方鋼管再生混凝土短柱的軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)

張繼承，申興月，王靜峰，杜國(guó)鋒，王科輝

(1.長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 湖北荊州434023；2.長(zhǎng)江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所， 湖北荊州434023)

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方鋼管再生混凝土短柱的軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)

張繼承1,2，申興月1，王靜峰1，杜國(guó)鋒1,2，王科輝1

(1.長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 湖北荊州434023；2.長(zhǎng)江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所， 湖北荊州434023)

為研究鋼管寬厚比及再生骨料取代率對(duì)方鋼管再生混凝土短柱力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)9根方鋼管再生混凝土短柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，觀察了試件在軸壓力作用下的破壞過(guò)程，分析了鋼管寬厚比和再生骨料取代率對(duì)試件荷載—位移和荷載—應(yīng)變曲線的影響。結(jié)果表明，寬厚比及再生骨料取代率對(duì)鋼管再生混凝土短柱的最終破壞形態(tài)影響不大，與普通鋼管混凝土短柱相似，各試件均呈剪切破壞，最終破壞時(shí)，其縱向變形均超過(guò)30 mm；隨著再生骨料取代率增大，荷載—位移曲線下降段越陡，但隨著鋼管寬厚比的增大，再生骨料取代率超過(guò)30%后，試件極限承載力越接近，說(shuō)明考慮再生骨料取代率的不利影響更合理。最后結(jié)合試驗(yàn)提出了鋼管再生混凝土短柱承載力計(jì)算方法，將計(jì)算結(jié)果與相關(guān)規(guī)程進(jìn)行了對(duì)比，供工程應(yīng)用參考。

方鋼管再生混凝土；寬厚比；再生骨料取代率；承載力

與普通混凝土相比，再生混凝土因內(nèi)部存在不同程度的損傷，導(dǎo)致其強(qiáng)度、抵抗變形能力以及耐久性等性能較差，這阻礙了再生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用。若將再生混凝土與普通混凝土按一定比例混合后填入鋼管，因鋼管對(duì)內(nèi)部核心混凝土有一定的約束作用，在三維的受壓狀態(tài)下再生混凝土的力學(xué)性能將會(huì)得到較明顯改善，因此對(duì)鋼管再生混凝土的力學(xué)性能的具體研究，有利于再生混凝土的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用研究普通鋼管混凝土的方法對(duì)鋼管再生混凝土短柱的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了豐碩成果[1-10]。陳宗平等[7]進(jìn)行了方、圓鋼管再生混凝土短柱的軸壓試驗(yàn)，試驗(yàn)中考慮了不同的再生骨料取代率對(duì)試件承載力的影響，分析了不同加載階段軸壓短柱的受力特性，結(jié)果顯示，當(dāng)再生骨料取代率大于50%后，承載力有所降低。何東等[9]對(duì)鋼管再生混凝土的荷載—變形全過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性，兩種方法均表明再生骨料取代率對(duì)極限承載力有影響；陳夢(mèng)成等[10]以混凝土骨料類型和圓鋼管尺寸為試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)6根短柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，并運(yùn)用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，有限元計(jì)算的結(jié)果是偏于安全的， 說(shuō)明有限元方法可用于鋼管再生混凝土短柱承載力計(jì)算。

但據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看，有關(guān)再生骨料取代率對(duì)試件承載力影響的報(bào)道仍較少，因此本文擬以鋼管寬厚比及再生骨料取代率為試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)方鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能進(jìn)行分析，并由此提出承載力計(jì)算方法。

1　試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)與制作

為研究?jī)?nèi)填混凝土中再生骨料的取代率及外包鋼管寬厚比對(duì)鋼管再生混凝土短柱承載力的影響，本文采用正交試驗(yàn)法，共設(shè)計(jì)長(zhǎng)度450 mm的短柱9個(gè)，各試件具體參數(shù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)使用的材料主要有材質(zhì)為Q235的無(wú)縫方鋼管、強(qiáng)度等級(jí)32.5的普通硅酸鹽水泥、天然碎石、水、河砂、再生粗骨料、再生細(xì)骨料和高效減水劑FDN-5，其中再生骨料取自某質(zhì)檢站，再生粗骨料和再生細(xì)骨料為該質(zhì)檢站的廢棄混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊經(jīng)破碎機(jī)和人工錘擊后篩分得到，再生細(xì)骨料粒徑為5～10 mm，再生粗骨料粒徑為10～20 mm，天然骨料級(jí)配良好，拌制混凝土前先將天然骨料和再生骨料表面的泥漿用水清洗干凈，然后將骨料和篩過(guò)的砂烘干。各鋼管內(nèi)填混凝土配合比相同，即水泥∶砂∶骨料∶水=491∶627∶1 134∶147，減水劑的用量為水泥用量的1%，所配混凝土中再生骨料的含量根據(jù)試驗(yàn)要求分別占所用骨料的0%、30%和60%，其中再生細(xì)骨料均為再生骨料的30%。鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)和內(nèi)填混凝土28 d的立方體抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表1。

注：1. RCFSST3-00，RCFSST即Recycled concrete filled short steel tubular columns，指鋼管再生混凝土構(gòu)件，3表示鋼管厚度為3 mm，00表示再生骨料的取代率為0%。2.基本參數(shù)中，B代表方鋼管截面外邊長(zhǎng)；t為鋼管壁實(shí)測(cè)厚度；L為短柱長(zhǎng)度；η為內(nèi)填混凝土中再生骨料取代率；B∶t為鋼管寬厚比；fy為鋼管屈服強(qiáng)度；fcu為內(nèi)填混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度；Pue為軸壓試驗(yàn)測(cè)得的試件極限荷載。3.試件RCFSST4-30數(shù)據(jù)采集失敗。

1.2加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置

圖1　加載裝置Fig.1　Loading device

試驗(yàn)在某結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，加載裝置見(jiàn)圖1，加載裝置為量程5 000 kN的微機(jī)控制液壓伺服壓力機(jī)。為使外包鋼管與核心混凝土在加載過(guò)程中同時(shí)受壓，試驗(yàn)前，先用打磨機(jī)將混凝土和鋼管上表面打磨平整，然后將試件直接放在壓力機(jī)的加載平臺(tái)上。為保證試件在加載過(guò)程中始終處于軸壓狀態(tài)，在試件頂部放一個(gè)球形鉸，使球鉸中心與試件形心在同一鉛垂線上；同時(shí)為確保加載裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能正常工作，在正式加載前施加150 kN的壓力進(jìn)行預(yù)加載，然后卸載。

為測(cè)量試件的縱向變形和鋼管應(yīng)變，在試件每側(cè)均布置一個(gè)YHD-100型位移計(jì)，位移計(jì)一端頂在球鉸平板面上；同時(shí)在試件每個(gè)面中央高度截面處沿橫、縱向各布置一對(duì)電阻應(yīng)變片，應(yīng)變和位移均通過(guò)DH3816型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)采集。

1.3試驗(yàn)加載方案

采用分級(jí)加載制度，當(dāng)荷載達(dá)到預(yù)計(jì)極限荷載的0.6倍前，每級(jí)荷載為預(yù)計(jì)極限荷載的1/15；當(dāng)荷載超過(guò)預(yù)計(jì)荷載的0.6倍后，每級(jí)荷載為預(yù)計(jì)極限荷載的1/30，每級(jí)荷載持續(xù)2 min后采集數(shù)據(jù)并進(jìn)入下一級(jí)加載。當(dāng)試件位移發(fā)生突變，表示試件屈服，此時(shí)連續(xù)加載，并不斷采集位移和應(yīng)變，直到試件承載力下降至極限荷載的85%以下或加載位移超過(guò)30 mm，停止加載。

2　試驗(yàn)現(xiàn)象

所有試件的破壞形態(tài)類似，試件破壞形態(tài)見(jiàn)圖2,圖2中從左至右試件編號(hào)與表1中從上至下編號(hào)對(duì)應(yīng)，可以看出方鋼管再生混凝土軸壓短柱和普通方鋼管混凝土軸壓短柱的受力特征相似。試件在加載前期即彈性階段時(shí)沒(méi)有較明顯變化，隨著軸向荷載的逐漸增大，試件進(jìn)入彈塑性階段時(shí)，鋼管壁中央高度以上鐵銹較厚處，鐵銹開(kāi)始慢慢出現(xiàn)起皮現(xiàn)象，甚至掉落，鋼管端部表面開(kāi)始出現(xiàn)斜向的剪切滑移線，隨著荷載增大逐漸明顯，同時(shí)逐漸向試件中部擴(kuò)展；試件在達(dá)到極限荷載前鋼管還沒(méi)有明顯的鼓曲，臨近極限荷載時(shí)，試件1/4高度處的鋼管局部外凸，并發(fā)生較大的豎向位移，其中再生骨料取代率為60%的試件軸向變形最明顯，這與混凝土中再生骨料的內(nèi)部存在較小裂縫有關(guān)；隨著荷載的繼續(xù)增大，試件變形加速，距柱兩端面1/4～1/3高度處鋼管橫向突起約1.5～4.0 mm；超過(guò)峰值荷載后，試件承載力快速下降，鋼管急劇變形。試件RCFSST4-00、RCFSST5-00、RCFSST4-60和RCFSST6-60中央高度處鋼管角部出現(xiàn)破裂，有被壓碎的混凝土小塊體掉出；在試件RCFSST4-00、RCFSST5-00、RCFSST5-30、RCFSST4-60和RCFSST6-60中央高度處鋼管鼓凸較大的面上縱向應(yīng)變片均出現(xiàn)滑移。試件破壞時(shí)，鋼管上未滑移的應(yīng)變片均出現(xiàn)溢出現(xiàn)象，最終試件縱向變形均超過(guò)了30 mm，試驗(yàn)過(guò)程中能聽(tīng)到混凝土被壓碎的聲音。

圖2　試件的破壞形態(tài)

3　主要試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1荷載—位移關(guān)系曲線

以4個(gè)位移計(jì)測(cè)得的試件壓縮量平均值為橫坐標(biāo)，軸向荷載為縱坐標(biāo)，得到各試件的荷載—位移曲線，見(jiàn)圖3。方鋼管再生混凝土軸壓短柱和普通方鋼管混凝土軸壓短柱的荷載—位移關(guān)系曲線發(fā)展過(guò)程基本相同，都有彈性和塑性發(fā)展過(guò)程。在0.65～0.85倍極限荷載前，試件的荷載—位移關(guān)系曲線呈線性上升，試件處于彈性階段，隨后繼續(xù)加載，試件逐漸進(jìn)入塑性階段，曲線開(kāi)始出現(xiàn)較小偏轉(zhuǎn)。

(a) B∶t=57.7

(d) η=0%

圖3(a)、(b)、(c)給出了鋼管寬厚比相同的情況下，不同再生骨料取代率的試件荷載—位移關(guān)系曲線。由圖3可知，在鋼管寬厚比較小的試件中，再生骨料取代率對(duì)鋼管極限承載力影響很明顯，試件極限承載力隨著再生骨料取代率的增大而降低；在增大鋼管寬厚比后，再生骨料取代率對(duì)試件的極限承載力的影響有所降低；在鋼管寬厚比相同時(shí)，試件在彈性階段和彈塑性階段的剛度基本相同，但隨著再生骨料取代率的增大，試件達(dá)到峰值荷載后承載能力降低更快，這是因?yàn)樵偕橇蟽?nèi)存在較多不可避免的微小裂縫，隨著再生骨料的比例增加，試件在相同的軸向壓力作用下，發(fā)生了較大的縱向變形。

圖3(d)、(e)、(f) 給出了再生骨料取代率相同的情況下，不同鋼管寬厚比的試件荷載—位移關(guān)系曲線。由圖3可知，再生骨料取代率小于30%時(shí)，寬厚比對(duì)構(gòu)件的極限承載力影響很大，再生骨料取代率相同的試件，寬厚比越小，試件在彈性階段的剛度越大，且極限承載力也越大，這是鋼管的約束作用增大的緣故；當(dāng)再生骨料取代率達(dá)到60%時(shí)，寬厚比對(duì)構(gòu)件的極限承載力影響很小，這主要是因?yàn)殡S著再生骨料的比例增加，再生骨料對(duì)極限承載力的影響變大，此時(shí)鋼管的約束作用不再對(duì)試件承載力起控制作用。

3.2位移計(jì)與縱向應(yīng)變片測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

將試件的壓縮長(zhǎng)度所換算成的縱向應(yīng)變和4個(gè)縱向應(yīng)變片所測(cè)應(yīng)變的平均值作為橫坐標(biāo)，軸向荷載為縱坐標(biāo)，各試件可得到兩條荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖4。由于應(yīng)變片量程較小，數(shù)據(jù)極易溢出，且試件破壞時(shí)位移迅速增加，故較大的應(yīng)變均未測(cè)到。從圖4中可以看出，應(yīng)變片所測(cè)應(yīng)變較位移計(jì)所測(cè)位移換算應(yīng)變偏小，其原因有：①在較大的軸壓力作用下，試件上部的球形鉸支座平板部分有較小變形，位移計(jì)所測(cè)的位移中包含這部分；②加載初期無(wú)法保證試件端部鋼管與混凝土完全平齊，混凝土可能先有壓縮變形，所以試件的平均應(yīng)變以應(yīng)變片測(cè)得應(yīng)變表示更準(zhǔn)確。但兩曲線有相同的變化規(guī)律，說(shuō)明鋼管與再生混凝土能很好的協(xié)同工作，鋼管應(yīng)變能較好的反應(yīng)試件應(yīng)變變化趨勢(shì)。

(a) RCFSST3-00

(d) RCFSST4-00

(g) RCFSST5-30

4　承載力計(jì)算

采用國(guó)內(nèi)外方鋼管混凝土短柱承載力計(jì)算方法對(duì)本文中方鋼管再生混凝土短柱的極限承載力進(jìn)行計(jì)算，并與試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。從表2中可以看出，未考慮再生骨料取代率影響的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值有較大的誤差，韓林海[11]方法計(jì)算結(jié)果偏大，而B(niǎo)S5400(1979)[12]、DBJ 13-51-2003[13]和GJB 4142-2000[14]三種規(guī)程的方法計(jì)算值明顯偏小，且隨著再生骨料取代率的提高，承載力反而增大，這與實(shí)際情況不吻合，因此承載力計(jì)算中考慮再生骨料取代率的影響會(huì)使結(jié)果更精確。

表2　極限承載力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比Tab.2　Comparison of ultimate bearing capacity of specimens between calculation and experiment

基于以上分析，結(jié)合本試驗(yàn)，考慮再生骨料取代率的不利影響，利用極限平衡法，可以得到方鋼管再生混凝土極限承載力的計(jì)算式為：Pu=φAcfck(1+1.96ξ),其中折減系數(shù)φ=1/(0.095η2+0.09η+1.25)，η表示再生骨料取代率，ξ=fyAs/fckAc，fck=0.67fcu。

運(yùn)用上述擬合公式分別對(duì)文獻(xiàn)[15]中方鋼管再生混凝土短柱和文獻(xiàn)[16]中圓鋼管再生混凝土短柱進(jìn)行承載力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和表4。從表3中可以看出，當(dāng)再生骨料取代率大于20%時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值很接近，誤差5%以內(nèi)，在工程允許的誤差范圍；從表4中可知，只有試件CA-9和CA-10計(jì)算值與試驗(yàn)值出現(xiàn)了較大偏差，這主要是因?yàn)槲墨I(xiàn)[16]中的圓鋼管混凝土短柱試件的極限承載力隨再生骨料取代率的變化規(guī)律不明顯，但總體而言，試件計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，且計(jì)算結(jié)果偏于安全，說(shuō)明該式也適用于圓鋼管再生混凝土短柱承載力計(jì)算。

表3　方鋼管再生混凝土短柱承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Tab.3　Comparison of bearing capacity of recycled aggregate concrete-filled square steel tubular short columns between calculation and experiment

注：D代表方鋼管截面外邊長(zhǎng)；t為鋼管壁實(shí)測(cè)厚度；L為短柱長(zhǎng)度；η為內(nèi)填混凝土中再生骨料取代率；fy為鋼管屈服強(qiáng)度；fck為內(nèi)填混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度；Pue為軸壓試驗(yàn)測(cè)得的試件極限荷載；Puc為根據(jù)本文公式得到的試件理論計(jì)算值。

表4　圓鋼管再生混凝土短柱承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Tab.4　Comparison of bearing capacity of recycled aggregate concrete-filled circular steel tubular short columns between calculation and experiment

注：D代表方鋼管截面外邊長(zhǎng)；t為鋼管壁實(shí)測(cè)厚度；L為短柱長(zhǎng)度；η為內(nèi)填混凝土中再生骨料取代率；fy為鋼管屈服強(qiáng)度；fck為內(nèi)填混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度；Pue為軸壓試驗(yàn)測(cè)得的試件極限荷載；Puc為根據(jù)本文公式得到的試件理論計(jì)算值。

5　結(jié)　論

①方鋼管再生混凝土軸壓短柱同普通方鋼管混凝土軸壓短柱的受力特征相似，破壞形態(tài)呈腰鼓狀的剪切破壞。

②寬厚比相同的試件在加載過(guò)程中，彈性階段和彈塑性階段剛度基本相同，但再生骨料取代率越大，超過(guò)峰值荷載后曲線下降段越陡。

③鋼管與再生混凝土能很好的協(xié)同工作，鋼管的應(yīng)變能較好的反應(yīng)試件的整體應(yīng)變趨勢(shì)。

④試件的極限承載力隨鋼管寬厚比的增大而增大，但當(dāng)再生骨料取代率大于30%時(shí)，承載力增大的趨勢(shì)逐漸減弱，當(dāng)再生骨料取代率達(dá)到60%時(shí)，不同寬厚比的試件極限承載力基本相同，因此計(jì)算試件的極限承載力時(shí)，考慮再生骨料取代率的影響后計(jì)算結(jié)果更加合理。

⑤本文公式可用來(lái)計(jì)算方鋼管再生混凝土短柱承載力，同時(shí)在圓鋼管再生混凝土短柱承載力計(jì)算時(shí)也適用。

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(責(zé)任編輯唐漢民梁健)

Experiment on mechanical behavior of recycled aggregate concrete-filled square steel tubular short columns under axial compression

ZHANG Ji-cheng1,2, SHEN Xing-yue1, WANG Jing-feng1, DU Guo-feng1,2, WANG Ke-hui1

(1.School of Urban Construction, Yangtze University, Jingzhou 434023,China； 2.Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

In order to research the influence of the width/thickness ratio of steel tube and the replacement ratio of recycled aggregate in core concrete on the mechanical behavior of recycled aggregate concrete-filled square steel tube (RACFSST) short columns, 9 specimens with different parameters were designed and tested under axial compression. The failure process of specimens was observed, and the impact of the width/thickness ratio of steel tube and the replacement ratio of recycled aggregate in core concrete on the loading-longitudinal displacement curves and loading-strain curves of specimens was analyzed. The results showed that the width/thickness ratio and the replacement ratio of recycled aggregate have little effect on the failure patterns of RACFSST short columns, which were similar to the situation of the ordinary concrete-filled steel tube short columns, and the failure pattern of the specimens was shear failure. Its vertical deformation was more than 30 mm eventually. As the replacement ratio of recycled aggregate decreased, the descent stage of load-displacement curves became steeper, but the bearing capacity of the RACFSST short columns was closer to one another with the increase of width/thickness ratio after the replacement ratio of recycled aggregate was over 30%, which indicated that taking the negative influence of replacement ratio of recycled aggregate into account would be more reasonable. Based on the tests, the bearing capacity calculation method of the RACFSST short column is proposed, which could provide practical project with useful reference.

recycled aggregate concrete-filled square steel tube; width/thickness ratio; replacement ratio of recycled aggregate; bearing capacity

2016-04-10；

2016-06-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378077)；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(D20151304)；湖北省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(104892014001)

張繼承(1976—)，男，湖南平江人，長(zhǎng)江大學(xué)副教授，工學(xué)博士；E-mail：719070934@qq.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1008

TU398; U441

A

1001-7445(2016)04-1008-08

引文格式：張繼承，申興月，王靜峰,等.方鋼管再生混凝土短柱的軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(4)：1008-1015.