全高炉矿渣钢筋混凝土柱的延性试验.pdf

2 0 1 3年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CO NC RE I E AND C EME NT P R0D UC T S 2 01 3 No ． 2 F e b r u a r y 全高炉矿渣钢筋混凝土柱的延性试验 焦 涛， 李小伟， 陈 伟， 李学伟 ( 攀枝花学院土木工程学院， 6 1 7 0 0 0 ) 摘要 ： 通过对 1 1根全 高炉矿渣钢 筋混凝土柱的低 周反复荷载试 验 ， 根 据各柱的滞 回曲线 、 骨架 曲线等指 标 ， 对影响全矿渣柱延性的 因素进行 了分析 ； 以各柱 骨架曲线为基础 ， 得 出各柱的位移延性 系数 ， 对全 高炉渣柱的延性 性能进行 了分析 。 关键词 ： 全矿渣混凝土柱 ； 低周反复荷载试验 ； 滞 回曲线 ； 骨架曲线； 轴压比 ； 延性 Ab s t r a c t ： S u b j e c t e d t o h o r i z o n t a l l o w c y c l i c l o a d i n g ．b a s e d o n t h e e x p e ri me n t o f 1 1 c o l u m n s c o mp o s e d b y s l a g a g g r e g a t e ma t e ri a l s ，a c c o r d i n g t o i n d e x e s o f h y s t e r e t i c c u r v e a n d s k e l e t o n c u r v e t o e a c h c o l u mn ，t h e f a c t o r s i n fl u e n c i n g d u c ti l i t y a r e a n a l y z e d ．F o r e a c h c o l u mn ，c a l c u l a t e d y i e l d l o a d a n d l i mi t l o a d ，d i s p l a c e me n t d u c t i l i t y c o e ffic i e n t a n d d u c t i l i t y p e rf o r ma n c e a r e o b t a i n e d ． Ke y wo r d s ： C o l u mn s w i t h s l a g a g g r e g a t e c o n c r e t e ；Ho r i z o n t a l l o w c y c l i c l o a d i n g e x p e r i me n t ； Hy s t e r e t i c c u rve ； S k e l e t o n c u ~e ； Ax i a l c o mp r e s s i o n r a t i o ； Du c t i l i t y 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 2 — 6 0 — 0 4 0 前 言 高炉矿渣是指用铁矿冶炼生铁产生 的熔融矿 渣 ， 经 自然冷却或水淬而成的石质材料 ， 外观呈灰 黑色 ， 带有微孔结构 ， 属于非活性材料 ， 有效利用难 度大 。其化学成分与普通矿渣的差异主要体现在氧 化钙含量低 ， 二氧化钛含量高 ， 属低钙富钛重矿渣。 目前 ，攀钢高炉渣的堆积量达数千万 t ，每年新增 3 0 0余万 t ，大量的高炉渣堆积不仅造成环境污染 ， 也是对二次资源的极大浪费。攀钢高炉矿渣的开发 利用始于上世纪 7 0年代 ， 现在其产 品涉及砂浆 、 路 面砖 、 建筑砌块及混凝 土骨料等领域 ； 而用作混凝 土骨料被认为是综合利用矿渣材料的有效 途径 之 一 。已有的文献研究主要针对矿渣材料本身的基本 物理 、 化学及力学性能 ， 如高炉矿渣的坚 固性 、 压碎 值 、 结构稳定性及放射性等 ， 实验结果表 明： 该矿渣 可以替代传统砂石材料作为混凝土用骨料口 。矿渣 钢筋混凝土梁力学性能试验研究 ， 从构件受力角 度对矿渣混凝土 的力学性能 、变形性能进行 了分 析 ， 试验结果亦表明 ， 高炉渣用于钢筋混凝土梁中， 可以满足各项指标要求。 攀枝花周边存在多个断裂带 ，主要有昔格达 ， 李明久等 6个活动断裂。多年来 ， 攀枝花市被列为 地震重点监视防御区之一 ， 尤其是“ 8 ．3 0 ” 地震的发 生给当地敲响了警钟。在此情形下 ， 高炉渣混凝土 材料构件 ， 能不能满足抗震设计要求 ， 复杂受力状 态下矿渣材料 的延性表现如何 ， 在较高烈度 区是否 一 60一 可用作混凝土用骨料 ， 已成为当前推广使用高炉渣 材料的关键。本文通过对 1 1 根高炉渣全矿渣混凝 土柱的低周反复荷载试验 ， 对其变形能力进行了分 析 研究 。 1 试验 概况 1 ． 1 高炉全矿渣混凝土配合 比 全矿渣混凝 土是指粗细骨料均采用矿渣材料 ， 掺人掺合料等配制的混凝土。试验用骨料为环冶公 司生产 ， 水泥为瑞丰公司生产 ， 粉煤灰等级 Ⅱ级 。因 矿渣 的孔 隙特征 ， 骨料表面较天然骨料粗糙 ； 粗骨 料 、 细骨料的吸水率均大于普通碎石 、 砂 ， 施工 时会 吸附一部分水份。为了达到 良好 的和易性 ， 高炉渣 混凝土 配合 比与普通混凝土稍有差别 ，如表 l所 不n 表 1 全矿渣混凝土配合 比 k g ／ m 1 ． 2 构件设计 选择 常规框架构件尺寸模型 ，采用平 卧法浇 筑 ， 共制作了 1 2根构件 ， 构件模型设计见 图 1 阁 ， 试 验装置见 图 2 。 全矿渣混凝土共两类强度等级 ， 每个 强度等级中 ，有 2种纵筋配筋率和 3种配箍形式 ， 每类柱采用两种轴压比。设计轴压 比与试验轴压比 的换算关系为 n = 1 ． 6 1 6 n [ 6 1 ， 试验轴压比为 0 I 3和 0 ． 5 ， 焦涛 ， 李小伟 ， 陈伟 ， 等 全高炉矿渣钢筋混凝土柱的延性试验 8 卜 吕 卜 4 中 l 2 06 @8 0 ／ 8 0 1 -l b 4 中1 2 D6 @1 0 0 ／ l 0 0 2 ～ 2 1 -l e ■■ __● _一● ●_ __■ ■一 图 1 高炉全矿渣 柱试 件模 型 图 2试 验 装 置 设计轴压比 为 0 ． 4 8 5和 0 ． 8 0 8 。 1 ． 3 试验方法 试验在攀枝花学院结构试验室进行 ， 水平加载 设 备采用美国西岸公司电液伺服加载 系统 ， 坐动器 最大加载值为 1 0 0 T， 行程+ 2 5 0 ram。 竖向荷载通过稳 压千斤顶实现 ，力传感器对竖向加载值进行检测 ， 手动液压泵对竖 向加载值进行及 时的补压修正 ， 柱 2 00 Z 一 1 o0 坦 ． ． 一 - 2 0 0 z 0 位移／ ram 十字端部设有位移计。加载制度采用力一位移混合 控制方式 ， 即在构件屈服以前 ， 采用力控制 ， 每级荷 载循环一 次 ； 屈服后 ， 以位移量控 制 ， 每级循 环三 次。当加载值降至最大加载值的 8 0 ％时 ， 终止加载。 2试 验结 果及 分析 全矿渣混凝土柱 的破坏过程 与普通混 凝土柱 类似 。破坏形态为弯压型大偏心破坏 ， 表现为先出 现水平裂缝 ， 受拉钢筋先屈服 ， 低轴压 比时构件承 载力降低较慢 ； 高轴压 比时局部受压侧出现纵 向裂 缝 ， 承载力下降快 ， 变现能力差。试验过程 中， 因存 在柱施工质量 ，安装误差及螺杆 刚度等影响 因素 ， 试验结果表现出一定的非对称性。 2 ． 1 滞 回曲线 根据滞 回曲线的形式可将其分为四类 ：梭形 、 弓形 、 反 S形和 Z形。对于压弯构件 ， 滞回曲线基本 呈梭形 ； 当曲线呈反 S形或 Z形 时 ， 说明构件 中混 凝土与钢筋之间已经发生了较大的滑移[ 7 】 。因试件 较多 ， 仅列出 Z 1 、 Z 7及 Z 3 、 Z 4的滞 回曲线。 从 图 3 、 图 4可看 出 ， 在荷载较小 时 ， 试件处 于 弹性变形状态 ， 刚度变化不 明显 ， 滞 回环路径几乎 重合。随着荷载的增加 ， 残余变形逐渐加大 ， 滞 回环 的面积逐渐增大 。随着位移量 的迅速增加 ， 未出现 明显 的“ 捏缩” 现象。滞 回曲线上升段的斜率 随着每 级荷载值的增大而减小 ； 即使在同级加载 中 ， 后次 滞回曲线 的斜率呈下降趋势。滞 回曲线下降段的斜 率亦随加载值 、 循环次数 的增加而减小。以上均表 明， 随着加 、 卸载的进行 ， 构件的刚度出现退化。 图 3中， Z 1 、 Z 7柱配筋相同， 轴压比均为 0 ． 4 8 5 ， 强度分别为 5 2 ． 5 MP a和 6 8 ． 8 MP a 。虽然两柱的强度 不 同 ， 但滞 回曲线都 比较饱满 ， 吸收能量和耗散 能 力都很 大 ， 延性较好 。但滞 回曲线也表现一定的差 异 ： 随着矿渣混凝土强度 的提高 ， 对应 的同级加载 情况下 ， 曲线上升段斜率提高， 前期刚度提高； 最大 2 0 0 Z 铺1 0 0 坦 ． ， _ 2 。 1 5 2 0 ，／，／ 位移， m m ( a )Z 1 柱滞 回图( 5 2 ．5 MP a ) ( b ) Z 7柱滞回图( 6 8 ．8 MP a ) 图 3 不同强度等级滞回曲线 比较( 同压同箍) 一 6 l— 2 0 1 3年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 2期 2 0 0 Z ． 1 0 0 耀 ．。。 -2 。 0 1 5 2 0 位移， m 2 o o Z 1 (3 0 ：龌 ／ ， ． ． 1 一 1 0 位移／ ram 一 2 o O ( a )Z 3枉册 回图 ( n = O ． 4 8 5 ) ( b ) Z 4柱滞回图( n = 0 ． 8 0 8 ) 图 4 不同轴压 比滞回曲线 比较 ( 同强同箍) 荷载值增大 ， 但峰值点以后脆性增加 ， 承载力 、 刚度 复杂应力状态下亦表现出良好的粘结性能。此从柱 下降速度较低强度混凝土加快 ， 变形能力降低 。 图 4 构件受力角度得 出的粘结性质与高炉渣混凝土试 中 ， Z 3 、 z 4柱配筋相 同 ， 强度均为 5 2 ． 5 MP a ， 轴压 比 块的拉拔试验结果一致[ 8 1 。 分别为 0 ．4 8 5和 0 ． 8 0 8 。在低轴压 比的情况下 ， 构件 2 ． 2 延性分析 。 的滞 回曲线较高轴压 比的饱满 ， 构件承载力降低 幅 构件的延性与抗震性能密切相关 。本文采用位 度不明显 ， 延性好。 随着柱的轴压 比从 0 ．4 8 5提高至 移延性系数分析高炉全矿渣混凝土的变形能力 ， 即 0 ． 8 0 8 ， 虽然峰值荷载提高， 但 曲线饱满度明显恶化 ， = ／ ； 式 中 ， 为极限位移 ， 为屈服位移。 总变形量迅速减小 ， 即构件的变形能力 随轴压比的 在骨架 曲线中 ， 极 限位移根据极限荷载计算 ， 当水 提高而显著降低 ， 构件达最大承载力后 ， 承载能力 、 平荷载降至最大加载值 的 8 5 ％时 ，称为极 限荷 载 刚度衰减程度加快 ， 耗能能力退化 。 值 ； 屈服位移对应屈 服荷载 ， 屈服荷载根据骨架 曲 全矿渣混凝土与钢筋之间具备 良好 的粘结性 线按能量法确定 ， 骨架 曲线示例如图 5 ， 各构件 的 能 ， 是其共 同整体受力的基础。本批构件试验过程 试验结果见表 2 。 中， 未发现 明显 的钢筋粘结滑移现象 ； 试验数据绘 骨架曲线是连接各次循环加荷峰值点的曲线 ， 制的滞 回曲线基本呈梭形 ， 未出现带有明显滑移影 其反映 的延性性能与相应滞 回曲线得 出的结论 一 响的反 S 、 Z形等 曲线 ， 这表 明全矿渣混凝土与钢筋 致 。由图 5可看出 ， 当荷载较小时 ， 曲线呈弹性 性 之间的粘结性能 良好 。实际上 ， 因高炉渣骨料的多 质 。当纵筋配筋率和箍筋参数相同时 ， 在低轴压 比 孔性特征 ， 一方面 ， 其表面较天然骨料粗糙 ， 其与水 状态下 ， 在整个加 载过程 中 ， 骨架 曲线的变化基 本 泥之间的机械 咬合力强于普通骨料 ；另一方面 ， 施 上 比较 缓 慢 。 随着 柱 的轴 压 比从 0 ． 4 8 5提 高 至 工时粗细骨料 中的孔隙均要 吸附一定量的水 ， 而内 O ． 8 0 8 ，骨架曲线上升段和下降段的斜率均增大 ， 整 孔的吸附水一般为缓慢排出 ， 排出的吸附水又可促 个 曲线在 X 轴方 向被压缩， 总变形量减小 ； 即轴压 比 进水泥水化 ， 使混凝土的强度进一步提高。基于以 对延性影响最为显著。 上原 因， 矿渣 钢筋混凝 土的整体性能较好 ， 即使 在 在抗震规范中，一般以构件的延性系数达到 3 — 62— 2 0 0 。 Z 1 0 0 坦 - ． t 】 25 —2。 一15 —1。 二 5 10 15 20 2 位 移 ／mm 一 O— Z1 ．n = 0 ．48 5 。 一 △一 Z2 I n = O ．8 0 8 一 ■一 Z3． n = 0 ． 4 8 5 。 一 ☆一Z4 ．n ： 0 ． 8 0 8 ( a ) Z1 ~ Z 4柱 2 00 f Z 。 ． ． 铺 1 0 0 耀 ● _ ● 一I ‘ 5 1 0 1 5 2 0 位移／ m m — o — Z 5 ．n=0．485 彩 ～ △ 一 Z6 ．n=0 ．808 一 一 -一 Z 7， n = 0．4 8 5 一 ☆一 Z 8． n = 0．8 0 8 图 5 骨架曲线 ( b ) Z 5 ～ Z 8柱 焦涛 ， 李小伟 ， 陈伟 ， 等 全高炉矿渣钢筋混凝土柱的延性试验 注 ：表 中 Z 1 ～ Z 6实测 抗压强度 为 5 2 ． 5 M P a ； Z 7 ~ Z 1 1实测抗压 强度为 6 8 ． 8 MP a 。单号柱 轴压 比为 0 ．4 8 5 ，双 号柱轴压 比为 0 ． 8 0 8 。Z 8柱 ， 负方 向峰值 载后 异常破坏 。有效试验结果 1 1 根 。 以上来确定其抗震构造措施 。在表 2中 ， 随着轴压 比的提高， 各柱的延性系数平均降低 2 5 ％， 最大降 低 4 0 ％， 即轴压比对延性影响明显 。 Z 2 、 Z 8柱各种配 筋均相 同， 当轴压 比为 0 ． 8 0 8时延性系数均小于 3 ， 这说明 ： 在高轴压情况下 ， 尽管普通箍筋体积配箍 率大于复合箍柱 ， 接近十字箍柱 ， 普通箍筋形式 的 约束 能力仍无 法满足正常延性要求 ； 当然 ， 十字箍 和复合箍柱 的延性较好 ， 与其具有较高的纵筋率有 一 定关 系。其他柱的位移延性系数均大于 3 ( Z I O柱 接近 3 ) ， 满足一般结构抗震的延性要求 。因此 ， 参考 《 混凝土结构设计规范》 和《 抗 震结构设计规范》 等 进行设计 ， 采取合 理的配箍参 数 、 轴压 比等措 施能 够保证全矿渣混凝土柱具有 良好 的延性性能 。 实 际上 ，本批构件 的实 际强度 为 5 2 ． 5 MP a和 6 8 ． 8 MP a ， 已达到《 混凝土结 构设计规范》 中高 强混 凝土的范畴 ， 而高强混凝土 的脆性较普通混凝 土加 大 ， 延性相对降低 。此外 ， 因试件尺寸小 ， 混凝 土保 护层面积与核心面积 的比值远大于实际构件 ； 当保 护层退 出工作后 ，核心区的压力值 比正常压力偏 高 ， 造成试验柱位移延性普遍下降。而实际构件保 护层面积 比小 ， 构件的延性有更 多保证 。鉴于以上 原因， 认为高炉全矿渣柱的延性符合抗震要求 。 3结论 ( 1 ) 矿渣钢筋混凝土 的整体 性能较好 ， 未发现 明显 的钢筋粘结滑移现象 ； 试验数据绘制的滞 回曲 线呈梭形 ， 未出现带有 明显滑移影响 的反 S 、 Z形等 曲线。这表明即使在复杂应力状态下 ， 钢筋 和全矿 渣混凝土之间仍表现出 良好的粘结性能。 ( 2 ) 与普通混凝土延性性质类似 ， 高炉 全矿渣 混凝土强度 ， 箍筋形式 、 体积配箍率 及纵筋率等 因 素对构件延性均有影响 ； 而轴压 比对高炉渣构件的 延性影响最显著。以当前《 混凝土结构设计规范》 和 《 抗震结构设计规范》 等规范进行设计 ， 参照普通混 凝土构件 的设计计算方法 ，采取合理的配箍参数 、 轴压 比等抗震构造措施能够保证全矿渣混凝土柱 具有 良好 的延性性能 ， 达到抗震设计要求 。 参考文献 ： [ 1 】 王杰， 赵碧建． 高钛渣系列建材产 品的开发及应用[ J ] ． 建筑 石膏与胶凝材料， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 3 5 — 3 6 ． [ 2 ]陈剑雄 ， 肖斐． 钛矿 渣综合利用 的研究 [ J ] ． 建筑石膏与胶凝 材料， 2 0 0 5 ， 8 ( 6 ) ， 6 7 2 - 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