冻融循环作用下偏心受压柱承载性能分析

周 敏 陈晶晶 焦芳芳

(1.江苏省水文水资源勘测局无锡分局，江苏 无锡 214026；2.江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029)

混凝土材料被广泛应用于各种基础设施建设，是建设领域重要的材料之一，然而在使用过程中发现，许多结构由于耐久性不足未达到承载能力即破坏，且这种损伤是不可逆的。特别是高寒地带的饱水混凝土结构，冻融破坏成为耐久性不足的重要原因。研究发现，东北地区21%的大坝迎水面和溢流面等结构长期处于饱水状态，在冻融作用下由于耐久性不足提前破坏。目前针对混凝土材料在冻融循环下性能研究较多，而对混凝土构件受力性能研究较少。本文通过冻融循环对偏心受压柱受力性能进行影响分析，为冻融状态下钢筋混凝土偏心受压构件设计提供参考。

1 试验概况

1.1 构件设计

试验构件为C40钢筋混凝土柱，具体尺寸、配筋见图1。考虑0次、75次、100次、125次、150次5种冻融循环以及12mm、24mm、36mm、84mm、96mm、108mm 6种偏心距，共设计制作构件30根。

图1 试验柱尺寸及配筋图 (单位：mm)

1.2 冻融试验

试验依托冻融机，采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082—2009)中的快冻法进行。在0次、75次、50次、100次、125次、150次循环结束后，分别取出棱柱体构件，观察构件剥蚀状况，观测质量、弹性模量,取出立方体构件，观测抗压强度,见图2、图3。

图2 观测动弹性模量

图3 观测抗压强度

1.3 静载试验

利用3000kN液压机进行偏心加载试验，加载形式见图4。加载过程中观测柱体破坏形态，记录钢筋应变、开裂荷载、破坏荷载、柱两端及中间百分表读数。

图4 加载形式 (单位：mm)

2 冻融循环试验结果分析

2.1 构件剥蚀状况

经过不同程度的冻融循环试验后，构件剥蚀状况见图5。可以看出，冻融程度越深，构件剥蚀越严重。冻融循环达75次时，构件表层混凝土有轻微剥落掉皮现象；达到100次时，表层混凝土剥蚀程度加深，少量骨料露出；达到125次时，表面混凝土严重剥落，大量骨料露出；达到150次时，粗骨料完全露出，棱角掉落，构件不成型。

图5 不同冻融循环次数下构件剥蚀状况

2.2 相对质量损失及动弹性模量

图6反映了质量随着冻融程度加深表现出先增加后减少的趋势。25次冻融循环时，质量有增加趋势；25次冻融循环后，质量逐渐减少。这主要是由于冻融次数较少时，构件破坏程度还不明显，而在冻胀作用下，内部微孔隙张开，吸收了较多水分，导致质量呈现增加趋势；随着冻融次数增加，构件剥蚀加剧，质量呈现显著减少趋势。

图6 质量损失随冻融变化规律

图7反映了弹性模量随冻融程度加深呈现下降趋势。50次冻融循环前，弹性模量下降较缓，50次时动弹性模量是初始值的89%；50次后，弹性模量下降速度明显增加，到125次时动弹性模量下降到初始值的10.1%；125次后，下降速度逐渐平缓，到150次时下降至初始值的1.6%。动弹性模量的变化主要和构件内部孔隙变化有关，这也说明了，随着冻融循环次数的增加，内部结构破坏加剧，直至开裂剥落破坏。

图7 弹性模量随冻融变化规律

2.3 相对抗压、抗拉强度

冻融循环后抗压、抗拉强度与未冻融抗压、抗拉强度的比值反映了相对抗压、抗拉强度，经与循环次数进行二次拟合，得到式(1)、式(2)和图8。

R=0.995

(1)

R=0.998

(2)

式中fcu,m——冻融循环后混凝土抗压强度，MPa；

ft——冻融循环后混凝土抗拉强度,MPa；

N——冻融次数。

从图8中可以看出，拟合公式适用混凝土冻融循环后强度计算，相对抗压、抗拉强度均随循环程度加深呈现抛物线形下降。

图8 相对抗压、抗拉强度与冻融循环次数关系

3 静载试验结果分析

3.1 破坏形态

试验柱破坏形态见图9，从图9中可知，裂缝发展及破坏结果与冻融循环次数无关，仅与偏心距有关，不同循环程度的试验柱表现出相似的破坏形态：当偏心距较小，为12mm、24mm时，混凝土截面在加载过程中全部受压，突然破坏时，加载点较近一侧钢筋达到受压屈服，另一侧钢筋未屈服，属于小偏心破坏；偏心距为36mm时，混凝土受拉区开始出现裂缝，但随着载荷增加，受拉裂缝发展不明显，受压区混凝土压碎，构件仍为小偏心破坏；偏心距达到84mm、96mm、108mm时，受拉区首先出现裂缝，随着荷载增加，受拉裂缝迅速增长，柱体挠度明显增加，随着受压区越来越小，受拉区钢筋达到屈服，受压区混凝土压碎，构件为大偏心破坏。

图9 破坏形态

3.2 挠度变化规律

图10为不同冻融循环程度的受压柱在不同偏心距作用下荷载与跨中挠度的关系曲线。从图10中可知，不同偏心距的受压柱受冻融循环程度影响趋势是一致的，都呈现冻融循环程度越深，构件挠度越大的现象，这主要是由于随着冻融程度加深，混凝土构件抵抗变形能力减弱，变形增长加快。图10还反映出，相同冻融循环次数的受压柱，偏心距不大于36mm时，挠度较小，偏心距大于36mm时，挠度较大，且随着偏心距变大而增加，这与破坏形态是一致的。

图10 受压柱荷载与挠度曲线

3.3 开裂荷载、极限荷载变化规律

试验柱在偏心距不大于24mm时为全截面受压的小偏心破坏，未出现开裂荷载；偏心距大于24mm时，开裂荷载与冻融循环次数关系曲线见图11。从图11中可知，开裂荷载随着冻融循环程度加深整体呈现下降趋势，75次冻融循环前，下降程度不明显，75次冻融循环后，开裂荷载下降速度突然增加。这与冻融程度加深后，混凝土承载能力以及与钢筋黏结强度下降有关。

图11 开裂荷载与冻融循环次数关系曲线

极限荷载与冻融循环次数关系曲线见图12，从图12中可知，极限荷载随着冻融循环程度加深，整体呈现下降趋势，但是小偏心破坏构件受冻融循环影响程度比大偏心破坏构件大。这主要是因为小偏心构件承载力主要取决于混凝土抗压强度以及受压钢筋强度，大偏心构件承载力主要取决于受拉侧钢筋。

图12 极限荷载与冻融循环次数关系曲线

3.4 极限荷载实测值与理论值对比

采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中大偏心、小偏心受压构件承载力计算公式得到理论值，与试验实测值对比分析，结果见表1。两者平均比值为1.11，变异系数达0.05，实测值接近理论值，且均大于理论值，表明规范公式适用于冻融后偏心受压柱承载力的计算，且相对安全。

表1 偏心受压承载力实测值与理论值对比

4 结 语

通过冻融循环后偏心受压柱静载荷试验，对30根构件承载力等性能进行分析，结论如下：

a.构件剥蚀程度随着冻融次数逐步加深。质量、动弹性模量、抗压强度、抗拉强度均随着循环次数增加呈非线性减少。同时，得到相对抗压、抗拉强度与循环次数的关系式。

b.构件柱在静载试验中，破坏形态与冻融循环次数关系不大，主要取决于偏心距。偏心距不大于36mm时为小偏心脆性破坏；偏心距大于36mm时为大偏心延性破坏。

c.小偏心受压柱挠度较小，大偏心受压柱挠度较大，且随着偏心距增大而增大。小偏心、大偏心受压柱挠度均随着冻融循环程度加深而增大，且冻融循环次数越多，增大速度越快。

d.开裂荷载、极限荷载随冻融循环程度增加均呈降低趋势，且小偏心受压构件极限荷载受冻融循环程度影响，下降幅度更明显。通过对比极限荷载规范理论值与实测值，得出规范公式适用于冻融后偏心受压柱承载力计算。