鋼管再生混凝土短柱的力學(xué)性能

摘要:再生混凝土應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)中，彌補再生混凝土結(jié)構(gòu)性能的不足，還具有十分重要的保護環(huán)境的意義。因為再生混凝土的結(jié)構(gòu)性能與普通混凝土結(jié)構(gòu)性能相比略有降低，阻礙了再生混凝土在結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用。本文探討了再生混凝土在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可能性。結(jié)果表明，再生混凝土應(yīng)用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中是完全可行的，這為再生混凝土應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程中提供了廣闊的前景。

關(guān)鍵詞:再生混凝土;鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu);鋼管混凝土結(jié)構(gòu);

0 引言

隨著全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，各國都在研究和開發(fā)可再生能源，以達到保護環(huán)境、節(jié)約天然資源等目的。廢棄混凝土塊經(jīng)破碎、清洗和分級后，按一定的比例與級配混和形成再生骨料，部分或全部代替天然砂子或石子等配置而成的新混凝土稱之為再生骨料混凝土(簡稱再生混凝土)[1]。再生混凝土是一種綠色混凝土，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，對廢棄混凝土再生利用的研究已成為許多國家的前沿課題。國內(nèi)研究人員也已經(jīng)對再生混凝土骨料和再生混凝土的力學(xué)特性進行了深入的研究[2]。鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)可促進再生混凝土在土木建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和發(fā)展，為廢棄混凝土資源化提供一條有效的途徑。并研究提高再生混凝土的工作性能，使其滿足在實際工程中推廣應(yīng)用的相關(guān)要求，以及對鋼管再生混凝土短柱的軸心受壓力學(xué)性能進行分析比較，力求對以后鋼管再生混凝土規(guī)范的推出提出一些數(shù)據(jù)參考

1、鋼管再生混凝土的發(fā)展?fàn)顩r

再生混凝土在我國的發(fā)展時間的限制，鋼管再生混凝土的研究發(fā)展在目前來看極其的有限。楊有福等[3]在《鋼管再生混凝土軸壓短柱力學(xué)性能初探》采用直焊縫圓鋼管再生混凝土進行了研究。結(jié)論表明:1)鋼管再生混凝土與鋼管混凝土軸壓短柱的荷載一變形關(guān)系曲線相類似，纖維模型法同樣適用于鋼管再生混凝土。2)鋼管再生混凝土的強度承載力低于鋼管混凝土的強度承載力，并且隨著骨料取代率的增加而有降低的趨勢，這主要是因為隨著骨料取代率的增加，再生混凝土的強度逐漸低于普通混凝土。本文主要對無縫鋼管再生混凝土軸壓短柱的力學(xué)性能進行了進一步的研究。

福州大學(xué)的楊有福[4]在確定鋼材與核心再生混凝土本構(gòu)關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值方法對鋼管再生混凝土軸心受壓、純彎曲和壓彎構(gòu)件的荷載-變形全過程關(guān)系曲線進行模擬，對此類構(gòu)件的力學(xué)性能進行研究，理論分析結(jié)果與試驗結(jié)果非常吻合。最后在參數(shù)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出鋼管再生混凝土壓彎構(gòu)件承載力的簡化計算公式。為了考察鋼管再生混凝土構(gòu)件在一次加載下的靜力性能，課題組完成了56個試件的試驗研究，同時進行了鋼管普通混凝土試件的對比試驗。研究結(jié)果表明，鋼管再生混凝土試件與相應(yīng)鋼管普通混凝土試件的荷載-變形關(guān)系曲線類似;但鋼管再生混凝土試件的承載力和剛度均低于相應(yīng)鋼管普通混凝土試件。這主要是因為再生混凝土的強度和彈性模量均低于相同配合比的普通混凝土。

本課題組的試驗結(jié)果表明，將再生混凝土灌入鋼管，可有效改善再生混凝土的力學(xué)性能，同時由于鋼管和再生混凝土之間的組合作用，使得鋼管再生混凝土構(gòu)件的下降段趨于平緩，延性和耗能能力有較大的提高，但是隨著再生粗骨料取代率的提高，仍存在彈性模量逐漸降低，峰值應(yīng)變增大的特點。在確定鋼材和核心再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，采用纖維模型法和有限元法對鋼管再生混凝土軸壓短柱、純彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件的荷載-變形關(guān)系曲線進行了計算分析?？傮w上，兩種數(shù)值方法的計算結(jié)果均與試驗結(jié)果吻合較好。采用纖維模型法對鋼管再生混凝土壓彎構(gòu)件的力學(xué)指標(biāo)進行了大規(guī)模的參數(shù)分析，并提出了鋼管再生混凝土軸壓短柱、純彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件承載力的簡化計算公式，公式的計算結(jié)果與試驗結(jié)果均吻合較好，且總體偏于安全。本文的研究成果可為有關(guān)工程實踐提供參考。

2、鋼管混凝土及鋼管再生混凝土的基本概念

鋼管混凝土即為將混凝土灌注入鋼管，形成的具有再生混凝土三向受力結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土除了具有一般套箍混凝土的強度高、質(zhì)量輕、塑性好、耐疲勞、耐沖擊等優(yōu)越的力學(xué)性能外，還具有以下一些在施工工藝方面的獨特優(yōu)點:

1.鋼管本身就是側(cè)壓模板，因而澆混凝土?xí)r，可省去支模板;

2.鋼管本身就是鋼筋，兼有縱向鋼筋和橫向鋼筋的功能;

3.鋼管本身又是勁性承重骨架，在施工階段它可起勁性鋼骨架的作用。

鋼管混凝土也是在高層建筑和大跨度橋梁中應(yīng)用高強混凝土的一種最有效和最經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式。其原因有以下幾個方面:

1.鋼管對核心混凝土的套箍作用，能有效的克服高強混凝土的脆性;

2.鋼管內(nèi)無鋼筋骨架，便于澆灌高強混凝土，而且因有鋼管分隔，與管外樓蓋梁板結(jié)構(gòu)的普通混凝土互不干擾，無交錯澆灌的麻煩;

3.鋼管外面無混凝土保護層，能充分發(fā)揮高強混凝土的承載能力。

鋼管再生混凝土即為將再生混凝土灌注入鋼管，形成的具有再生混凝土三向受力的鋼管混凝土[5]。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用，即鋼管對混凝土的約束作用使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)之下，從而使混凝土的強度得以提高，塑性和韌性性能大為改善。同時，由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，保證其材料性能的充分發(fā)揮。

3、鋼管混凝土柱的特性

鋼管混凝土柱是將混凝土注入封閉的薄壁鋼管內(nèi)形成的鋼-混凝土組合構(gòu)件。鋼管混凝土柱可以充分發(fā)揮鋼管與混凝土兩種材料的優(yōu)勢，對混凝土來講，混凝土受到鋼管橫向約束而處于三向受壓狀態(tài)，從而使管內(nèi)混凝土有更高的抗壓強度和變形能力。對鋼管來講，由于鋼管壁較薄，在受壓狀態(tài)下容易局部或整體失穩(wěn)而不能充分發(fā)揮其強度，填入混凝土后，大大增強了鋼管壁的穩(wěn)定性，使其強度潛力可得到充分利用。因此鋼管混凝土柱具有強度高、重量輕、塑性好、耐疲勞、耐沖擊等優(yōu)點[6]。由于鋼管能對混凝土提供連續(xù)的約束，且鋼管具有很大的抗剪和抗扭能力，故可以有效地克服高強混凝土脆性大、延性差的弱點，使高強混凝土的工程應(yīng)用得以實現(xiàn)，經(jīng)濟效果得以充分發(fā)揮。

4、結(jié)論:

(1)鋼管再生混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能和鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能有很多相似之處。

(2)再生混凝土在鋼管中的應(yīng)用彌補了再生混凝土結(jié)構(gòu)性能上的不足，使二者都能充分的發(fā)揮潛力。同時又有利于環(huán)保，在生態(tài)方面也有很大的意義。

(3)為再生混凝土在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用提供了廣闊的空間。再生鋼管混凝土短柱的研究很有必要，還有許多工作需要進一步展開。

參考文獻:

[1] 劉數(shù)華，冷發(fā)光.再生混凝土技術(shù)[M].北京:中國建材工業(yè)出版社， 2007

[2] 肖建莊，李佳彬，蘭陽.再生混凝土技術(shù)研究最新進展與評述.混凝土， 2003(10): 17-20

[3] 吳鳳英，楊有福 鋼管再生混凝土軸壓短柱力學(xué)性能初探 福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，Vol.33 Supp.Oct.2005

[4] 楊有福. 鋼管再生混凝土構(gòu)件荷載-變形關(guān)系的理論分析[J].工業(yè)建筑，2007，37(12):1-6.

[5] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu):理論與實踐.第二版.北京:科學(xué)出版社， 2007

[6] 韓林海，楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù).北京:中國建筑工業(yè)出版社， 2004