，郭志坤，陈万祥，等.养护条件对钢纤维 RPC性能影响的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2004（2）：3840.

HUANG Yu，Guo Zhikun，Chen Wanxiang，et al.Experimental Study on the Effect of Curing Condition on the Performance of Steel Fiber RPC[J].China Concrete and Cement Products，2004（2）：3840.

[14]白永兵，郝文秀，李宏斌，等.钢纤维活性粉末混凝土配合比试验研究[J].河北农业大学报，2009，32（3）：109112.

BAI Yongbing，HAO Wenxiu，LI Hongbin，et al.Experimental Study on the Proportions of Raw Materials of Reactive Powder Concrete with Steel Fibre[J].Journal of Agricultural University of Hebei，2009，32（3）：109112.

[15]冯永德，江秀明.钢纤维RPC130配合比试验[J].辽宁建材，2010（8）：3940.

FENG Yongde，Jiang Xiuming.Test of RPC130 Mix Ratio of Steel Fiber[J].Liaoning Building Materials，2010（8）：3940.

[16]朱迪，袁瑞军，姚立慧.活性粉末混凝土的研究现状与展望[J].建材世界，2010，31（1）：2022.

ZHU Di，YUAN Ruijun，YAO Lihui.Research Status and Prospects of Reactive Powder Concrete[J].The World of Building Materials，2010，31（1）：2022.

[17]郑文忠，吕雪源.活性粉末混凝土研究进展[J].建筑结构学报，2015，36（10）：44-58.

ZHENG Wenzhong，LV Xueyuan.Literature Review of Reactive Powder Concrete[J].Journal of Building Structures，2015，36（10）：4458.

[18]李莉.活性粉末混凝土梁受力性能及设计方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

LI Li.Mechanical Behavior and Design Method for Reactive Powder Concrete Beams[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2010.

[19]ABAQUS Inc.ABAQUS Theory Manual[M].Providence：ABAQUS，Inc，2003.

[20]刘鹏飞.圆钢管混凝土柱施工期结构性能研究[D].重庆：重庆大学，2014.

LIU Pengfei.Research on Structure Properties of Concrete Filled Steel Tube Column in Construction[D].Chongqing：Chongqing University，2014.

[21]王宇航，聂建国，樊健生.钢管混凝土在压弯扭受力状态下的有限元模型[J].哈尔滨工业大学学报，2013，45（8）：9498.

WANG Yuhang，NIE Jianguo，FAN Jiansheng.Finite Element Model of Concrete Filled Steel Tube Subjected to Compressionbendingtorsion Combined Load[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2013，45（8）：9498.

[22]陈立保.方钢管混凝土力学性能有限元分析[D].武汉：武汉大学，2004.

CHEN Libao.Analysis of Square Concrete Filled Steel Tubes Mechanical Behavior in Finite Element Method[D].Wuhan：Wuhan University，2004.

[23]景悦.方钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析[D].保定：河北农业大学，2008.

JING Yue.Nonlinear Finite Analysis on Square Concretefilled Steel Tube Column Under Axial Loading[D].Baoding：Agricultural University of Hebei，2008.

[24]丁发兴，余志武，蒋丽忠.圆钢管混凝土结构非线性有限元分析[J].建筑结构学报， 2006，27（4）：110115.

DING Faxing，YU Zhiwu，JIANG Lizhong.Nonlinear Finite Element Analysis of Steel Tube Concrete Structure[J].Journal of Building Structures，2006，27（4）：110115.

[25]陈杰，葛庆子，马华.竖向地震荷载影响下框架柱破坏的理论分析[J].土木建筑与环境工程，2010，32（增2）：239241.

CHEN Jie，GE Qingzi，MA Hua.Theoretical Analysis on Damage of Frame Column Under Vertical Seismic Loads[J].Journal of Civil，Architectural & Environmental Engineering，2010，32（S2）：239241.

[26]唐欣薇.基于宏细观力学的混凝土破损行为研究[D].北京：清华大学，2008.

TANG Xinwei.Study on Damage and Fracture Behavior of Concrete Based on Macro and Meso Mechanics[D].Beijing：Tsinghua University，2008.

[27]周绪红，甘丹，刘界鹏，等.方钢管约束钢筋混凝土轴压短柱试验研究与分析[J].建筑结构学报，2011，32（2）：6874.

ZHOU Xuhong，GAN Dan，LIU Jiepeng，et al.Expermient and Analysis on Square Tubed Reinforced Concrete Stub Columns Under Axial Compression[J].Journal of Building Structures，2011，32（2）：6874.

[28]RICHART F E，BRANDTZAEG A，BROWN R L.A Study of the Failure of Concrete Under Combined Compressive Stresses[R].Urbana：University of Illinois，1928.

[29]WANG J，SUN Z W.Application and Design of the New Steel Fiber RPC Columntemplate Without Demolition[J].Applied Mechanics & Materials，2011，120：288291.