方鋼管鋼纖維再生混凝土短柱軸壓性能試驗(yàn)研究*

張兆強(qiáng) 趙均海 鄧勇軍

(1.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061;2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621010)

近年來，隨著我國建筑業(yè)的快速發(fā)展，對砂石的需求量越來越大，為了滿足這一需求，大量開山采石引起植被毀壞和水土流失，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。與此同時(shí)，建筑廢棄物的排放量日益增加，有關(guān)資料顯示，近年來我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾總量為15.5億～24億t，已占到城市垃圾總量的30% ～40%，其中廢棄混凝土多達(dá)4.5億～6億噸。隨著城鎮(zhèn)化的深入推進(jìn)，該數(shù)據(jù)還將進(jìn)一步增大，“垃圾圍城”越演越烈。如此巨大的廢棄混凝土量不僅占用寶貴的土地，而且?guī)砹藝?yán)峻的環(huán)境和社會問題。再生混凝土技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土再利用，緩解砂石供求矛盾和保護(hù)環(huán)境的最有效措施，也有利于促進(jìn)混凝土行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出將鋼管和再生混凝土進(jìn)行組合形成了鋼管再生混凝土這一新型結(jié)構(gòu)形式。其受力過程中，通過利用鋼管和再生混凝土的相互作用，改善了再生混凝土的承載性能，對推進(jìn)再生混凝土的工程應(yīng)用特別是在承重結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有重要意義。

目前，鋼管再生混凝土技術(shù)已成為了研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對鋼管再生混凝土試件純彎性能，長短柱軸壓、壓彎性能，中心局部承壓性能，抗震性能，界面黏結(jié)性能，高溫、酸雨等環(huán)境下性能，以及抗沖擊、抗火、抗凍性能等進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬工作［1-12］，取得了豐碩的成果。為了進(jìn)一步提高鋼管再生混凝土構(gòu)件的性能，本研究擬采用向內(nèi)填再生混凝土中摻加鋼纖維的方式形成鋼管鋼纖維再生混凝土構(gòu)件，并通過試驗(yàn)研究常見的方形截面短柱試件的軸壓性能，分析鋼纖維體積摻量以及截面含鋼率等因素對其承載性能的影響，為推進(jìn)其工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)制作與材料基本性能

共設(shè)計(jì)了25個(gè)試件(包含23個(gè)方鋼管鋼纖維再生混凝土短柱試件和2個(gè)未摻加鋼纖維的方鋼管再生混凝土短柱對比試件)。主要考察參數(shù)為鋼纖維體積摻量(分別為 0.5% 、1% 、1.5% 、2% 、2.5% 、3%)和截面含鋼率(分別為 0.085，0.122，0.169)，所有試件的長度與截面邊長比均為3.5。采用直縫焊接鋼管，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的鋼材強(qiáng)度指標(biāo)見表1。鋼纖維使用國產(chǎn)的波形鋼纖維，規(guī)格為0.7 mm ×0.7 mm ×35 mm。再生混凝土的原材料為中聯(lián)牌普通硅酸鹽水泥(P·O·32.5R)、普通中砂、自來水、天然骨料和再生粗骨料，其中再生粗骨料由服役30多年后的鋼筋混凝土梁經(jīng)機(jī)械破碎-篩分-清洗后獲得，骨料粒徑為5～25 mm。再生混凝土配合比為，水泥∶砂∶粗骨料∶水 =453∶560∶1 192(其中再生粗骨料894 kg)∶195，再生粗骨料取代率為75%，采用自然養(yǎng)護(hù)。鋼管底部焊接有尺寸為150 mm×150 mm×10 mm的底板，再生混凝土從試件頂部自上而下灌入，放置在振動臺上分2層振搗密實(shí)，并務(wù)必同批次澆筑3個(gè)邊長為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓試塊。為使加載端保持平整，澆筑混凝土?xí)r，使柱頂混凝土高出鋼管頂部平面10～15 mm，等到混凝土凝結(jié)硬化后，用打磨機(jī)將高出混凝土打磨至與鋼管頂部平齊。試件參數(shù)如表2所示。

表1 鋼材力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of steel

1.2 試驗(yàn)加載及測量

試驗(yàn)在西南科技大學(xué)結(jié)構(gòu)與力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心開展，采用5 000 kN微機(jī)控制液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸向加載。軸向壓縮位移由試驗(yàn)機(jī)上自帶的位移計(jì)適時(shí)采集。各試件中部分別粘貼縱向和橫向應(yīng)變片，以測試試件的縱橫向變形情況。試驗(yàn)正式開始前，進(jìn)行幾何對中和預(yù)加載，預(yù)加荷載取預(yù)計(jì)極限荷載的10%。待檢查加載系統(tǒng)和各測點(diǎn)工作運(yùn)行正常，卸載一段時(shí)間后，采用力控制方式進(jìn)行分級加載，在達(dá)到預(yù)計(jì)極限荷載的70%以前時(shí)，每級加載取預(yù)計(jì)極限荷載的1/10;超過該范圍后，每級加載取預(yù)計(jì)極限荷載的1/15，每級加載穩(wěn)載2 min，臨近破壞時(shí)，連續(xù)緩慢加載，當(dāng)試件承載力降低至極限承載力的80%以下時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

圖1 內(nèi)填再生混凝土破壞形態(tài)Fig.1 Failure mode of recycled aggregate concrete

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

所有試件的加載過程都得到了較好的控制。在加載開始時(shí)，所有試件表面基本無變化，試件處于彈性受力狀態(tài)。當(dāng)施加荷載達(dá)到極限荷載的75%～90%時(shí)，鋼管表面局部地方掉銹，并伴隨有輕微的響聲。加載繼續(xù)進(jìn)行，試件中部、距離上端部(1/4～1/3)柱高處和距離底板1/4柱高處出現(xiàn)鋼管壁局部鼓起，接近極限荷載時(shí)，局部鼓起加大，達(dá)到3～10 mm，并延伸形成了較為明顯的鼓曲線，且鋼纖維體積摻量越大的試件，局部鼓起越大，鼓曲線也越明顯，達(dá)到極限荷載以后，承載力緩慢下降，變形繼續(xù)增加，最后試件呈剪切型破壞，這一破壞形態(tài)與鋼管普通混凝土構(gòu)件相似［13］。鋼管剝離后，內(nèi)部再生混凝土典型破壞狀態(tài)如圖1所示。從圖中可以看出，試件鋼管管壁發(fā)生鼓曲的地方，再生混凝土有脫落和破碎現(xiàn)象，其他部位再生混凝土沒有出現(xiàn)明顯裂紋，試件內(nèi)填再生混凝土完整性較好，主要原因是再生混凝土受鋼管、鋼纖維的約束作用，自身強(qiáng)度和塑性得到提高。圖2顯示的是鋼管壁厚均為t2(2.8 mm)僅鋼纖維摻量不同的13個(gè)試件的破壞形態(tài)，可看出各個(gè)試件破壞形態(tài)基本類似，表明鋼纖維的摻量對試件破壞形態(tài)影響不大。

圖2 試件破壞Fig.2 Failure modes of specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載-位移曲線

各代表性試件的荷載-位移關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。其中，圖3為鋼管壁厚均為t2(2.8 mm)的試件隨鋼纖維體積摻量變化時(shí)的荷載-位移關(guān)系曲線，圖4顯示的是當(dāng)截面含鋼率變化時(shí)各代表性試件的荷載-位移關(guān)系曲線。從圖中易看出：每個(gè)試件都主要經(jīng)歷了彈性和塑性發(fā)展兩個(gè)階段。當(dāng)加載值在(0.75～0.95)Nu之間時(shí)(Nu為峰值荷載)，試件呈彈性受力狀態(tài)，此后進(jìn)入塑性階段。從圖3中可以看出：試件荷載 -位移關(guān)系曲線達(dá)到峰值荷載后的下降段伴隨鋼纖維體積摻量的提高呈現(xiàn)出放緩趨勢，表明試件延性得到一定改善。由圖4中可看出：隨著含鋼率的增加，試件的峰值荷載以及峰值荷載對應(yīng)的位移均增大，說明含鋼率是影響鋼管鋼纖維再生混凝土短柱試件性能的主要因素。

圖3 t2厚度系列試件荷載-位移關(guān)系曲線Fig.3 Load-displacement curves of specimens with the same t2

圖4 含鋼率變化時(shí)各試件荷載-位移關(guān)系曲線Fig.4 Load-displacement curves of specimens with different steel ratio

圖5 t2厚度系列試件荷載-軸向應(yīng)變、荷載-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Load-strain curves of specimens with the same t2

3.2 荷載-應(yīng)變曲線

試件的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。其中，圖5為t2厚度系列試件的荷載-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線和荷載-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線，圖6則為截面含鋼率變化時(shí)各試件荷載-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線和荷載-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線。由于試件在達(dá)到峰值荷載以后，承載力下降比應(yīng)變值采集速度快，難以獲得應(yīng)變與下降段承載力的一一對應(yīng)關(guān)系，且此時(shí)，大部分試件變形已很大，應(yīng)變片與鋼管壁發(fā)生滑移，應(yīng)變值出現(xiàn)大幅度回落，且回落數(shù)據(jù)比較凌亂，因此，此處僅列出了承載力上升期間的應(yīng)變數(shù)據(jù)，曲線上沒有理論上的下降段。從圖中不難看出：剛開始加載時(shí)，曲線基本呈線性變化趨勢，表明試件呈彈性受力狀態(tài)。此后，曲線出現(xiàn)彎曲，試件進(jìn)入塑性狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到極限承載力時(shí)，全部試件中部鋼管在軸向、環(huán)向均早已屈服。且此時(shí)，鋼管局部屈曲，試件變形顯著，應(yīng)變片測得的局部變形受到很大影響，致使應(yīng)變片的測量值無明顯的規(guī)律。

圖6 含鋼率變化時(shí)各試件荷載-軸向應(yīng)變、荷載-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Load-strain curves of specimens with different steel ratio

表2 試件參數(shù)與部分試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Parameters of the specimens and part experiment results

3.3 承載力

結(jié)合表2中的試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：1)當(dāng)鋼纖維體積摻量小于或等于1.5%時(shí)，試件承載力與未添加鋼纖維構(gòu)件相比有一定的小幅提高，表現(xiàn)在SZt205、SZt210、SZt215試件平均承載力比SZt200試件平均承載力分別提高 2.9% 、1.4% 、3.3%;2)當(dāng)鋼纖維體積摻量大于2%時(shí)，試件承載力下降，且降低幅度伴隨鋼纖維體積摻量的增大而增大，SZt230-1試件比未添加鋼纖維試件的承載力降低多達(dá)29.3%。主要原因是：當(dāng)鋼纖維體積摻量較小時(shí)，鋼纖維約束了受壓過程中混凝土的橫向膨脹變形，進(jìn)而提高了混凝土強(qiáng)度和試件承載力;當(dāng)鋼纖維體積摻量較大時(shí)，其很容易因分布不均勻而出現(xiàn)結(jié)團(tuán)，使得混凝土內(nèi)界面薄弱區(qū)增多，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低;3)在鋼纖維體積摻量保持不變的情況下，試件承載力隨含鋼率的增大而明顯增大，SZt310試件平均承載力與SZt210試件和SZt110試件相比分別提高了23.8%、48.9%，SZt315試件平均承載力與 SZt215試件和SZt115試件相比分別提高了 25%、56.2%，SZt320試件平均承載力與SZt220試件和SZt120試件相比分別提高了24%、44.9%。

3.4 延性分析

參考文獻(xiàn)［14］，定義試件的延性系數(shù)μ為：

式中：Δ80%為試件承載力降低至峰值荷載80%時(shí)對應(yīng)的位移;Δu為試件承載力達(dá)到峰值荷載時(shí)對應(yīng)的位移。全部試件的延性系數(shù)見表2。

由表2可知：1)內(nèi)填混凝土中摻加鋼纖維后的試件，其位移延性系數(shù)與未摻加鋼纖維試件相比提高明顯，SZt205試件位移延性系數(shù)較SZt200試件提高9.4%，SZt230-1試件位移延性系數(shù)較 SZt200試件提高達(dá)79.2%;2)鋼纖維體積摻量越高，則位移延性系數(shù)越大;3)在相同鋼纖維體積摻量的情況下，試件位移延性系數(shù)隨截面含鋼率的增加而增大;4)與對試件承載力的影響相比，摻入鋼纖維對試件延性的影響更為顯著，為使試件既有較高的承載力又有良好的延性，建議鋼纖維的體積摻量可取為1.0% ～1.5% 。

4 軸壓承載力計(jì)算

4.1 計(jì)算理論與基本假定

采用俞茂宏教授提出的統(tǒng)一強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算［15］。在進(jìn)行鋼管鋼纖維再生混凝土短柱軸壓承載力計(jì)算時(shí)，作如下假定：

1)試件截面符合平截面假定。

2)鋼管和鋼纖維混凝土之間變形協(xié)調(diào)，沒有相對滑移。

3)試件屈服主要由鋼管和核心混凝土的縱向應(yīng)力引起。

4)僅考慮軸向平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件。

4.2 公式的推導(dǎo)

和圓形構(gòu)件不同，方鋼管對內(nèi)部混凝土的約束力不均勻。本文參考文獻(xiàn)［16］的思路，對混凝土約束劃分為有效約束區(qū)(圖中陰影部分)與弱約束區(qū)(圖中空白部分)兩部分，有效約束區(qū)與弱約束區(qū)的邊界線為拋物線，如圖7所示。

混凝土弱約束區(qū)域面積Ac1為：

混凝土有效約束區(qū)域面積Ac2為：

圖7 截面有效約束區(qū)及弱約束區(qū)示意Fig.7 Effective constraint area and weak constraint area of section

式中：Ac為截面核心混凝土面積，θ為拋物線起點(diǎn)切線夾角，可取 45°［17］。

將方形試件中方鋼管和內(nèi)部鋼纖維再生混凝土按照面積相等的原則分別轉(zhuǎn)化為圓形試件相應(yīng)的圓鋼管和混凝土：

式中：D、t分別為方鋼管鋼纖維再生混凝土柱的邊長和方鋼管的厚度;r0、t0分別為等效圓鋼管鋼纖維再生混凝土柱的內(nèi)半徑和圓鋼管的厚度。

則根據(jù)筆者在文獻(xiàn)［18］中已分析得出的圓鋼管承擔(dān)的軸向壓力計(jì)算式，易得等效后圓鋼管鋼纖維再生混凝土柱中鋼管承載力Ns0為：

式中：fy為鋼管的單向拉伸屈服強(qiáng)度。

根據(jù)文獻(xiàn)［19］所得結(jié)果，處于三向受壓狀態(tài)的核心混凝土軸向抗壓強(qiáng)度f'c為：

式中：fc為混凝土單軸抗壓強(qiáng)度;鋼管混凝土計(jì)算時(shí)常取3.0～5.0，具體數(shù)值由試驗(yàn)確定;p為鋼管對核心混凝土施加的側(cè)向約束應(yīng)力，pmax=2tfy/D。

則由核心混凝土承擔(dān)的軸向壓力為：

對于內(nèi)填混凝土的承載力Nc，可認(rèn)為由混凝土有效約束區(qū)的承載力Nc2與混凝土弱約束區(qū)的承載力Nc1兩部分承擔(dān)。

式中：ξ為考慮厚邊比υ(υ=T/D)影響的混凝土弱約束區(qū)約束折減系數(shù)［20］，按下列計(jì)算：

因此，方鋼管鋼纖維再生混凝土短柱的軸壓極限承載力為：

4.3 公式的驗(yàn)證與分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用本文推導(dǎo)公式(取 k=4，b=0.5)與國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范 CECS 159∶2004《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［21］、DBJ 13-51—2010《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［22］、GJB 4142—2000《戰(zhàn)時(shí)軍港搶修早強(qiáng)型組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［23］所推薦的軸壓承載力計(jì)算式，計(jì)算每一個(gè)試件的軸壓極限承載力，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較Table 3 Comparison between analysis results and tests results

由表 3可看出：運(yùn)用 CECS 159∶2004、DBJ 13-51—2010、GJB 4142—2000所推薦方法計(jì)算所得的試件軸壓承載力絕大多數(shù)都小于試驗(yàn)實(shí)測值，且兩者相差值較大，計(jì)算偏于保守;利用本文推導(dǎo)式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值相比，平均誤差為6.9%，方差為 0.078，整體吻合較好，可用來進(jìn)行方鋼管鋼纖維再生混凝土短柱軸壓承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算。

5 結(jié)束語

1)方鋼管鋼纖維再生混凝土短柱的軸向受壓破壞形態(tài)與鋼管普通混凝土柱相似，呈剪切型破壞，鋼纖維的摻量對其破壞形態(tài)無明顯影響。

2)鋼纖維的摻入對方鋼管再生混凝土短柱受壓承載力有一定提高，但增益作用并不明顯，當(dāng)鋼纖維體積摻量不超過1.5%時(shí)，試件軸壓承載力有小幅提高，但當(dāng)鋼纖維體積摻量超過2%后，由于鋼纖維的數(shù)量增多易出現(xiàn)分布不均勻而結(jié)團(tuán)、混凝土界面薄弱區(qū)增多，致使試件承載力反而低于未摻加鋼纖維構(gòu)件，且鋼纖維體積摻量越大，降幅也越大。

3)摻入鋼纖維后，試件延性得到顯著改善，且隨著鋼纖維體積摻量的提高，試件位移延性系數(shù)增大。為使試件既獲得較高的承載力又具有良好的延性，建議鋼纖維體積摻量取為1.0% ～1.5%。

4)截面含鋼率對試件承載性能影響明顯，試件承載力和位移延性系數(shù)均隨含鋼率的增大而增大。

5)基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論，提出了方鋼管鋼纖維再生混凝土短柱的軸壓承載力計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)符合較好，可在工程設(shè)計(jì)時(shí)采用。