型鋼再生混凝土梁受力性能研究現(xiàn)狀與建議

王亞梅，母　薇

(西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 四川成都 610039)

?

型鋼再生混凝土梁受力性能研究現(xiàn)狀與建議

王亞梅，母薇

(西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 四川成都 610039)

為了分析型鋼再生混凝土梁的研究前景，文章主要從型鋼再生混凝土梁的抗彎承載能力、抗剪承載能力和其高溫作用后的承載能力等方面，總結(jié)型鋼再生混凝土梁受力性能的研究成果，并為型鋼再生混凝土組合梁的將來(lái)研究方向提出幾點(diǎn)意見(jiàn)，為相關(guān)研究提供參考。

型鋼；再生混凝土梁；受力性能；安全使用狀態(tài)；研究方向

近年來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程加快，對(duì)原有建筑物的拆除，以及地震等自然災(zāi)害對(duì)建筑物的破壞等原因，使得全國(guó)各地產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因拆除廢舊建筑物和新建筑物施工過(guò)程中約產(chǎn)生建筑垃圾5 360×104t。2008年的四川汶川地震，由于毀壞、倒塌房屋所產(chǎn)生建筑垃圾超過(guò)5×108t。所以解決建筑垃圾污染問(wèn)題，成為當(dāng)今世界面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1　再生混凝土概念及力學(xué)特性

再生混凝土是指將廢棄的混凝土塊經(jīng)破碎、清洗、篩分并按一定比例混合形成再生混凝土集料(Recycled Aggregate or Recycled concrete Aggregate)，利用再生混凝土集料作為部分或全部替代天然骨料配制成的混凝土，叫做再生混凝土(Recycled concrete)，也稱為再生集料混凝土(Recycled Aggregate concrete)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)再生混凝土的性能研究得到了很大的發(fā)展，結(jié)果表明再生混凝土在材料性能上有一定的不足和局限性。再生混凝土與普通混凝土相比，表現(xiàn)為空隙率高、密度低、吸水率大、強(qiáng)度低于普通混凝土等基本特性。這為其廣泛的使用造成了一定的困難。

2　型鋼再生混凝土組合梁

2.1型鋼混凝土梁概念

型鋼混凝土組合梁是指在截面中間配置型鋼，并配有一定數(shù)量的構(gòu)造鋼筋，外面澆筑混凝土的組合梁結(jié)構(gòu)。這種新型結(jié)構(gòu)開始被用于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，具有以下的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于梁截面中配置了型鋼，使構(gòu)件承載力、剛度等大大提高，這在很大程度上減小了構(gòu)件的截面尺寸，使得建筑的使用空間得以提高。

(2)與鋼筋混凝土梁相比，型鋼混凝土梁的強(qiáng)度、剛度都有顯著提高。并且由于型鋼的存在，可以使組合結(jié)構(gòu)的延性增強(qiáng)。

(3)與鋼結(jié)構(gòu)相比，造價(jià)降低，外部有混凝土包裹，可以大大地降低鋼結(jié)構(gòu)被腐蝕的可能，充分發(fā)揮鋼材的優(yōu)點(diǎn)，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2.2型鋼再生混凝土梁的特征

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者根據(jù)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出型鋼再生混凝土的概念，這可以利用型鋼承載力高、延性好、抗震性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，大大的改善再生混凝土的受力性能，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)再生混凝土資源的循環(huán)利用、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此，具有良好的應(yīng)用前景。

型鋼混凝土構(gòu)件使用過(guò)程中存在許多的缺點(diǎn)，這在型鋼再生混凝土研究過(guò)程中也是不容忽視和主要研究的問(wèn)題，主要包括：

(1)由于結(jié)構(gòu)中使用了型鋼，型鋼和再生混凝土兩種材質(zhì)相差較大，處理不當(dāng)容易發(fā)生滑移破壞。必須重視型鋼和混凝土兩者的粘結(jié)力和相互作用對(duì)構(gòu)件的承載力產(chǎn)生的影響。

(2)由于再生混凝土的強(qiáng)度比混凝土的要低，當(dāng)承受反復(fù)荷載或在地震作用下時(shí)，型鋼還沒(méi)有有效地發(fā)揮其提高承載力的作用，而構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)處就可能已經(jīng)發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。所以應(yīng)對(duì)型鋼再生混凝土的抗震性能進(jìn)行充分的研究。

(3)正常情況下混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限在50～100年之間。由于再生混凝土具有空隙率大等基本特性，型鋼再生混凝土的耐久性研究也有重要的意義。

3　型鋼再生混凝土受力性能研究現(xiàn)狀

3.1型鋼再生混凝土的抗彎承載力

陳宗平等[1]考慮了再生粗骨料取代率和混凝土強(qiáng)度等級(jí)兩個(gè)變化因素，設(shè)計(jì)6個(gè)試件進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，研究了型鋼再生混凝土梁的受力性能，通過(guò)試驗(yàn)表明：

(1)型鋼再生混凝土受力過(guò)程中截面的應(yīng)變分布符合平截面假定。

(2)型鋼再生混凝土梁具有良好的承載能力和變形性能，隨著取代率的增加，型鋼再生混凝土梁的承載力有所提高。

(3)基于安全和經(jīng)濟(jì)方面考慮，提出應(yīng)采用YB 9082-2006的方法計(jì)算型鋼再生混凝土梁的極限承載力。

經(jīng)研究得出型鋼再生混凝土截面受彎承載力滿足規(guī)范要求：

(1)

(2)

河北工程大學(xué)李園園[6]進(jìn)行了4組型鋼再生混凝土梁實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變?cè)偕止橇系娜〈屎团涔柯蕛蓚€(gè)因素，研究型鋼再生混凝土梁的變形及承載能力情況，并探討符合型鋼再生混凝土承載力的計(jì)算公式。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：型鋼再生混凝土梁應(yīng)變基本符合平截面假定；不同再生混凝土取代率對(duì)型鋼再生混凝土梁的極限承載力沒(méi)有較大的影響；配箍率的變化對(duì)構(gòu)件的極限承載能力影響不明顯，但是對(duì)構(gòu)件的裂縫發(fā)展有較大影響。

經(jīng)研究得出型鋼再生混凝土正截面受彎承載力計(jì)算方法適用于JGJ 138-2001《型鋼再生混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。

當(dāng)δ1h0<1.25x，δ2h0>1.25x時(shí)：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Maw為型鋼腹板承受的軸向合力對(duì)型鋼受拉翼緣和縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)的力矩；ξb為相對(duì)界限受壓區(qū)高度；Naw為型鋼腹板承受的軸向合力；δ1、δ2為型鋼腹板上、下端至截面上邊緣距離與h0的比值；h0為型鋼受拉翼緣與縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至混凝土受壓邊緣距離；tw、tf為型鋼腹板厚度、型鋼翼緣厚度。

3.2型鋼再生混凝土梁的抗剪承載力現(xiàn)狀

王秀振等[5]通過(guò)對(duì)12個(gè)梁試件進(jìn)行試驗(yàn)，研究再生混凝土取代率、剪跨比和混凝土強(qiáng)度三個(gè)變量分別對(duì)型鋼再生混凝土受剪性能的影響及破壞機(jī)理，探討受剪承載力的計(jì)算方法。馬輝、薛建陽(yáng)等[3]通過(guò)有限元對(duì)型鋼再生混凝土抗剪承載力的可靠度進(jìn)行分析。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明：由于再生混凝土通過(guò)合理的配合比設(shè)計(jì)，可以使其強(qiáng)度與普通混凝土強(qiáng)度極其相似，所以再生骨料的替代率對(duì)型鋼再生混凝土承載力影響不大；剪跨比的增加，實(shí)驗(yàn)梁的承載力減少很多；由于構(gòu)建梁的抗剪承載力主要由型鋼、再生混凝土和箍筋來(lái)提供，隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的增加，梁的承載力也相應(yīng)的增加。通過(guò)分析得出構(gòu)件抗剪承載力的計(jì)算公式：

(7)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：在研究型鋼再生混凝土梁抗剪承載力的影響時(shí)，均忽略型鋼與再生混凝土之間的粘結(jié)滑移，即二者之間符合平截面假設(shè)；得出型鋼再生混凝土的抗彎承載能力、抗剪承載能力基本能滿足使用安全的要求。

3.3高溫后型鋼再生混凝土抗剪、抗彎承載力研究現(xiàn)狀

陳宗平等[7]設(shè)計(jì)17個(gè)構(gòu)件的靜力加載試驗(yàn)，研究各變化參數(shù)對(duì)高溫后型鋼再生混凝土梁的受剪性能的影響，主要包括溫度、再生粗骨料取代率、混凝土強(qiáng)度等三個(gè)變化量。

研究結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)高溫的型鋼再生混凝土梁質(zhì)量有所減少，構(gòu)件的初始剛度和峰值荷載降低，延性系數(shù)先減小再增大；不同再生骨料取代率，構(gòu)件經(jīng)過(guò)高溫后的荷載-撓度曲線的變化規(guī)律相似，對(duì)力學(xué)性能影響較小；隨著混凝土等級(jí)增大，構(gòu)件的初始剛度和峰值荷載也相應(yīng)的增加，但是延性系數(shù)減少。

陳宗平等[8]研究了型鋼再生混凝土梁受高溫后的受彎性能的變化情況，設(shè)置溫度、再生混凝土取代率和剪跨比三個(gè)變化量，分別進(jìn)行了加載試驗(yàn)。

研究結(jié)果表明：高溫后型鋼再生混凝土梁受力破壞形態(tài)與常溫下基本相同；隨溫度的升高，試件的極限承載力和剛度逐漸降低，延性變差；再生粗骨料取代率的變化對(duì)試件的承載力和剛度影響不大，但對(duì)延性有一定的影響；隨著剪跨比的增加，試件的承載力和剛度降低，延性卻更好；并提出應(yīng)引入高溫折減系數(shù)，對(duì)《型鋼再生混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》計(jì)算方法進(jìn)行折減，來(lái)計(jì)算構(gòu)件極限承載力。

3.4研究結(jié)果分析

根據(jù)影響型鋼混凝土梁的受力性能的主要因素對(duì)比，結(jié)合相關(guān)資料的研究成果進(jìn)行分析總結(jié)，影響型鋼再生混凝土梁的承載能力的因素可能還有加載方式、型鋼強(qiáng)度及配鋼率、箍筋強(qiáng)度及配箍率、寬度比和型鋼翼緣混凝土保護(hù)層厚度等。就現(xiàn)在的研究情況來(lái)看，這些因素對(duì)型鋼再生混凝土的承載力的影響，只通過(guò)簡(jiǎn)單的有限元模擬，并沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所以還有待進(jìn)一步研究。

4　型鋼再生混凝土梁受力性能研究前景

4.1型鋼再生混凝土梁的耐久性能

經(jīng)研究，混凝土長(zhǎng)期處于外界環(huán)境中，會(huì)在溫度、濕度、氯離子和等劣化作用下，影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限。

再生混凝土耐久性能研究，主要包括抗?jié)B透、抗凍融和抗氯離子侵蝕的性能?；炷恋目?jié)B性能是反映混凝土耐久性的重要指標(biāo)，更是與微裂紋的有著密切關(guān)系。氯離子侵蝕是指在混凝土生產(chǎn)或在使用過(guò)程中，侵入、累積了一定濃度的氯離子，會(huì)加快構(gòu)件中鋼筋或型鋼的銹蝕，致使構(gòu)件發(fā)生破壞。這與混凝土材料多孔性、密實(shí)性、工程質(zhì)量、混凝土保護(hù)層厚度等多種因素有關(guān)。

再生混凝土與混凝土相比，空隙較多，表觀密度低，強(qiáng)度低，以及再生混凝土本身污染物的存在，會(huì)對(duì)新、舊混凝土繼續(xù)產(chǎn)生危害反映，從而大大縮短混凝土的使用壽命。由于再生混凝土本身存在的缺陷，所以型鋼再生混凝土的耐久性是將來(lái)型鋼再生混凝土能否廣泛使用的關(guān)鍵性問(wèn)題，有必要在這方面深入進(jìn)行研究。

4.2型鋼再生混凝土梁抗震性能

型鋼混凝土梁有抗震性、承載能力高以及環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多學(xué)者的高度重視，其應(yīng)用前景十分廣闊。鮑雨澤等[4]研究了再生骨料的取代率的單一參數(shù)變量，對(duì)型鋼再生混凝土平面框架中節(jié)點(diǎn)的抗震性能影響。

為了全面了解型鋼再生混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能，還需要進(jìn)一步研究軸壓比、配箍率等諸多因素的變化對(duì)框架抗震性能的影響；應(yīng)考慮邊節(jié)點(diǎn)、角節(jié)點(diǎn)等不同位置的框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能。在實(shí)際工程中，研究空間框架梁對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響，是今后學(xué)者在科研中應(yīng)予以考慮和研究的問(wèn)題。

5　結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段對(duì)型鋼再生混凝土在抗剪、抗彎的承載能力方面的研究取得了一定的成果，但是不夠全面，還存在許多的不足之處，主要包括：

(1)目前大多數(shù)的試驗(yàn)研究還停留在材料的性質(zhì)和簡(jiǎn)單的構(gòu)件上，要想將其應(yīng)用于實(shí)際工程中，需要研究不同構(gòu)件之間的協(xié)同工作能力。

(2)對(duì)型鋼再生混凝土梁承載能力的影響因素還不夠全面，需要進(jìn)一步研究，完善截面承載能力的計(jì)算方法。

(3)對(duì)于型鋼再生混凝土梁的抗震性、抗?jié)B透性、抗氯離子能力和抗凍性，還有很大的研究空間。要想提高再生混凝土的使用率和適用范圍，這是必須要研究的問(wèn)題。

[1]陳宗平,陳宇良. 型鋼再生混凝土梁受彎性能試驗(yàn)及承載力計(jì)算[J]. 工業(yè)建筑,2013(9):11-16.

[2]薛建陽(yáng),王秀振. 型鋼再生混凝土梁受剪性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu),2013(7):69-72.

[3]馬輝,薛建陽(yáng),林建鵬. 型鋼再生混凝土梁抗剪承載力及其可靠度分析[J]. 工業(yè)建筑,2013(9):7-10.

[4]鮑雨澤. 型鋼再生混凝土框架中節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[D].西安建筑科技大學(xué),2014.

[5]王秀振. 型鋼再生混凝土梁受剪性能試驗(yàn)研究[D].西安建筑科技大學(xué),2011.

[6]李園園. 型鋼再生混凝土梁的抗彎性能試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[D].河北工程大學(xué),2015.

[7]陳宗平,王歡歡. 高溫后型鋼再生混凝土梁的受剪性能試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)建筑,2014(11):51-57.

[8]陳宗平,鄭巍. 高溫后型鋼再生混凝土梁受彎試驗(yàn)及承載力計(jì)算[J]. 工業(yè)建筑,2014(11):45-50.

[9]JGJ 138-2001 型鋼再生混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):YCJJ2015174)

王亞梅(1990～)，女，在讀研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。

TU375.1

A

[定稿日期]2016-03-29