DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.037
内置块石RC墩柱轴压性能试验研究
黄群贤，陈志超，郭子雄，刘阳
(华侨大学 土木工程学院，福建 厦门，361021)
摘要：在福建沿海地区石结构房屋加固改造背景下，从合理利用废弃石材，减少固体废弃物排放角度出发，提出一种新型内置块石RC墩柱。通过4个内置块石RC墩柱轴压性能试验，研究内置块石、内置块石类型(整体型、节段型和块体型)等对RC墩柱轴压性能的影响，分析试件的破坏形态、承载能力、变形特征及应变发展等。研究结果表明：与普通RC柱相比，内置块石RC墩柱能显著提高RC柱的轴压承载力，提高幅度与内置块石类型有关，内置整体性块石RC柱的竖向承载力提高幅度可达115%；内置块石类型对RC柱破坏形态有重要影响，整体型内置块石RC柱的破坏形态为脆性破坏，塑性变形能力差，但极限变形能力比普通RC柱的优；内置块体型块石RC柱破坏形态与普通RC柱相似，具有较好的变形能力；与普通RC柱相比，内置节段型和块体型块石RC墩柱具有较好的竖向承载能力和变形能力。
关键词：RC墩柱；内置块石；节段型；块体型；轴压性能
中图分类号：TU311.3 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)05-1737-07
Experimental study on axial compression behavior of reinforced concrete piers infilled with big stone
HUANG Qunxian, CHEN Zhichao, GUO Zixiong, LIU Yang
(College of Civil Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)
Abstract: With the background of retrofitting of stone masonry buildings in Southeast China, for rational utilization of waste stone material, a new style of reinforced concrete (RC) pier infilled with big stone was proposed. In order to investigate the axial compressive behavior of RC pier infilled with big stone, four specimens were tested under axial loading. Particular emphasis was given to the effects of the presence and the forms of big stone infilled in RC piers. The RC pier un-infilled with big stone was tested as control specimen. The big stone infilled in RC piers had three forms which were monoblock, segment and lump. Based on the test results, the failure modes, bearing capacity, deformation characteristic and the development of strain were analyzed. The results indicate that compared with the RC piers, the presence of stone infilled in RC piers can significantly improve the compression capacity of RC pier, and the increase is related to the form of large stone. The axial compression capacity of RC pier infilled with monoblock stone is twice that of RC piers. The failure mode of the specimens is significantly related to the form of infilled stone. The RC pier infilled with monoblock failed in split failure mode, with poor plastic deformation, but the ultimate deformation is superior to that of control specimens. The failure mode of RC piers infilled with lump stone is similar to control specimen, and both of them have good capacity of deformation; Compared with control specimen, RC pier infilled with segment or lump stone has better performance of axial compression capacity and deformation capacity.
Key words: RC piers; infilled with big stone; segmental type; block type; performance of axial behavior
石结构房屋是闽南沿海地区居民采用的主要房屋形式之一，具有造价低廉、取材方便、抗风耐湿、耐腐蚀等优点。据统计资料，整个闽南沿海地区现有石结构房屋面积超过1亿m2，形成了别具特色的石建筑文化。由于石结构房屋整体性和抗震能力较差，存在“小震成灾、小震大灾”的隐患[1-3]。随着农村地区石结构房屋的加固改造及农村地区城镇化进程, 许多存有大量石结构房屋的村落将被大规模拆迁改造，由此将产生大量的旧石材。目前，对石结构房屋拆除所产生旧石材的普遍处理方法是当作固体废弃物与其他建筑垃圾随地掩埋，造成花岗岩石材这种不可再生资源的极大浪费。已有的关于石结构房屋的研究主要集中在石墙、石梁和石楼板等的加固[4-7]，对废弃石材再利用技术的研究仍未见报道，因此，有必要寻求一种科学、合理有效利用废弃石材的技术。在建筑垃圾回收利用研究领域中，混凝土废弃物的再利用技术得到国内外学者的大量研究[8-12]，其中再生骨料混凝土技术已得到广泛使用。但该技术存在过程繁琐、成本高、能源消耗大等问题，制约其在实际工程中的推广应用。针对再生骨料混凝土回收利用存在的问题，吴波等[13-17]提出了一种新的钢管再生混合构件的技术，通过薄壁钢管再生混合短柱轴压、抗剪及抗震性能试验研究，验证该技术的有效性，试验结果表明钢管再生混凝土混合构件的轴压、受剪和抗震性能总体上接近或略低于全现浇钢管混凝土构件。该技术简化了混凝土废弃物的再生利用工艺，有效提高再生混凝土的使用效率，该技术在实际工程中得到了成功应用。李佰寿等[18-19]采用薄壁方形钢管再生混合短柱进行轴压性能试验和抗震性能试验，也取得一定的成果。目前，有关石结构房屋拆除后废弃旧石材回收利用的研究仍然是个空白。为解决废弃旧石材的科学有效合理利用问题，基于再生混合构件的思路，本文作者提出了一种内置块石RC混合构件技术，将石结构房屋拆除后的废弃条石放入钢筋笼内，然后整浇成新的混合构件。为验证该技术的有效性，开展了内置块石RC墩柱的轴压性能试验研究，重点研究内置块石、块石形式等对RC墩柱轴压性能的影响。
1 试验
1.1 试件设计
试验共设计4个现浇钢筋混凝土圆形墩柱试件，其中1个试件为普通钢筋混凝土柱，其余3个试件为内置有不同形式块石的现浇混凝土柱。内置块石形式包括整体型、节段型和块体型等3种。4个试件中，RC-1为对比件，RC-2为内置整体型块石试件，RC-3为内置节段型块石试件，RC-4为内置块体型块石 试件。
试件几何尺寸及配筋构造如图1所示。所有试件均为直径400 mm，高度1 200 mm的钢筋混凝土圆形墩柱，混凝土强度设计等级为C25，纵筋和箍筋分别采用HRB335级和HPB300级钢筋，保护层厚度为30 mm。为避免加载过程中柱端发生局部受压破坏，柱上下两端设置有直径为50 mm、间距为50 mm的钢筋网片。
现浇混凝土立方体抗压强度实测平均值为27.1 MPa，实际钢筋的物理力学性能见表1。旧石材取自闽南石结构房屋拆除废弃条石，石材抗压强度为130 MPa，弹性模量为45 GPa。整体型块石的长×宽×高为150 mm×150 mm×1 000 mm，节段型块石的长×宽×高为150 mm×150 mm×300 mm，块体型块石粒径为150~200 mm，制备成的块石如图2所示。试件RC-4石块混合比为7.8%，其中混合比为混合柱内石块体积与整个混合柱的体积的比值。
图1 试件尺寸及配筋
Fig. 1 Dimension and reinforcement details of specimens
表1 钢筋力学性能
Table 1 Material properties of steel
图2 内置块石形式
Fig. 2 Form of stone material
1.2 试件制作
所有试件在实验室内现场浇注制作。试件采用钢模施工，施工前按设计要求绑扎好钢筋笼并放入钢模内。制作内置整体型块石RC墩柱，首先往钢模内灌入约100 mm厚的混凝土，然后吊入整体型块石，继续灌入混凝土并用插入式振捣棒不断振捣，直至钢模填满。内置整体型块石RC墩柱具体施工工艺示意图如图3所示。内置节段型块石RC墩柱的制作与内置整体型块石RC墩柱类似，只是节段应分次吊装放置。内置块体型块石RC墩柱的制作过程中将混凝土与块石交替放入钢模内并不断振捣，直至将钢模填满。所有试件浇筑完成后，放置室内自然养护。
图3 内置块石墩柱施工工艺
Fig. 3 Construction technology of RC pier infilled with big stone
1.3 加载及量测方案
试验在华侨大学结构实验室10 MN电液伺服长柱试验机上进行，试验加载装置如图4所示。试验采用分级加载制度，弹性范围内采用荷载控制，每级荷载为预计极限荷载的1/10；每级荷载的持荷时间为2 min，当纵筋屈服后改用位移控制，并以0.5 mm/min的速度加载至最大荷载的60%，终止加载。
在试验机台座上安装4个100 mm量程的导杆式位移计，以量测墩柱的轴向变形；在混凝土中部沿环向安装3个引伸仪(LVDT)，以量测柱中部混凝土的轴向变形，引伸仪标距为400 mm。试验采用电阻应变片量测墩柱纵筋应变和箍筋应变发展。在柱纵筋中部环向布置纵筋应变片，用于判断柱是否处于轴心受力状态，监测纵筋是否达到屈服应变。箍筋应变片布置在距柱底450 mm和600 mm处，用于测量试件侧向膨胀时箍筋的应变发展。图4所示为加载装置与测点布置示意图，图5所示为钢筋应变布置图。
图4 试验加载装置和测点布置
Fig. 4 Test setup and layout of LVDTs
图5 钢筋应变片布置
Fig. 5 Arrangement of strain gauges
试验过程中所有应变、荷载和位移数据均通过DH3816静态应变采集仪自动采集。
2 试验结果及分析
2.1 试验过程及破坏特征
各个试件的最终破坏形态如图6所示。
图6 试件最终破坏形态
Fig. 6 Ultimate failure modes
对比试件RC-1在加载初期处于弹性工作状态。当竖向荷载达到极限荷载的40%时，墩柱上部一侧出现第1条竖向裂缝。随着荷载的增加，横向变形增大，柱身上部的裂缝数量增多。当竖向荷载达到2 300 kN时，试件竖向荷载位移曲线呈现明显的非线性特征。当竖向荷载达到极限荷载的85%，柱身中部出现多条贯穿裂缝，最后伴随着混凝土保护层的严重剥落，竖向承载力严重退化，试件压溃破坏。
试件RC-2由于截面核心区整体型块石的存在，试件初始刚度增大，竖向变形相对较小。当荷载为2 800 kN左右，柱身上部出现第1条竖向裂缝。随着荷载增加，柱身上部的裂缝不断出现，在荷载为4 000 kN时，几条主要裂缝的裂缝宽度达到1.5 mm，试件荷载位移曲线呈现明显的非线性变化特征。当试件到达极限承载力5 994 kN时，竖向裂缝贯通，伴随着一声劈裂，柱底部混凝土保护层局部劈裂掉落，轴向承载力急剧下降，试验终止。试件最终呈现局部劈裂的破坏形态。
试件RC-3在加载过程中，当荷载达2 500 kN时，柱中部开始出现裂缝，随着荷载的增加，裂缝增多，裂缝宽度也不断变大，且混凝土保护层出现起皮并逐渐脱落。当荷载达到极限承载力4 080 kN时，裂缝贯通，柱身出现1条明显的主斜裂缝，柱子的轴向承载力严重退化，试件最终呈现压剪破坏形态。
试件RC-4的破坏过程与对比件RC-1相似。当加载到2 400 kN时，墩柱中上部混凝土才出现竖向裂缝。随着荷载的增大，裂缝宽度不断增大，荷载达3 350 kN时，混凝土大面积起皮、剥落，试件的轴向承载力迅速下降，随着大量混凝土的剥落，试件压溃。
为考察试件内部块石与混凝土2种材料的界面粘结性能及块石的损伤特征，试验结束后，将试件RC-2和RC-3块石外部混凝土剔除，得到整体型块石和节段型块石的破坏特征，如图7所示。由图7可知：RC-2整体型块石浇筑过程对中较好，而RC-3部分块石呈现一定的倾斜，摆放位置也未能准确对中。此外整体型块石和阶段型块石破坏的位置主要集中在试件中部，其中节段型块石出现较明显的竖向劈裂裂缝，这与块石浇筑过程中块石放置对中不准，且出现一定倾斜，导致块石受力不均匀有关。而整体型块石在浇筑过程中对中较准确，条石截面在竖向受力过程中受力均匀，因此，破坏处出现多条较细的竖向裂缝。此外剥离过程中，块石与混凝土黏结界面并未出现明显的黏结破坏，共同工作性能较好。
2.2 纵筋和箍筋应变
2.2.1 纵筋应变
柱纵筋应变的变化如图8所示。由图8可知：内置块石试件纵筋应变发展速率要比对比件的小，表明由于块石的弹性模量比素混凝土的大，块石的存在增大试件的竖向刚度，在变形协调下，相同荷载下内置块石试件纵筋的应变发展要比对比件的小。
此外，各试件的纵筋应变在试件达到最大承载力时均能达到屈服应变，表明纵筋强度得到了充分发挥。试件RC-1和试件RC-4在达到承载力最大值后纵筋应变仍得到较大发展，最大应变分别达到7 312 mε和 7 508 mε，而试件RC-2和RC-3最大应变仅为2 055 mε和1 976 mε，表明试件RC-1和RC-4后期塑性变形较好，钢筋的延性得到充分的发挥，而试件RC-2和RC-3达到荷载峰值后，试件发生脆性破坏，内部块石开裂，承载力迅速下降，塑性变形量小，导致纵筋应变发展不充分。
图7 块石破坏形态
Fig.7 Ultimate failure modes of infilled stone
图8 典型纵筋荷载-应变曲线
Fig. 8 Typical load-strain curves of longitudinal rebar
2.2.2 箍筋应变
箍筋应变在一定程度上反映试件横截面的膨胀变形，试件典型箍筋应变的变化如图9所示。从图9可以看出：在试验初期，各试件箍筋应变发展速率大致相当，随着荷载增大，对比件横向膨胀变形明显增大箍筋，其应变发展速率明显比内置块石试件的大。当竖向荷载达到承载力最大值时，各试件竖向裂缝发展充分，横向膨胀增大，箍筋的应变得到了较大发挥。破坏时，所有试件的箍筋应变均未达到屈服应变。
图9 典型箍筋荷载-应变曲线
Fig. 9 Typical load-strain curves of stirrupts
2.3 P-△曲线及其主要特征点
试件的P-△曲线如图10所示，其主要特征点试验值见表2，表2中Pm为试件荷载最大值，△m为最大荷载Pm所对应的位移；Pu为荷载下降至极限承载力的85%所对应的荷载，△u为极限变形对应于Pu的位移。从图10和表2可以看出：
图10 试件荷载-位移曲线
Fig. 10 Load-displacement curves of specimens
表2 试件主要特征点试验值
Table 2 Test results at main characteristic points of specimens
1) 内置块石能够显著地提高RC柱子的轴压承载力，提高幅度与块石类型有关，其中内置整体型块石RC墩柱竖向承载力为对比件的2倍多，内置节段型和块体型块石RC柱轴压承载能力也分别提高了46%和23%。
2) 与对比件RC-1相比，内置块石RC柱初始刚度均有不同程度地提高。试件初始刚度取原点处的切线刚度，各试件的初始刚度如表1所示。其中内置整体型块石RC柱初始竖向刚度提高幅度可达53%，而内置节段型块石RC柱提高幅度较低为19%，内置块体型块石RC柱提高幅度仅为4%，与对比件RC-1相当。主要是由于花岗岩石材弹性模量比混凝土要高，内置整体型块石受力明确，基本呈现均匀受压受力状态，而对内置节段型块石，块石与块石间的受力复杂，且受其摆放状态有关，因此，影响到块石对试件竖向刚度的贡献度。
3) 就构件本身，内置整体型和节段型块石RC柱的塑性变形能力较差，其中内置整体型块石RC柱发生局部劈裂的脆性破坏，竖向承载力急剧下降，塑性变形能力最差。但与对比件相比，内置块石RC柱最大荷载所对应的位移和极限变形均比普通RC柱的大，其中内置整体型块石增幅最大，分别增加了61%和26%。
3 结论
1) 与普通RC柱相比，内置块石RC柱轴压承载力得到明显提高，提高幅度与块石类型有关，其中内置整体型块石RC柱轴压承载能力提高幅度可达115%，内置节段型和块体型块石RC柱轴压承载能力也分别提高了51%和23%。
2) 内置块石类型对RC柱的破坏形态有重要影响，内置整体型块石RC柱发生局部劈裂的脆性破坏，内置节段型块石RC柱发生压剪破坏，内置块体型块石RC柱破坏形态与普通RC柱类似。
3) 内置整体型块石RC柱塑性变形性能差，但其极限变形仍比其他试件的优。内置块体型块石RC柱具有较好的塑性变形性能。
4) 与普通RC柱相比，内置节段型和块体型块石RC墩柱具有较强的竖向承载能力和变形能力。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2015-05-23；修回日期：2015-07-19
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51208219, 51378228, 51408238)；福建省自然科学基金资助项目(2015J01210)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAL03B03-04) (Projects(51208219, 51378228, 51408238) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015J01210) supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province, China; Project(2015BAL03B03-04) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 12th Five-year Plan Period)
通信作者：黄群贤，博士，副教授，从事工程结构抗震与防灾研究；E-mail: huangqx@hqu.edu.cn
