方鋼管再生混凝土長柱軸心受壓試驗(yàn)研究

黃　浩，王成剛，張　祥

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009)

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方鋼管再生混凝土長柱軸心受壓試驗(yàn)研究

黃浩，王成剛，張祥

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

摘要：以再生骨料取代率、長細(xì)比和鋼管壁厚為變化參數(shù)，制作了7個(gè)方鋼管再生混凝土柱試件進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，分組分析了各參數(shù)對(duì)試件受壓性能的影響。試驗(yàn)研究表明：方鋼管再生混凝土長柱軸壓承載力，隨再生骨料取代率、長細(xì)比的增加而降低，隨鋼管壁厚的增加而增加；方鋼管再生混凝土軸壓長柱的軸向平均應(yīng)變，隨再生骨料取代率、長細(xì)比的增加呈增長趨勢(shì)，隨著鋼管壁厚的增加而增加；方鋼管再生混凝土長柱的彈性軸壓剛度，隨再生骨料取代率的增加而降低；隨鋼管長細(xì)比、壁厚的增加而增加。

關(guān)鍵詞：方鋼管再生混凝土柱；軸心受壓；再生粗骨料取代率；長細(xì)比；鋼管壁厚；承載力；彈性剛度

隨著近些年我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的持續(xù)發(fā)展,作為資源合理化利用的有效途徑,再生混凝土技術(shù)的研究與利用得到了專業(yè)領(lǐng)域研究人員越來越多的關(guān)注。再生混凝土是指廢棄混凝土經(jīng)破碎加工而成的再生骨料,部分或者完全替代天然骨料制作的混凝土。

鋼管混凝土具有良好的受力性能,鋼管及核心混凝土能夠共同承受外荷載的作用,近年來得到了迅速的發(fā)展。鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)是將再生混凝土注入鋼管內(nèi)部而形成的新型組合結(jié)構(gòu)。鋼管對(duì)混凝土的約束作用使核心再生混凝土的力學(xué)性能得到改善,這為再生混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程提供了廣闊前景。目前,國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鋼管再生混凝土柱的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究[1-6]。本文以再生粗骨料取代率、長細(xì)比、鋼管壁厚為變化參數(shù),對(duì)方鋼管再生混凝土長柱進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)研究。

1試驗(yàn)概況

1.1試件材料

方鋼管采用Q235B級(jí)鋼,試件為直焊縫焊接方鋼管,依據(jù)文獻(xiàn)[7]的要求,在安徽鴻路鋼結(jié)構(gòu)(集團(tuán))股份有限公司中心實(shí)驗(yàn)室對(duì)其材料性能進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見表1所列。再生混凝土骨料來自廢棄建筑物,按照文獻(xiàn)[8]的要求,在合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室對(duì)再生骨料的表觀密度、含泥量、吸水率、含水率進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見表2所列。再生混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30,采用P42.5普通硅酸鹽水泥,普通天然河砂,城市自來水,按照配合比為水泥∶砂∶粗骨料∶水=2.05∶2.43∶5.17∶1拌制[9-10],檢驗(yàn)結(jié)果見表3所列。

表1　鋼管材料性能

表2　再生粗骨料的基本性質(zhì)

表3　混凝土力學(xué)基本參數(shù)

1.2試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)制作7個(gè)方鋼管再生混凝土柱試件,以再生粗骨料取代率γ、長細(xì)比λ、壁厚t為試驗(yàn)變化參數(shù)。試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所列。

表4　試件設(shè)計(jì)參數(shù)

按照設(shè)計(jì)長度截取直焊縫焊接方鋼管,方鋼管底端打磨平整,鋼管周邊與200 mm×200 mm×12 mm下蓋板焊接,蓋板的中心與鋼管的幾何中心重合。焊接完成后,從鋼管頂部澆筑混凝土,采用插入式振搗棒分層振搗。待自然養(yǎng)護(hù)28 d后,用同等強(qiáng)度水泥砂漿將鋼管頂部混凝土抹平。水泥砂漿凝固后,在柱頂焊接320 mm×320 mm×50 mm上蓋板。待砂漿終凝后,焊接帶槽口320 mm×320 mm×50 mm上承壓板、焊接帶槽口320 mm×320 mm×50 mm下承壓板,端板槽口中心與構(gòu)件幾何中心線重合,保證后續(xù)試驗(yàn)試件的軸心受壓。

1.3試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)采用500 t的YES-500型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行逐級(jí)加載,加載裝置如圖1所示。試件放在帶有刃口的下承壓板上,并將上承壓板刃口放入上蓋板槽口,保證柱子受力端為鉸接;調(diào)整試件上下端槽口位置,保證試件受力在一條豎直線上。

本次試驗(yàn)采用基于荷載控制的分級(jí)加載方法。在荷載達(dá)到預(yù)估極限荷載的70%之前,每級(jí)加載預(yù)估極限荷載的10%,每級(jí)荷載持荷2 min。待荷載增加到預(yù)估極限荷載的70%后,每級(jí)加載預(yù)估極限荷載的5%,每級(jí)荷載持荷2 min。當(dāng)荷載到達(dá)實(shí)際極限值,壓力機(jī)荷載實(shí)時(shí)讀數(shù)及壓力傳感器讀數(shù)開始回落,待構(gòu)件出現(xiàn)很大變形停止壓力機(jī)作業(yè)。試驗(yàn)加載過程的加載速率保持在0.6 kN/s。

2試件破壞形態(tài)

(1) 不同再生骨料替代率的3根試件FZXB 3-8、FZXB 3-9 、FZXB 3-11破壞形態(tài)基本相同,加載至極限荷載的80%～90%時(shí),構(gòu)件上下端部鋼管出現(xiàn)屈曲。試件FZXB 3-8加載至極限荷載的90%時(shí),距上端部140 mm鋼管出現(xiàn)局部鼓曲(圖1(a))。試件FZXB 3-9加載至極限荷載80%左右時(shí),距上端部120 mm位置鋼管出現(xiàn)局部鼓曲。試件FZXB 3-11加載至極限荷載的70%時(shí),距下端部50 mm鋼管四周微微鼓曲;加載至極限荷載的80%時(shí)鋼管明顯鼓曲;繼續(xù)加載至極限荷載的90%時(shí)鋼管嚴(yán)重鼓曲(圖1(b))。

(2) 不同長細(xì)比的3根試件FZXB 3-11、FZXC 3-1、FZXD 3-1破壞形態(tài)差別較大,長細(xì)比較小的試件FZXB 3-11 和試件FZXC 3-1主要表現(xiàn)為構(gòu)件上下端部鋼管屈曲破壞(圖1(c));長細(xì)比較大的試件FZXD 3-1加載至極限荷載的40%時(shí),構(gòu)件出現(xiàn)明顯整體彎曲;加載至極限荷載的60%時(shí),距上端部250 mm一側(cè)鋼管出現(xiàn)鼓曲,構(gòu)件中部彎曲繼續(xù)增加(圖1(d))。加載至極限荷載的90%時(shí),構(gòu)件整體彎曲與上下端管壁鼓曲同時(shí)發(fā)展,直至破壞。

(3) 不同鋼管壁厚的3根試件FZXB 3-11、FZXB 5-1、FZXB 6-1隨著壁厚的增加承載力提高。試件FZXB 5-1加載至極限荷載75%左右時(shí),距上端部150 mm鋼管一側(cè)局部鼓曲;加載至85%左右時(shí),距上端部100 mm四周鋼管均出現(xiàn)局部鼓曲;繼續(xù)加載,構(gòu)件端部鋼管鼓曲失穩(wěn)(圖1(e))。試件FZXB 6-1加載至極限荷載的90%時(shí),構(gòu)件上下端鋼管局部微鼓,構(gòu)件中部區(qū)段鋼管局部鼓曲;繼續(xù)加載至極限承載力時(shí),構(gòu)件中部200～400 mm范圍內(nèi)多側(cè)出現(xiàn)局部鋼管壁鼓曲,構(gòu)件整體彎曲失穩(wěn)(圖1(f))。

加載結(jié)束后,用乙炔切割機(jī)切開鋼管,查看核心混凝土破壞形態(tài)。失穩(wěn)破壞柱半高處的受拉側(cè)再生混凝土表面有明顯橫向裂縫,受壓側(cè)再生混凝土壓饋(圖1(g))。構(gòu)件上下端鋼管局部鼓曲破壞柱,端部混凝土局部受損(圖1(h))。

圖1　鋼管再生混凝土試件破壞狀況

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1荷載-軸向形變曲線

利用數(shù)據(jù)采集儀器記錄構(gòu)件上、下端位移計(jì)數(shù)據(jù),經(jīng)運(yùn)算得到各軸心受壓構(gòu)件的荷載-軸向形變曲線,如圖2所示。

圖2　試件的荷載-軸向形變曲線

(1) 為了解再生骨料取代率對(duì)構(gòu)件受力特性的影響,現(xiàn)將壁厚、長細(xì)比相同,取代率不同的3根試件FZXB 3-8(γ=0%)、FZXB 3-9(γ=40%)與FZXB 3-11(γ=100%)的荷載-軸向形變關(guān)系曲線繪于圖2(a)。由圖可知,構(gòu)件的極限承載力、軸向剛度隨再生骨料取代率的提高而降低,其中極限承載力的降低并不明顯,約在5%內(nèi)。

(2) 同樣,將壁厚、取代率相同,長細(xì)比不同的3根試件FZXB 3-11(λ=34.64)、FZXC 3-1(λ=51.96)與FZXD 3-1(λ=69.28)的荷載-軸向形變關(guān)系曲線繪于圖2(b)。由圖可知,方鋼管再生混凝土長柱軸壓極限承載力隨長細(xì)比λ的增大而減小,長細(xì)比λ的變化對(duì)構(gòu)件極限承載力的影響較為顯著。

(3) 將長細(xì)比、取代率相同,壁厚不同的3根試件FZXB 3-11(t=3.2)、FZXB 5-1(t=5.2)與FZXB 6-1(t=6.1)的荷載-軸向形變關(guān)系曲線繪于圖2(c)。由圖可知,壁厚t對(duì)方鋼管再生混凝土長柱軸心受壓承載力、軸向剛度的影響最為明顯。隨著壁厚t由3 mm增加到6 mm,構(gòu)件的極限承載力提高約40%,軸向剛度亦有明顯提高。

3.2彈性剛度

構(gòu)件的軸壓剛度K是柱抵抗軸向變形能力的指標(biāo)。通過求解荷載-軸向形變曲線上各點(diǎn)的斜率,即由(1)式可計(jì)算得各加載點(diǎn)的剛度值Ki。

(1)

為消除前期剛度離散的影響,可用計(jì)算平均剛度的方法來確定彈性軸壓剛度。即當(dāng)求得的剛度平均值已大于下一加載點(diǎn)剛度值時(shí),就認(rèn)為該平均值為構(gòu)件彈性剛度KE,否則將下一加載點(diǎn)剛度值計(jì)入前一加載段內(nèi)計(jì)算平均值,直至滿足要求為止。計(jì)算結(jié)果見表5所列。

3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)列表

表5對(duì)比列出了構(gòu)件的試驗(yàn)數(shù)據(jù),其中極限應(yīng)變?chǔ)舥是指在極限荷載pu下構(gòu)件的軸向平均應(yīng)變。

(1) 再生粗骨料取代率影響。相較于FZXB 3-8,FZXB 3-9與FZXB 3-11的極限承載力pu降低僅約5%,但后者在極限承載力下構(gòu)件的軸向平均應(yīng)變?chǔ)舥卻由前者的6.5‰增加至8.7‰,增幅達(dá)33%。彈性剛度KE由前者的240 MN降低到后者的179 MN,降幅達(dá)25%。

(2) 長細(xì)比影響。構(gòu)件長細(xì)比λ由34.64增加到69.82,極限承載力pu由1 123 kN下降到870 kN,降幅22.5%;極限應(yīng)變?chǔ)舥由8.7‰先減小至7.2‰,后增加至14.1‰;彈性剛度KE由179 MN先增加至181 MN,后增加至254 MN,后者增幅約30%。

(3) 鋼管壁厚影響。隨著壁厚t由3 mm增加到6 mm,方鋼管再生混凝土長柱極限承載力pu由1 123 kN增加到1 886 kN,增幅68%;極限應(yīng)變?chǔ)舥由8.7‰增加至12.4‰,增幅42%;彈性剛度KE由179 MN增加至220 MN,增幅約23%。

表5　不同參數(shù)下試件承載力、軸向變形和彈性剛度

4結(jié)論

(1) 方鋼管再生混凝土長柱軸壓承載力,隨再生骨料取代率的增加略有下降;隨長細(xì)比的增加而降低,構(gòu)件長細(xì)比λ由34.64增加到69.82,極限承載力降幅達(dá)22.5%;鋼管壁厚對(duì)軸壓承載力影響較大,壁厚t由3 mm增加到6 mm,構(gòu)件的極限承載力提高約40%。

(2) 方鋼管再生混凝土軸壓長柱在極限承載力下的軸向平均應(yīng)變,隨再生骨料取代率的增加、長細(xì)比的增加呈增長趨勢(shì),軸向平均應(yīng)變隨鋼管壁厚的增加而增加,呈明顯規(guī)律。

(3) 方鋼管再生混凝土長柱的彈性軸壓剛度,隨再生骨料取代率的增加而降低,再生骨料取代率為100%的試件較取代率為0%的試件,彈性剛度降幅達(dá)25%。彈性軸壓剛度隨鋼管壁厚的增加而增加,鋼管壁厚由3 mm增加到6 mm,彈性剛度增幅達(dá)23%。

(4) 在既有制作及加載條件下,構(gòu)件的鋼管壁厚對(duì)破壞形式的影響較大,試驗(yàn)表明當(dāng)壁厚增大為5～6 mm時(shí),構(gòu)件能夠得到理想狀態(tài)下的整體失穩(wěn)。鋼管壁過薄的在鋼管軸向應(yīng)力進(jìn)入塑性階段后,雖有核心混凝土徑向向外的約束,可以保證其不向內(nèi)失穩(wěn),但較易過早產(chǎn)生徑向向外的失穩(wěn),從而導(dǎo)致構(gòu)件的關(guān)鍵截面過早破壞。

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收稿日期：2016-03-15；修改日期：2016-03-18

作者簡介：黃浩(1989-)，男，安徽肥東人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

中圖分類號(hào)：TU398.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)02-0212-04