鋼管再生混凝土短柱偏壓性能實驗

張衛(wèi)東, 王振波, 丁海軍

( 1. 宿遷學院 建筑工程系，江蘇 宿遷 223800； 2. 南京工業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 210009 )

0 引言

鋼管再生混凝土是將再生混凝土灌入鋼管中形成的，具有鋼管混凝土的一系列的優(yōu)點：一方面核心混凝土的存在可以增強鋼管管壁的局部穩(wěn)定性；另一方面鋼管使核心混凝土處于三向受力狀態(tài)，具有套箍作用，從而使核心混凝土具有比普通混凝土更高的抗壓強度和變形能力[1-2].與普通混凝土相比，再生混凝土骨料表面粗糙、收縮率增大和彈性模量偏低，從而使鋼管再生混凝土與鋼管普通混凝土柱在力學性能上存在一定差異[3].

有關鋼管再生混凝土力學性能的研究較少.楊有福,Yanagibashi K等[4-6]研究不同取代率的方鋼管和圓鋼管再生混凝土短柱的軸壓性能究，與Konno K和Sato Y[7-8]得到相同研究結(jié)論.在工程中，鋼管混凝土大多處于彎矩和軸力共同作用下，有關研究更少，從而影響鋼管再生混凝土的發(fā)展.筆者分析不同取代率的鋼管再生混凝土偏壓短柱的力學性能，為鋼管再生混凝土研究提供參考.

1 實驗

1.1 材料性能及試件

再生混凝土的骨料是結(jié)構(gòu)實驗室廢棄的混凝土立方體試塊經(jīng)過破碎后形成的，水泥為淮河牌32.5級普通硅酸鹽水泥，混凝土采用強制式攪拌機拌和，每種取代率的再生混凝土各準備3個標準立方體試塊.混凝土的抗壓強度和彈性模量見表1.

表1 每立方米再生混凝土的質(zhì)量配比及力學性能

注：ZP為再生粗骨料取代率.

鋼管為直縫圓鋼管，按照GB/T 228-2002《金屬拉伸實驗方法》，通過拉伸實驗測得鋼材抗拉強度(見表2).試件一端用厚度為10 mm、長度為200 mm的方形鋼板焊接封固作底板.

在澆筑再生混凝土時，將鋼管豎立，從頂部分層灌入，每次深度約為1個鋼管直徑，并利用插入式振搗棒進行振搗.試件養(yǎng)護方法為標準養(yǎng)護.7 d后鑿去混凝土表面浮漿，用高強環(huán)氧砂漿將混凝土表面與鋼管表面抹平，硬化后將試件表面打磨平整；然后焊上鋼板，保證加載初期鋼管與核心混凝土能共同受力.試件基本數(shù)據(jù)見表2.

表2 試件基本數(shù)據(jù)

注：D為鋼管外徑；t為鋼管壁厚；L為鋼管長度；試件初始偏心率為0.19；ZP-50%表示取代率為50%.

1.2 加載裝置與過程

采用最大加載能力為500 t的電液伺服壓力實驗機進行加載.試件兩端采用鉸支座，通過設置輥軸控制試件的彎曲方向.為了準確測量試件的變形，在每個試件中截面外鋼管4個方向的表面處貼縱、橫各4片應變片，同時在試件彎曲平面內(nèi)沿柱高設置3個位移計，以測量試件在加載過程中的側(cè)向撓度變化[4-10].

實驗采用分級加載制度.在達到預估極限荷載的75%前，每級荷載為預估極限荷載的1/15～1/10，每級荷載持續(xù)時間約為2 min；接近破壞荷載時改為慢速連續(xù)加載，直至實驗結(jié)束.

2 結(jié)果分析

2.1 破壞過程

代表性試件的荷載(N)與中點側(cè)向變形(f)的關系曲線見圖1.由圖1可以看出，加載初期鋼骨再生混凝土試件的側(cè)向撓曲變形較小，隨著荷載的施加，試件的側(cè)向撓曲變形逐漸增大.當荷載接近極限荷載時，側(cè)向變形增長速度快于荷載的增長速度；達到極限荷載后，試件承載力的下降速度和變形隨取代率的增大而增大.試件破壞時中部伴有局部鼓曲發(fā)生，取代率越大，局部屈曲出現(xiàn)越早，鼓曲現(xiàn)象越嚴重.卸載過程中，試件具有回彈現(xiàn)象.

與普通鋼管混凝土偏壓構(gòu)件的荷載與撓度曲線對比，鋼管再生混凝土偏心受壓構(gòu)件受力過程與鋼管普通混凝土構(gòu)件相似，可以將構(gòu)件的受力過程分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段.

在長細比和偏心率等參數(shù)不變的條件下，彈性極限荷載隨核心部分再生混凝土粗骨料取代率(ZP)的增加而降低，鋼管再生混凝土構(gòu)件彈性極限承載力約為普通鋼管混凝土構(gòu)件的78%，鋼管再生混凝土構(gòu)件的彈性階段時間明顯短于普通鋼管混凝土構(gòu)件.破壞階段隨著取代率增大，荷載下降越快，且側(cè)向變形增大越迅速.

2.2 破壞形態(tài)

偏壓試件荷載(N)與縱向應變(ε)關系曲線見圖2.由圖2可以看出：普通鋼管混凝土試件與鋼管再生混凝土試件的荷載-應變曲線是有一定區(qū)別的.普通鋼管混凝土試件在加載初期，7號應變開始先為負值(受壓)，然后為正值(受拉)，所有再生混凝土構(gòu)件的7號應變從開始加載到試件的破壞階段始終為正值.

圖1 試件N-f關系曲線

核心部分的再生混凝土在養(yǎng)護過程中縱向和橫向的收縮變形大，導致核心部分再生混凝土與鋼管內(nèi)壁分離，它們之間形成較大的縫隙，使得構(gòu)件橫截面剛度降低，從而使鋼管再生混凝土構(gòu)件在荷載初期猶如空鋼管構(gòu)件一樣，遠離偏心的一側(cè)始終處于受拉狀態(tài).對于普通鋼管混凝土構(gòu)件，由于混凝土與鋼管內(nèi)壁的粘結(jié)作用，構(gòu)件整體性好，橫截面剛度較大，加載初期承受壓力.

圖2 試件N-ε關系曲線

在彈性階段，不同再生混凝土取代率的鋼管再生混凝土偏壓試件曲線基本重合，均為直線，但鋼管再生混凝土偏壓試件曲線比普通試件短，對應的荷載為普通試件的70%～80%.當試件荷載達到比例極限時，曲線不再保持線性關系，應變增長速度高于荷載增長速度，表明試件進入彈塑性變形階段.在同級荷載作用下，再生混凝土構(gòu)件中部鋼管壁上的縱向應變要大于普通混凝土構(gòu)件的，曲線直線段的斜率隨再生粗骨料取代率的增加而變小.

圖3 試件N-η關系曲線

3 取代率對試件承載力的影響

實驗中共有5組具有相同截面參數(shù)， 每組為3個相同取代率的試件，取代率分別為0%，25%，50%，75%，100%.偏壓試件的承載力(N)與取代率(η)的關系曲線見圖3.由圖3可以看出，取代率對試件承載力有較大影響，表現(xiàn)為承載力隨取代率的增大而逐漸下降.當取代率低于25%時，偏壓試件承載力與普通試件相比下降較為迅速；隨著取代率的進一步增加，承載力下降速度較為緩慢；當再生混凝土的取代率為100%時，偏壓承載力下降系數(shù)最大不超過20%.

核心混凝土和鋼管以軸壓剛度之比承受縱向壓力，同時鋼管借助內(nèi)填混凝土的支撐作用，增強鋼管壁的幾何穩(wěn)定性，延緩鋼管局部屈曲[11].

隨取代率提高，鋼管再生混凝土短柱偏壓承載力下降原因主要有：(1)再生混凝土的強度、彈性模量、剛度低于普通混凝土，導致鋼管承受更大的荷載，較快達到屈服強度.(2)再生骨料含有一部分老水泥砂漿,其表面孔隙特征和吸水特性等與天然骨料存在很大差異,導致中低強度的再生混凝土的干縮率比普通混凝土的大得多,且隨著取代率的增大而增大[12]，進而核心混凝土與鋼管之間縫隙越來越大，不能有效支撐鋼管壁，引起鋼管提前發(fā)生局部屈曲，降低鋼管的剛度，進而降低鋼管再生混凝土柱的偏壓承載力.

4 結(jié)論

(1)鋼管再生混凝土構(gòu)件的偏壓破壞形態(tài)與普通鋼管混凝土構(gòu)件相似，經(jīng)歷彈性、彈塑性、破壞階段.

(2)鋼管再生混凝土構(gòu)件的荷載—應變曲線的彈性階段時間比普通構(gòu)件的短，在相同應變下鋼管再生混凝土構(gòu)件的承載力低于普通鋼管混凝土構(gòu)件；在相同荷載作用下，鋼管再生混凝土構(gòu)件的變形大于普通鋼管混凝土構(gòu)件的，剛度低于普通鋼管混凝土構(gòu)件的.

(3)鋼管再生混凝土偏壓構(gòu)件的實測極限荷載隨再生粗骨料取代率的增加而降低，取代率為100%時降幅約為20%.隨著取代率的增大，再生混凝土強度、彈性模量降低和收縮率增大，說明取代率是影響試件承載力的主要因素.