HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土短柱轴压性能试验

顾杨明, 王静峰,2, 沈奇罕, 丁兆东, 邵幸巧

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.先进钢结构技术与产业化协同创新中心,安徽 合肥 230009)

为落实《国务院关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案》的通知,住房和城乡建设部出台了关于加快应用高强钢筋的指导意见，意见指出要促进钢铁业和建筑业转变发展方式,在建筑工程中加快应用400 MPa级以上高强度钢筋，并将高强钢筋推广应用纳入国家开展的节能减排、绿色建筑行动等工作中[1]。使用高强钢筋可减少钢筋加工与连接的工程量,能解决建筑结构中,尤其是梁柱节点部位,钢筋密度过大、操作困难的问题,有助于避免“肥梁胖柱”,对保障工程质量和安全可靠性具有重要意义。

本文使用的HRB635级热轧带肋高强钢筋是一种通过热轧工艺微合金化的新型高强金属建筑材料,相比于余热处理与冷加工高强钢筋具有强度高、延性好、成本低、环境效益和社会经济效益好等优势,将其在工程中大力推广和应用,在实现建筑节能环保等方面具有重大意义。

近年来,国内外有关高强钢筋的研究与应用正逐步开展,并取得了一定的成果。对于HRB500级热轧带肋高强钢筋在结构设计中的应用研究已较为系统全面,但是对于HRB600级及以上高强钢筋在结构与构件上应用规定的研究涉及较少,这在一定程度上限制了HRB600级及以上高强钢筋的应用。因此,国内研究人员进行了HRB600级高强钢筋基本性能及其混凝土构件的相关受力性能研究。在黏结锚固性能上,文献[2-3]分别研究了保护层厚度、混凝土强度、配箍率、锚固长度等参数对600 MPa级高强钢筋黏结和锚固性能的影响;在梁构件受弯性能上,文献[4]进行了600 MPa级钢筋混凝土受力性能的研究,得出纵筋配筋率越大,梁的承载力越大、延性越好的结论;在柱构件受压性能上，文献[5]通过对9根HRB600级钢筋混凝土柱的轴压性能试验研究发现提高混凝土强度和纵筋强度,可明显提高柱的承载力;在构件抗震性能上，文献[6]对5根HRB600级高强钢筋混凝土柱进行了低周往复荷载试验,得出试件的滞回曲线总体上呈饱满梭形状,试件具有较好的抗震性能的结论。然而,上述研究的HRB600级高强钢筋的生产工艺多为热处理或冷轧工艺。

本文研究的HRB635级热轧高强钢筋相比于余热处理钢筋具有明显的流幅与屈服点,且可焊性能更好;相对于冷加工钢筋,有着更好的塑性韧性。因此,为详细研究HRB635级热轧带肋高强钢筋竖向承重构件的轴心受压性能和受力机理,本文进行了12根HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土短柱的轴向受压性能试验,深入分析高强箍筋配箍率、高宽比和纵筋配筋率等参数对其破坏模式、承载力以及延性的影响规律,最终提出适用于计算HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土轴压柱的承载力计算公式,为其在实际工程中的应用提供理论依据。

1 HRB635级热轧带肋高强钢筋

试验采用的HRB635级热轧带肋高强钢筋为热轧成形并控冷之后得到的微合金化成品钢筋,具有强度高、流幅和屈服点明显、可焊性好、塑性韧性优越等明显优势。其生产工艺为:顶底复吹转炉冶炼→吹氩、LF精炼→六机六流方坯连铸→步进梁式加热炉加热→连续棒材轧机成材→冷床自然降温。钢筋样品的横向金相组织如图1所示。

图1 钢筋断面组织形貌

其芯部组织与边部组织均为等轴的“铁素体+珠光体”结构,且晶粒度为10级超细晶粒度,说明其力学性能较好,性能更加稳定。

根据文献[7]规定,选取直径为8、14、16、18、20 mm的HRB635级热轧带肋高强钢筋进行拉伸试验,测得钢筋的各项参数,见表1所列。

表1 钢筋材料性能试验结果

由表1可知,HRB635级热轧带肋高强钢筋的屈服强度fy均在635 MPa以上,强屈比均超过1.25,极限抗拉强度δb均大于850 MPa,弹性模量基本在200 GPa左右,断后延伸率大于9%,各性能指标优越且均满足文献[8]抗震钢筋的要求。

2 试验概况

2.1 试验设计与试验参数

按实际工程的1∶2缩尺模型设计了12个混凝土试件。标准试件截面尺寸为250 mm×250 mm,高度为750 mm。混凝土强度均为C50,箍筋直径均为8 mm,按照文献[9]对同等条件养护下混凝土试块进行试验,混凝土的力学性能指标如下:立方体抗压强度为54.61 MPa，轴心抗压强度为35.33 MPa，弹性模量为34.8 GPa。

以标准试件6-4-A01为例,纵筋使用HRB635级热轧带肋高强钢筋,箍筋使用HRB400级普通钢筋。

试件截面如图2所示,图2中单位为mm。

图2 轴压短柱试件示意图

本试验试件主要参数及详细信息见表2所列。

表2中：试件编号首数字表示纵筋强度，6表示HRB635;第2个数字表示箍筋强度;4表示HRB400;A表示轴压。

表2 试件参数

2.2 加载方式

本试验使用YES-500型数控压力试验机进行加载。装置及测点具体位置如图3所示。试验采用力-位移混合加载制度,各阶段分别逐级进行加载。开始前采用数值分析方法初步估算轴压试件的极限承载力,以便于确定试验的加载级数,同时还需要进行预加载,清除加载部件与试件之间的间隙。正式加载时,在达到估算极限承载力的50%前,每级荷载为100 kN,持荷时间为60 s;之后,每级荷载为50 kN,持荷时间增加为120 s。当试件的极限承载力下降至峰值荷载的85%或者构件变形过大时,试验采用位移加载制度,每级加载1～3 mm,实时采集荷载-位移曲线,进而获得试验下降段。

图3 试验装置及测点布置图

3 试验现象与破坏模式

由于受加工平整度误差影响,试件6-6-A23和试件4-4-A61的破坏部位发生在柱的上端角部,呈局部受压破坏(局压破坏),其余试件的破坏模式均为轴压破坏。现以试件6-6-A21为例,说明高强钢筋混凝土柱轴压试件的试验现象和受力破坏过程,如图4所示。

图4 试件6-6-A21破坏现象

由图4a可知,当荷载较小时,试件处于弹性阶段,混凝土的应变与荷载呈线性变化关系。当荷载达到极限荷载的25%～30%时,柱子表面开始出现竖向微裂缝,但数量较少。

由图4b可知,随着荷载的继续增大,达到极限荷载的50%～60%左右时,试件进入塑性阶段。随着裂缝宽度不断变大,并伴随其他新裂缝出现,保护层开始剥落,随着荷载的持续增大,达到极限荷载的80%时,中部裂缝逐渐扩展,最长能达到1/2柱长,宽度继续增大,并出现“噼啪”声。

由图4c可知,当荷载达到极限荷载时,变形加剧,混凝土保护层大面积脱落,核心混凝土达到极限压应变并被压碎,柱四周出现竖向裂缝,竖向裂缝和斜裂缝相交并贯通整个试件,纵筋被压屈外凸,表明此时纵向钢筋达到或接近屈服强度,试件进入破坏阶段。

4 试验结果分析

4.1 荷载-位移曲线

每个试件的荷载-竖向位移曲线如图5所示，图5中:N为承载力;Δ为位移。通过图5中曲线分析不同参数对试件承载力、刚度的影响。

由图5a可知,随着纵筋配筋率的提高,试件的承载力和峰值荷载对应的竖向位移均相应地提高;加载初期,3个试件的弹性刚度相差不大,进入塑性阶段,试件6-4-A12明显比试件6-4-A11的整体刚度要高,说明在混凝土进入塑性发展阶段,钢筋仍然处于弹性阶段,使得配筋率高的试件整体刚度得到提高。

由图5b～图5d可知,箍筋强度对高强钢筋混凝土短柱的弹性刚度和极限承载力影响不明显。试件6-6-A23由于发生局压破坏,极限承载力有所下降。由图5e可知,在体积配箍率较低时,保持其他参数不变,提高体积配箍率可明显提高其承载力,而当体积配箍率超过1.5%时,增大体积配箍率对承载力的提升不再明显。

由图5f可知,高宽比的增大对高强钢筋混凝土轴压短柱的极限承载力影响并不明显。

由图5g、图5h可知,在相同配置下,HRB635级热轧带肋高强钢筋替代普通400 MPa级纵筋有利于提高试件极限承载力。

图5 试件荷载-竖向位移曲线

4.2 荷载-混凝土应变曲线

纵筋配筋率、箍筋强度、体积配箍率、高宽比以及与400 MPa级纵筋等面积和等强替换对HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土短柱试件中部的纵向压应变(负向横坐标)和横向拉应变(正向横坐标)的影响曲线如图6所示。

由图6可知,随着纵筋配筋率的增大,试件的极限承载力和混凝土极限压应变(试件达极限承载力时对应的混凝土应变值)都增大,除了试件6-6-A23和试件4-4-A61发生局压破坏,其余试件压应变εu的实测值在0.003 0～0.003 5之间;从加载初期到试件破坏,当荷载相同时,提高配筋率,反而使得混凝土的应变下降,这是由于提高配筋率,相当于增强了整个试件的刚度,使得荷载相同时,试件的配筋率越高,钢筋和混凝土承担的应力越小,混凝土的应变也越小。当箍筋强度不同时,对应变曲线的上升段影响并不明显。但是,随着箍筋强度和体积配箍率的增大以及高宽比的减小,混凝土的峰值压应变会提高。同时,通过分析曲线可以发现,对400 MPa级普通钢筋进行等面积替换,无论是极限承载力还是峰值压应变,都会增大。

图6 荷载-混凝土应变曲线

4.3 荷载-纵筋应变曲线

各参数对荷载-纵筋应变曲线的影响如图7所示。

各参数对纵筋应变的影响规律与对混凝土应变的影响规律基本一致。

以纵筋配筋率为例说明,随着纵筋配筋率的增大,纵筋的峰值压应变会略微增大,除了试件6-6-A23和试件4-4-A61发生局压破坏,其余试件应变数值都超过εs=-0.003 3,均达到屈服;但是,当配筋率增大时,相当于提高了整个试件的刚度,在荷载相同时,配筋率大的试件应变小于配筋率小的试件。

4.4 荷载-箍筋应变曲线

各个参数对荷载-箍筋应变曲线的影响如图8所示。由图8可知,纵筋配筋率越大,箍筋强度越高以及高强箍筋体积配箍率越大,中部的箍筋峰值应变越大,因为这些参数的增大可以阻滞或延缓混凝土内微裂缝的发展,所以能够提高混凝土耐受变形能力,从而延缓了混凝土最终破坏的到达,激发了箍筋的被动约束能力。

4.5 相对轴力与位移延性系数

为了消除试件混凝土强度和截面尺寸的影响,本文引用相对轴力[10]来反映高强钢筋核心混凝土的增强作用。

相对轴力FRA计算公式如下:

(1)

其中:As为纵筋截面面积;fy、fc分别为纵筋屈服强度和混凝土轴心抗压强度设计值。

为了解HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土轴压短柱的延性,使用位移延性系数μ来评价其延性性能,即

μ=Δf/Δy

(2)

其中:Δy为屈服位移;Δf为极限位移。

各组试件相对轴力、位移延性系数见表3所列,表3中，Δu为从加载至试件破坏的最大位移。

表3结果表明,相对轴力随着高强箍筋配箍率和箍筋强度的增大而增大,采用HRB635级高强箍筋可为核心混凝土提供有效约束,增大混凝土抗压承载力。

表3 相对轴力、位移延性系数

由表3可知,各组试件的延性系数在1.675到3.996之间。通过比较可发现试件4-4-A51和6-4-A61的延性系数只相差0.006,说明HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土短柱具有良好的延性。由表3还可知,随着纵筋配筋率、箍筋强度和高强箍筋配箍率的增大,高宽比的减小,试件的延性系数明显提高,这早由于当试件进入塑性阶段后,提高箍筋强度和高强箍筋配箍率,相当于加强了对核心混凝土的环向约束作用。

屈服位移Δy取法是取N-Δ曲线弹性段切线与过峰值点的切线交点处的位移;极限位移Δf取承载力下降到峰值承载力的85%时对应的位移[11],具体取法如图9所示。

图9 位移延性系数的确定

5 承载力计算

轴压短柱承载力的试验结果、计算结果和理论结果见表4所列。

(1) 中国规范承载力的计算与比较。文献[8]中钢筋混凝土轴心受压构件正截面受压承载力的计算公式为:

(3)

其中:0.9为保持与偏压构件正截面承载力可靠度相近的降低系数;φ为钢筋混凝土构件的稳定系数;fy′为钢筋屈服强度设计值。

根据(3)式分别取钢筋和混凝土强度的实测平均值和标准值计算,分别得到了轴压试件的实际承载力计算值Nc1和规范规定的设计承载力计算值Nc2。

由表4可知,Ntest与Nc1的比值的范围为1.01～1.16,平均值为1.1,变异系数为0.04。Ntest与Nc2比值的范围为1.49～1.74,平均值为1.63,变异系数为0.064。由此可知,文献[8]设计规范的轴心受压钢筋混凝土柱设计方法来评估HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土轴压短柱的设计和极限承载力较为保守。

表4 轴压短柱承载力的试验结果、计算结果和理论结果

(2) 美国规范承载力的计算与比较。文献[12]中钢筋混凝土轴心受压构件正截面受压承载力的计算公式为:

(4)

其中:φ为轴压构件的承载力降低系数，矩形钢箍取0.65;0.8为矩形钢箍柱考虑荷载偶然偏心的影响系数;fc′为混凝土试件规定的抗压强度。

根据(4)式计算得出设计承载力计算值Nc3, 由(3)式、(4)式分别计算得到Nc2和Nc3,Ntest与Nc2、Nc3比值的平均值分别为1.60、3.19,说明当前规范[8,12]规定的承载力设计方法偏向安全,但过于保守。因此,有必要提出针对HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土轴压短柱承载力的实用计算方法。

(3) 承载力计算方法。。本文在文献[8]中给出的普通钢筋混凝土轴压短柱的承载力公式的研究结果的基础上,综合考虑各影响因素及混凝土匹配性的影响,利用体积套箍效应系数φρ和强度匹配系数k对公式进行调整,提出了适用于HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土轴压短柱的承载力计算公式如下:

(5)

φρ=-11.7γ2+3.903γ+0.729

(6)

k=0.146(εs/εc)2-0.943(εs/εc)+2.48

(7)

γ=ρvfyv/fc

(8)

其中:As′为钢筋的面积;εs为钢筋的屈服应变;εc为混凝土达到轴心抗压强度时的应变;ρv为体积配箍率;fyv为箍筋的屈服强度。

为了验证本文所提的公式对HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土轴压短柱承载力计算公式的适用性,将本文中的试验结果Ntest与计算公式的结果Nc4进行对比,由于试件6-6-A23和试件6-4-A61发生局压破坏,不适用于此公式,故不再计算,其余试件计算结果比值的平均值为1.007、标准差为0.056。通过分析可发现,用该方法计算的结果与试验结果基本吻合,故可用于计算HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土轴压短柱的承载力。

6 结 论

(1) HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土轴压短柱受压过程可分为弹性阶段、塑性阶段、极限状态、荷载下降段;破坏模式为轴压破坏和部分局压破坏。

(2) 影响HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土轴压短柱承载力的主要因素包括纵筋配筋率、箍筋强度、高强箍筋配箍率、高宽比。随着高宽比的减小，箍筋强度、高强箍筋配箍率、纵筋配筋率的增大,HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土轴向受压短柱承载力增大。无论与400 MPa级纵筋是等面积替换还是等强替换,HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土短柱的承载力都明显增大。

(3) 相比于使用400 MPa级普通钢筋,HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土短柱表现出良好的延性。随着高宽比的增大,试件的延性变差,而当箍筋强度、纵筋配筋率和高强箍筋配箍率增大时,延性变好。

(4) 本文在现行普通钢筋混凝土轴压短柱的承载力计算公式基础上,综合考虑各影响因素,提出了适用于HRB635级热轧带肋高强钢筋混凝土短柱的轴压承载力计算公式。