鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀研究

田亮亮 王志強(qiáng)

（北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 北京 100144）

引言

由于組成再生混凝土材料本身的缺陷，其使用范圍也相對受到了很大的限制。為了使再生混凝土得到更加安全廣泛的使用、大力促進(jìn)對廢棄混凝土回收的力度、避免自然資源無限制的過渡浪費(fèi)、提供更加和諧的居住環(huán)境，將再生混凝土與鋼管組合在一起形成了一種新型的組合結(jié)構(gòu)——鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)（Recycled Aggregate Concrete Filled Steel Tube Structure，RACFST）。其不僅能夠充分利用鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)勢，還能夠增加再生混凝土這種綠色可持續(xù)發(fā)展新材料的使用范圍。1997年，Konno K首先提出了鋼管再生混凝土這種新型的組合構(gòu)件，為建筑垃圾的回收再利用提供了一條新的思路，得到很多學(xué)者的青睞。

1 鋼管再生混凝土靜力性能

2006年，楊有福[1]對國外關(guān)于鋼管再生混凝土已有的研究成果進(jìn)行了綜述，提出了鋼管再生混凝土的發(fā)展方向，并且對其設(shè)計方法進(jìn)行了初步探討。2007年，楊有福[2]采取數(shù)值法和有限元法對各種受力狀態(tài)下的鋼管再生混凝土構(gòu)件的破壞形態(tài)和荷載-變形關(guān)系曲線進(jìn)行全過程分析，得出了壓彎構(gòu)件承載力的簡化計算公式、兩個截面在受力過程中的應(yīng)力分布規(guī)律以及兩種材料之間的相互作用。2011年，王玉銀等[3]對軸向荷載作用下的鋼管混凝土構(gòu)件和鋼筋再生混凝土構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)二者的含鋼率相同時，前者的在各方面的性能要強(qiáng)于后者。2012年，陳宗平等[4]通過對若干不同參數(shù)的15根鋼管再生混凝土偏壓柱進(jìn)行試驗(yàn)得出：其受力過程及破壞形態(tài)與鋼管混凝土偏壓住的基本相同，并且其承載力能夠達(dá)到同條件下鋼管混凝土構(gòu)件的要求。2016年，胡乃東等[5]對不同參數(shù)的鋼管再生混凝土偏壓長柱的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，同時采用信號分析儀對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全過程分析測試得出：構(gòu)件的含鋼率與剛度、延性成正比關(guān)系，偏心距對其剛度有著較大的影響，且不易采用大偏心距的構(gòu)件，避免其剛度退化過快造成構(gòu)件安全系數(shù)的降低。

2 鋼管再生混凝土抗震性能

2012年，查曉雄等[6]用有限元法對空心鋼管普通、再生混凝土壓彎構(gòu)件進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究，對二者的P-Δ骨架曲線理論模型做了明確的闡述，并以此為突破點(diǎn)，對位移延性系數(shù)的計算方法做了進(jìn)一步的簡化，為此種構(gòu)件在地震狀態(tài)下各種性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。2013年，劉峰等[7]利用ABAQUS研究了不同再生骨料替代率時鋼管再生混凝土柱在地震荷載作用下的各種性能，將模擬結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了全面的對比，對有限元模擬能否替代實(shí)驗(yàn)提供了更加準(zhǔn)確的參考依據(jù)。2014年，張向?qū)萚8]對10根圓鋼管再生混凝土試件做了模擬地震實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在相同條件下，鋼管再生混凝土柱與鋼管混凝土柱的受力過程和破壞特征沒有特別明顯的區(qū)別。2015年，蔡楊[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同參數(shù)的圓鋼管再生混凝土柱在地震荷載作用下結(jié)構(gòu)安全性影響的主次關(guān)系為：軸壓比→鋼管強(qiáng)度→含鋼率，在對構(gòu)件設(shè)計時應(yīng)該充分考慮不同參數(shù)的權(quán)重。2016年，蘇益聲等[10]對帶加強(qiáng)環(huán)的方鋼管再生混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了在模擬地震荷載作用下力學(xué)性能的試驗(yàn)研究和理論分析，研究發(fā)現(xiàn)：加強(qiáng)環(huán)對提高構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、延性等性能有很好的效果，對避免構(gòu)件在節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)鼓曲變形等有特別顯著的作用。

3 長期荷載作用下鋼管再生混凝土的力學(xué)性能

2012年，汪承華[11]對鋼管再生混凝土短柱進(jìn)行了長期荷載作用下的試驗(yàn)研究和ABAQUS有限元模擬，對模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果做了充分的對比研究發(fā)現(xiàn)：在相同參數(shù)時兩者基本沒有特別明顯的區(qū)別。2013年，付學(xué)寶[12]對3組6根鋼管再生混凝土短柱進(jìn)行了高應(yīng)力狀態(tài)時持久軸心受壓的徐變試驗(yàn)研究，并且分析了多種不同參考因素對此種情況下構(gòu)件徐變的影響，為此種結(jié)構(gòu)的安全使用提供了有效的理論參考依據(jù)。2014年，陳杰等[13]收集了多組再生混凝土徐變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并做了全面的分析，用國內(nèi)外不同的再生混凝土徐變模型進(jìn)行了模擬計算，并將加載齡期作為主要參數(shù)用恰當(dāng)?shù)男熳兡Ｐ蛯?組在長期荷載作用下鋼管再生混凝土短柱的徐變進(jìn)行了預(yù)測。2015年，劉云明[14]通過總結(jié)已有的再生混凝土徐變模型，對鋼管再生混凝土中核心混凝土的長期變形進(jìn)行了預(yù)測，搜集相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用來驗(yàn)證模型是否可用，并考慮了不同參數(shù)對此構(gòu)件長期變形的影響進(jìn)行了理論研究；通過ABAQUS有限元模型分析得出：時效作用不僅對構(gòu)件的靜力性能有影響，對其應(yīng)力也會產(chǎn)生一定的影響；在高應(yīng)力狀態(tài)下，對若干參數(shù)的鋼管再生混凝土軸壓短柱進(jìn)行了徐變實(shí)驗(yàn)研究，得出了在此種情況下構(gòu)件的徐變系數(shù)提高了三倍左右。

4 鋼管再生凝土耐火性能

2011年，侯睿[15]在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，用ABAQUS有限元對恒高溫后軸心受壓的32根鋼管再生混凝土和8根再生混凝土短柱分別作了模擬研究，分析了恒高溫后各構(gòu)件的材料性能和力學(xué)性能的變化情況。2012年，劉軼翔等[16]通過火災(zāi)實(shí)驗(yàn)對鋼管再生混凝土長、短柱分別進(jìn)行了抗火抗高溫的研究，結(jié)果表明：在同等條件下，長柱的抗火性能比鋼管普通混凝土構(gòu)件的要強(qiáng)，并推導(dǎo)出了火災(zāi)作用下此種構(gòu)件承載力的計算公式，能夠更加安全準(zhǔn)確的估算該種構(gòu)件在火災(zāi)情況下的使用情況。2013年，張超榮[17]對火災(zāi)后軸心受壓和偏心受壓的圓鋼管再生混凝土柱進(jìn)行比較全面的研究，并且將火災(zāi)后圓鋼管再生混凝土軸壓柱的承載力的計算公式做了更加簡化的修正，還深入探討了火災(zāi)后偏壓構(gòu)件力學(xué)性能的變化情況。2015年，羅超寧等[18]通過試驗(yàn)和ABAQUS對實(shí)心和空心鋼管再生混凝土柱的耐火性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究得出：在同等火災(zāi)條件下，鋼管再生混凝土構(gòu)件的抗火性能優(yōu)于鋼管普通混凝土構(gòu)件。

5 結(jié)語

綜上所述，鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外許多學(xué)者的研究下，已經(jīng)形成了比較全面的理論基礎(chǔ)，為其在實(shí)際工程中的使用提供了基本保障。鋼管再生混凝土作為一種新型的綠色組合結(jié)構(gòu)，在建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的情況下一定能夠在實(shí)際工程中廣泛使用。

[1]楊有福.鋼管再生混凝土構(gòu)件力學(xué)性能和設(shè)計方法若干問題的探討[J].工業(yè)建筑，2006，43（11）：1～5，10.

[2]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，2007，44（12）：7～12.

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

[4]陳宗平，李啟良，張向?qū)?，薛建陽，陳寶?鋼管再生混凝土偏壓柱受力性能及承載力計算[J].土木工程學(xué)報，2012，45（10）：72～80.

[5]胡乃冬，杜喜凱，劉濮源，牛志強(qiáng).方鋼管再生混凝土偏壓長柱受力性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2016，37（S2）：36～42.

[6]查曉雄，李衛(wèi)秋，余敏.空心普通和再生鋼管混凝土柱抗震性能研究Ⅱ：理論研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2012，14（3）：36～41.

[7]劉鋒，余銀銀，李麗娟.鋼管再生骨料混凝土柱抗震性能研究[J].土木工程學(xué)報，2013，60（S2）：178～184.

[8]張向?qū)?，陳宗平，薛建陽，蘇益聲.鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報，2014，61（9）：45～56.

[9]蔡楊.鋼管再生骨料混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2015.

[10]蘇益聲，楊燊，孟二從，曾文祥.帶加強(qiáng)環(huán)的方鋼管再生混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[J].中國科技論文，2016，11（13）：1496～1503.

[11]汪承華.鋼管再生混凝土短柱軸壓長期性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[12]付學(xué)寶.高應(yīng)力狀態(tài)下鋼管混凝土短柱軸壓長期性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[13]陳杰，耿悅，王玉銀.鋼管再生混凝土徐變預(yù)測模型的確定及應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2014，35（4）：280～288.

[14]劉云明.不同應(yīng)力水平下鋼管再生混凝土長期靜力性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[15]侯睿.恒高溫后鋼管再生混凝土軸壓力學(xué)性能研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2011.

[16]劉軼翔，查曉雄.鋼管再生混凝土柱承載力及抗火性能研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2012，14（3）：48～52.

[17]張超榮.火災(zāi)（高溫）后鋼管再生混凝土柱力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2013.

[18]羅超寧，查曉雄.鋼管再生混凝土柱耐火性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2015，36（S2）：35～41.