鋼管再生混凝土力學(xué)性能研究動(dòng)態(tài)分析

李 佳，宋 鑫 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

鋼管再生混凝土力學(xué)性能研究動(dòng)態(tài)分析

李 佳，宋 鑫 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

鋼管再生混凝土是一種新型的組合結(jié)構(gòu)，一方面鋼管的約束效應(yīng)作用彌補(bǔ)了再生混凝土的力學(xué)性能、耐久性能、變形性能較低的缺陷，另一方面再生混凝土可以增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性。這種新型的組合結(jié)構(gòu)形式為廢棄混凝土的再利用提供了一種新的途徑。系統(tǒng)介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼管再生混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究成果：鋼管再生混凝土的力學(xué)性能與普通鋼管混凝土的力學(xué)性能形似，再生混凝土的取代率、再生混凝土強(qiáng)度、外加劑等因素對(duì)鋼管再生混凝土的力學(xué)性能有較大影響，并通過(guò)對(duì)鋼管再生混凝土力學(xué)性能研究動(dòng)態(tài)的分析，指出了目前相關(guān)研究的不足之處，提出了有待進(jìn)一步研究的方向。

鋼管再生混凝土；軸壓力學(xué)性能；壓彎力學(xué)性能；荷載作用；滯回性能

大規(guī)模新建期的房屋大多建于二戰(zhàn)以后，標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)居住要求的提高以及土地資源的稀缺，大量房屋被拆除，由此產(chǎn)生大量的廢舊混凝土。另一方面，強(qiáng)烈自然災(zāi)害尤其是強(qiáng)烈地震，造成大量房屋倒塌，由此也產(chǎn)生了大量廢棄混凝土。這些廢舊的混凝土不僅帶來(lái)占地問(wèn)題，而且產(chǎn)生環(huán)境污染問(wèn)題。回收利用這些廢舊混凝土已成為學(xué)術(shù)界和工程界共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。有關(guān)學(xué)者提出了再生混凝土技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了廢舊混凝土的有效利用，減輕了環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)減輕了由于開(kāi)采礦石帶來(lái)的環(huán)境破壞問(wèn)題，節(jié)約了天然礦產(chǎn)資源。但是，由于再生混凝土的強(qiáng)度、彈性模量等性能相對(duì)普通混凝土均有所減低，在一定程度上制約了再生混凝土在工程中的運(yùn)用和推廣。為了彌補(bǔ)再生混凝土存在的缺陷，有學(xué)者提出將再生混凝土填入到鋼管中，利用鋼管與再生混凝土的相互作用，彌補(bǔ)各自性能上的不足，形成一種新的結(jié)構(gòu)形式——鋼管再生混凝土[2]。為了使這種新的結(jié)構(gòu)形式能夠運(yùn)用于實(shí)際工程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，取得了一定成果[3-6]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼管再生混凝土力學(xué)性能的研究起步較晚，國(guó)外在這方面研究還很少見(jiàn)報(bào)道。在國(guó)內(nèi)，福州大學(xué)較早開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究工作，進(jìn)行了一系列相關(guān)試驗(yàn)研究和理論研究，取得了一定成果[3,7-8]。隨后，其他高校也相繼開(kāi)展了各有關(guān)鋼管再生混凝土力學(xué)性能方面的研究[6,9-11]。下面，筆者系統(tǒng)介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼管再生混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究成果，并通過(guò)對(duì)鋼管再生混凝土力學(xué)性能研究動(dòng)態(tài)的分析，指出了目前相關(guān)研究的不足之處，提出了進(jìn)一步研究的方向。

1 鋼管再生混凝土力學(xué)性能研究

1.1再生混凝土柱軸壓力學(xué)性能研究

軸壓力學(xué)性能研究是研究其他力學(xué)性能的基礎(chǔ)，因此國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼管再生混凝土的研究是從軸壓力學(xué)性能開(kāi)始著手，也是研究比較多的。

日本學(xué)者Konno最早開(kāi)始進(jìn)行鋼管約束再生混凝土的研究。研究表明，鋼管約束再生混凝土柱試件的力學(xué)性能與鋼管普通混凝土柱類(lèi)似，具有良好的延性，但是由于核心再生混凝土的強(qiáng)度以及彈性模量相比于普通混凝土有所降低，從而使試件的剛度和承載力低于鋼管普通混凝土柱試件[2]。

2000年以來(lái)，國(guó)內(nèi)福州大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、四川大學(xué)、西南交通大學(xué)等高校相繼進(jìn)行了鋼管再生混凝土力學(xué)性能方面的研究[3，6-11]。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)、歸納和分析表明，在進(jìn)行鋼管再生混凝土軸壓研究過(guò)程中，考慮影響其力學(xué)性能的因素主要包括試件截面形式、再生混凝土取代率、再生混凝土強(qiáng)度和外加劑。其中，試件截面形式主要設(shè)計(jì)形式為圓形和方形。同時(shí)為了體現(xiàn)鋼管再生混凝土的差異性，在試驗(yàn)過(guò)程中有些研究者還設(shè)計(jì)了鋼管普通混凝土試件和鋼筋普通混凝土試件與之對(duì)比。研究表明，鋼管再生混凝土和鋼筋再生混凝土的力學(xué)特性分別與相應(yīng)的鋼管普通混凝土和鋼筋普通混凝土相似[4]。從破壞形態(tài)來(lái)看，鋼管普通混凝和鋼管再生混凝土軸壓短柱的典型破壞模態(tài)差別不大[4，12], 當(dāng)鋼管再生混凝土軸壓短柱的套箍系數(shù)較小 (ξlt;1. 0)時(shí)，試件均發(fā)生剪切破壞，同時(shí)伴隨有局部鼓曲現(xiàn)象發(fā)生[5，13]。從試件截面應(yīng)力來(lái)看，與鋼管普通混凝土軸壓試件類(lèi)似，對(duì)于圓形截面再生鋼管混凝土試件截面各點(diǎn)的約束力基本相同，而對(duì)于方形截面鋼管再生混凝土試件約束力集中于截面角部較小范圍內(nèi)，此范圍之外的約束力均較小，約束力的變化趨勢(shì)為隨著與角部距離的增加而迅速減小[12]。從荷載-應(yīng)變?nèi)^(guò)程來(lái)看，與鋼管普通混凝土柱軸壓類(lèi)似，鋼管再生混凝土在軸向壓力作用下，由于鋼管的約束作用，再生混凝土處于復(fù)雜點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)下，強(qiáng)度得到明顯提高，塑性變形性能明顯得到改善，受力過(guò)程基本一致[12，14]。

在關(guān)于再生混凝土取代率對(duì)鋼管再生混凝土軸壓力學(xué)性能影響方面，不同的研究者得出了不同的結(jié)論。楊有福等[4，13-14]研究表明，再生混凝土的取代率的變化對(duì)鋼管再生混凝土和鋼筋再生混凝土軸壓短柱的破壞過(guò)程和形態(tài)沒(méi)有明顯的影響；再生混凝土的取代率的增加，試件極限承載力呈減低趨勢(shì)。另一方面，Chen[15-16]發(fā)現(xiàn)，隨著再生粗骨料取代率的增加，試件極限承載力呈上升的趨勢(shì)，但最大差異不超過(guò)10%。此外，鋼管再生混凝土構(gòu)件承載力略高于普通鋼管混凝土構(gòu)件[17]，在配鋼率相同的條件下，鋼管再生混凝土柱試件軸壓極限承載力小于普通鋼管混凝土極限承載力[4]。

文獻(xiàn)[18]研究了外加劑對(duì)鋼管混凝土力學(xué)性能的影響。研究表明，聚異氰酸鹽對(duì)鋼管混凝土的改性能力不是很明顯，而在鋼管再生混凝中摻入干冰會(huì)對(duì)其強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

1.2鋼管再生混凝土壓彎力學(xué)性能研究

目前，關(guān)于鋼管再生混凝土構(gòu)件的純彎、偏壓等力學(xué)性的研究還比較少。文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了2根普通鋼管混凝土和8根鋼管再生混凝土的純彎力學(xué)試驗(yàn)研究。研究表明，隨著再生粗骨料取代率的增加，鋼管再生混凝土的抗彎剛度和極限彎矩呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。文獻(xiàn)[19]進(jìn)行了6根普通鋼管混凝土柱試件的研究和24根鋼管再生混凝土泵偏壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管再生混凝土柱試件破壞形態(tài)與鋼管普通混凝土柱試件破壞形態(tài)相似，隨著再生粗骨料取代率或荷載偏心率的增加其極限承載力在減低。

1.3鋼管再生混凝土長(zhǎng)期荷載作用下的力學(xué)性能研究

再生混凝土的收縮、徐變問(wèn)題一直是該領(lǐng)域研究人員關(guān)注的問(wèn)題之一[6,20]。楊有福[21-22]對(duì)長(zhǎng)期荷載作用下鋼管再生混凝土構(gòu)件的變形特性和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究表明，鋼管再生混凝土中核心混凝土的收縮和徐變變形比相應(yīng)鋼管普通混凝土中核心混凝土的收縮和徐變高約6%～23%，；ACI1209模型能很好的預(yù)測(cè)核心再生混凝土的收縮和徐變系數(shù)。

1.4鋼管再生混凝土往復(fù)荷載作用下的滯回性能研究

文獻(xiàn)[23]進(jìn)行了22根鋼管再生混凝土柱試件和6根鋼管普通混凝土試件在往復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究。研究表明，在恒定的軸壓力和往復(fù)荷載作用下，鋼管再生混凝土和普通鋼管混凝土柱試件的滯回性能非常相似，試件的破壞形態(tài)均為整體壓彎破壞；隨著再生混凝土粗骨料取代率的增加，試件在初始階段的剛度隨之變小，但是對(duì)試件的骨架曲線(xiàn)影響較??；鋼管再生混凝土的承載力和抗彎剛度略低于普通鋼管混凝土柱試件，而延性略有提高。文獻(xiàn)[24]進(jìn)行了6根圓鋼管、4根方方鋼管和4根菱形鋼管再生混凝土柱在往復(fù)荷載作用下的抗震性能的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。研究表明，在其他條件基本相同情況下，截面形式對(duì)鋼管再生混凝土柱的抗震性能有明顯影響，圓截面柱抗震性能最好，方截面柱抗震性能次之；在其他條件基本相同情況下，剪切承載力和變形能力隨軸壓比的增加而增大；同時(shí)給出了不同截面形式下柱極限軸壓比值的建議。

2 鋼管再生混凝土研究現(xiàn)狀分析

通過(guò)對(duì)鋼管再生混凝土研究成果的整理和分析，發(fā)現(xiàn)目前鋼管再生混凝土的研究對(duì)象為柱，而且主要研究的是短柱，針對(duì)鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱的研究還未見(jiàn)報(bào)道。目前針對(duì)鋼管再生混凝土的研究還僅僅停留在構(gòu)件層次，還沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)節(jié)點(diǎn)的、框架的試驗(yàn)和理論研究。針對(duì)鋼管混凝土壓彎、長(zhǎng)期荷載作用下性能以及動(dòng)力性能的試驗(yàn)研究和理論研究還比較少，其考慮的影響因素不夠全面，供相關(guān)規(guī)程起草的依據(jù)很有限。目前所研究的鋼管再生混凝土柱的截面形式大多集中在圓形截面和方形截面，而針對(duì)于矩形截面、橢圓形截面和異形截面的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

3 鋼管再生混凝土研究展望

目前對(duì)鋼管再生混凝土的研究表明，在一次加載下的靜力性能、長(zhǎng)期荷載作用下的性能和動(dòng)力性能都有良好的表現(xiàn)，是未來(lái)再生混凝土在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的重要途徑之一。除解決鋼管再生混凝土研究中的不足之處，進(jìn)一步研究的方向還應(yīng)著手解決鋼管再生混凝土抗火設(shè)計(jì)問(wèn)題、鋼管再生混凝土火災(zāi)后力學(xué)性能問(wèn)題、鋼管再生混凝土震后損傷檢測(cè)和維修加固問(wèn)題等。

[1]肖建莊.再生混凝土[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] Konno K,Sao Y,Kakuta Y， et al. The property of recycled contrete column encased by tube subjected to axial compression[J].Transactions of the Japan Contrete Insitute,1997,19:351-358.

[3]Yang Y F，Han L H.Compressive and flexural behavour of recycled aggregate concrete filled steel tubes(RACFST)under short-term loadings[J].Steel and Composite Structures,2006b,6(3):257-284.

[4] 王玉銀，陳杰，縱斌.鋼管再生混凝土與鋼筋再生混凝土軸壓短柱力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011,32(12):170-177.

[5] 肖建莊，楊潔，黃一杰.鋼管約束再生混凝土軸壓試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32(6)：92-98.

[6]肖建莊，李佳彬，蘭陽(yáng).再生混凝土技術(shù)研究最新進(jìn)展與評(píng)述[J].混凝土，2003(10)：17-20.

[7] Yang Y F，Han L H.Experimental behaviour ofrecycled aggregate concrete filled steel tubular columns [J].Journal of Constructional Steel Research,2006a,62(12)：1310-1324.

[8] 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.

[9] 邱慈長(zhǎng)，王清遠(yuǎn)，石宵爽，等. 薄壁鋼管再生混凝土軸壓實(shí)驗(yàn)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué),2011,26(1):8-15.

[10] 吳波,劉瓊祥,劉偉,等.鋼管再生混合構(gòu)件初探[J]. 工程抗震與加固改造,2008,30(4):120-125.

[11] 邱昌龍. 再生混凝土研究及鋼管再生混凝土短柱力學(xué)性能分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[12] 楊有福.鋼管再生混凝土構(gòu)件受力機(jī)理研究[J].工業(yè)建筑，2007,32(12): 7-12.

[13] 吳鳳英，楊有福.鋼管再生混凝土軸壓短柱力學(xué)性能初探[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005,33(z1):305-308.

[14] 王海洋，査曉雄，黃毫春.鋼管膨脹和再生混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)徐變影響的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2011,41(6)：43-46.

[15]Chen Z P,Liu F,Zheng H H，et al.Research on the bearing capacity of recycled aggrete contrete-filled circle steel tube colum under axial compression loading[C].2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering[C].MACE，2010:1198-1201.

[16]Chen Z P,Chen X H,Ke X J，et al.Experimental study on the mechaniacal behavial of recycle aggregate coarse concrete-filled square steel tube colum [A].2010 International Conference on Mechnic Automation and Control Engireering[C]. MACE，2010:1113-1116.

[17]Malathy R,Mohanraj E K,Kanddasamy S.Comparative study on behavior of contrete-filled steel tubular colums using recycled aggregates[A].Excellence in Contrete Construction through Innovation Proceedings of the International Conference on Concrete Constrution[C].CRC Press, 2009:453-458.

[18]劉軼翔，查曉雄.再生混凝土的改性及其在鋼管混凝土中應(yīng)用的試驗(yàn)研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2011,13(1)：36-42.

[19]Yang Y F,Han L H.Experimental behavial of recycled aggregate contrete filled steel tubular colums [J].Journal of Contructional Steel Research,2006,62(12):1310-1324.

[20]Hansen T C.Recycling of demolished contrete and masonry [A]. Report of RILEM TC 37-DRC on Demonlition and Reuse of Contrete[C].FN Spon,London,1992.

[21] Yang Y F,Han L H,Wu,X. Concrete shrinkage and creep in recycled aggregate concrete-filled steel tubes[J].Advances in Structural Engineering，2008,12(1)：34-38.

[22] 吳昕．長(zhǎng)期荷載作用下鋼管再生混凝土柱力學(xué)性能研究[D].福州:福州大學(xué)，2008.

[23] 祝林濤．往復(fù)荷載作用下鋼管再生混凝柱滯回性能研究[D].福州：福州大學(xué)，2008.

[24] Xiao J Z, Zhang C. Seismic behavior of RC col-umnswith circular, square and diamond sections[J]. Con-struction and Building Materials, 2008(22): 801-810.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.03.036

TU528.59

A

1673-1409(2012)03-N109-03

2011-12-27

李佳(1987-)，女，2009年大學(xué)畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)方面的研究工作。