不同壁厚鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能研究?

阿里甫江·夏木西，譚錟

(新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引 言

有效利用建筑垃圾中的廢棄骨料，不僅可以減少對(duì)環(huán)境的破壞，同時(shí)也可以減少資源浪費(fèi)，但再生混凝土在實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于粗骨料上的裂縫、新舊砂漿結(jié)合面黏結(jié)力薄弱等原因，相較普通混凝土存在強(qiáng)度降低、彈性模量降低、脆性大等缺點(diǎn)[1]．短柱是長徑比（L/D）低于4的構(gòu)件，在實(shí)際工程中應(yīng)用較多，其強(qiáng)度大，破壞主要表現(xiàn)為強(qiáng)度破壞，在破壞前有明顯裂縫，而研究再生混凝土在短柱結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用有利于實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的大規(guī)模再利用．因此，Konno等[2]利用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（Concrete-Filled Steel Tube,CFST）來改善再生混凝土的力學(xué)性能，組成鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)（Recycled Aggregate Concrete-Filled Steel Tube,RACFST），通過對(duì)CFST試件和RACFST試件進(jìn)行對(duì)比軸壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)再生骨料的脆性得到較大延緩，延性有較大提升．

肖建莊等[3]對(duì)0～100%不同取代率下的RACFST進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著取代率的增加，RACFST的承載力逐漸下降，脆性不斷增大．周瓊瑤[4]對(duì)10種取代率和4種壁厚條件下的鋼管再生混凝土疊合柱進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)取代率的增加與承載力的減少存在線性關(guān)系，而壁厚增加會(huì)增大套箍系數(shù)．王剛[5]對(duì)3種取代率和2種壁厚的RACFST試件進(jìn)行了軸壓實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著壁厚增加，試件的承載力有較大提高，而取代率對(duì)承載力的影響不如壁厚，且壁厚增加對(duì)側(cè)向剛度和軸向剛度都產(chǎn)生有利影響．Mohanraj等[6]研究了方圓截面徑厚比等參數(shù)對(duì)RACFST的力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在25%取代率下構(gòu)件強(qiáng)度反而比CFST的高，徑厚比相同的方形試件強(qiáng)度略大于圓形試件，且徑厚比越小，試件承載力越大．Xu等[7]在前人實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了有限元模型，通過有限元方法研究了5種鋼管壁厚和4種取代率條件下的RACFST力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)取代率對(duì)承載力影響較小，但對(duì)試件的延性影響較大．Yang等[8]對(duì)之前學(xué)者所做的方圓鋼管試件的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了總結(jié)，給出了承載力計(jì)算公式與包括破壞模式和剛度研究的分析結(jié)論．Tam等[9]對(duì)不同的RACFST內(nèi)部摻和料進(jìn)行了研究，同樣驗(yàn)證了隨著取代率的增加、承載力有所降低，尤其是加入膨脹劑后，承載力下降更為明顯．Nour等[10]采用遺傳算法，收納了之前學(xué)者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了包括各項(xiàng)RACFST參數(shù)在內(nèi)的承載力預(yù)測(cè)模型，并發(fā)現(xiàn)鋼管壁厚對(duì)承載力結(jié)果影響較大．

綜上，較多學(xué)者針對(duì)取代率和鋼管壁厚進(jìn)行了研究，并分別得到取代率增加會(huì)導(dǎo)致試件力學(xué)性能下降和壁厚增加會(huì)提升力學(xué)性能的結(jié)論，但專門針對(duì)100%取代率條件下的鋼管再生混凝土鋼管壁厚的研究不多．目前，現(xiàn)行《鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（T/CECS 625―2019）》（簡稱2019規(guī)程）[11]對(duì)C50以下再生混凝土取代率設(shè)計(jì)推薦70%以下．本文將鋼管壁厚作為參數(shù)，分別對(duì)CFST和再生粗骨料取代率為100%的RACFST試件進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，對(duì)比了兩者的各項(xiàng)力學(xué)性能，研究了鋼管壁厚對(duì)RACFST受力性能的影響規(guī)律，旨在明確100%取代率情況下國內(nèi)承載力計(jì)算方法的適用性．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB 50936―2014）》（簡稱2014規(guī)范）[12]和建材市場(chǎng)材料的現(xiàn)有情況，共設(shè)計(jì)了20根圓形試件，分別為10根CFST試件和10根RACFST試件，每種試件分為5種壁厚，分別為t=2.3 mm、t=3.0 mm、t=3.5 mm、t=4.0 mm、t=4.5 mm，每一類試件分為兩組，一組作為對(duì)照，分別將其命名為XCFt、XRCFt，X代表圓形截面，同時(shí)對(duì)再生混凝土和普通混凝土各增加3個(gè)素混凝土柱試件，分別將其命名為XC、XRAC．在澆筑混凝土?xí)r，每攪拌澆筑一組試件，也澆筑3個(gè)立方體試塊和1個(gè)圓柱體試塊．普通混凝土和再生混凝土目標(biāo)試配強(qiáng)度均為40 MPa，即C40和RC40．使用天山水泥廠生產(chǎn)的425水泥，按照100%取代率粗骨料來設(shè)計(jì)．

1.2 材料準(zhǔn)備

1.2.1鋼材

鋼管選用新疆八一鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的Q355B鋼.由鑫鼎激光金屬制品有限公司按照外直徑D=165 mm、長度H=500 mm用激光進(jìn)行切割，確保斷面平整、光滑．

1.2.2 再生骨料

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[13?14]，粗骨料來源對(duì)于再生混凝土凝結(jié)之后的最終強(qiáng)度存在影響，但是影響的誤差范圍不大，能夠保證達(dá)到RC40的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，同時(shí)強(qiáng)度偏差的范圍非常小[13]．因此，本文選用試驗(yàn)室廢棄的混凝土作為再生骨料來源，用顎式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，破碎的過程中將鋼筋等較大的雜質(zhì)剔除，得到大小不一的混凝土碎塊，再使用旋振篩對(duì)混凝土進(jìn)行篩分，區(qū)分出粒徑5～25 mm之間的粗骨料．

1.3 材性試驗(yàn)

1.3.1鋼材

使用WEY-600萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鋼材的拉伸試驗(yàn)，根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法（GB/T 228.1―2010）》[15]所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和圖1所示．

表1 鋼材材料數(shù)據(jù)

圖1 鋼材材料試驗(yàn)結(jié)果

1.3.2 混凝土

使用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)WAW-1000級(jí)進(jìn)行立方體與圓柱體材料試驗(yàn)，設(shè)備精度等級(jí)為一級(jí)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2．

表2 混凝土材料數(shù)據(jù)

1.4 應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)與加載方式

圓鋼管在高度等分的位置分別繞周長等距設(shè)置4個(gè)橫向應(yīng)變片，與橫向應(yīng)變片對(duì)應(yīng)的垂直方向設(shè)置4個(gè)豎向應(yīng)變片，共8個(gè)應(yīng)變片如圖2所示．軸心加載試驗(yàn)在YJW10000微機(jī)控制液壓伺服壓力機(jī)上進(jìn)行.鋼管變形由應(yīng)變箱采集，采用位移加載，圓鋼管加載極限為35 mm，加載速度為4 mm/min．為避免加載時(shí)偏心受壓，在試件上鋪設(shè)細(xì)砂，用鋼墊板抹平后進(jìn)行覆蓋．試驗(yàn)加載裝置如圖3所示，每次加載完成后，清理干凈加載臺(tái)和墊板上的細(xì)砂，避免底部墊板由于細(xì)砂存在影響下一個(gè)試件、導(dǎo)致偏心受壓．

圖2 應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)

圖3 加載裝置

2 結(jié)果及分析

2.1 破壞模式

如圖4～7所示，薄壁試件的破壞形式為剪切破壞，試件中部伴隨有腰部鼓曲．將外部鋼管切開后，發(fā)現(xiàn)隨著壁厚的增加，核心混凝土完整度逐漸提高，證明鋼管壁厚的增加會(huì)提高試件的變形能力，減少脆性破壞，而再生骨料的摻入會(huì)明顯增加試件的脆性．與XCFt相比，XRCFt內(nèi)部裂縫寬度更大，切開后更易斷裂成多段塊體；當(dāng)XCFt壁厚小于3.5 mm時(shí)，試件沿45?線（剪切滑移線）較為明顯，而當(dāng)壁厚大于等于3.5 mm時(shí)，混凝土剪切滑移線逐漸模糊，整體塑性破壞增強(qiáng)，內(nèi)部混凝土的完整度隨壁厚的增加而逐漸提高，表現(xiàn)為延性破壞的特征；當(dāng)XRCFt壁厚小于4.0 mm時(shí)，仍然沿45?線有較大裂縫，證明XRCFt混凝土在承受側(cè)向應(yīng)力時(shí)更容易形成斷裂面，內(nèi)部混凝土形成延性破壞特征，需要更大的鋼管壁厚．因此，當(dāng)壁厚大于3.5 mm、對(duì)應(yīng)套箍系數(shù)為1.22時(shí)，試件整體破壞模式較安全．

圖4 XCFt試件破壞模式

圖5 XCFt試件剖面圖

圖7 XRCFt試件剖面圖

2.2 荷載-位移曲線分析

XCFt試件與XRCFt試件荷載-位移曲線對(duì)比如圖8（a～e）所示，所有試件遵循著彈性階段-彈塑性階段-下降段的基本規(guī)律．XCFt試件在各個(gè)壁厚條件下，下降段承載力都高于XRCFt試件，說明XRCFt試件的脆性受到再生骨料的影響要大于XCFt試件，但當(dāng)鋼管壁厚大于3.5 mm時(shí)，XRCFt試件的下降段開始變得平緩，說明壁厚增加能有效減小脆性．由圖8（f）可知，相同混凝土條件下，XCFt試件的上升階段彈性模量隨著鋼管壁厚的增加有增加的情況，但也較為接近；XRCFt試件上升段也存在隨著壁厚增加、彈性模量略微上升的趨勢(shì)，但差異并不是很大．因此，當(dāng)鋼管壁厚大于3.5 mm、即套箍系數(shù)大于1.22時(shí)，試件較為安全．

圖8 試件的荷載-位移曲線

2.3 荷載-應(yīng)變曲線分析

如圖9所示，從上升段看，隨著鋼管壁厚的增加，XCFt試件和XRCFt試件的縱向應(yīng)變有所減緩，剛度相對(duì)變大．引入屈強(qiáng)比[16]（試件屈服強(qiáng)度與峰值荷載的比值），XCFt、XRCFt試件達(dá)到鋼管屈服應(yīng)變時(shí)，XCFt試件的屈服荷載分別達(dá)到峰值荷載的92.1%、88.9%、86.8%、80.0%、80.9%，而XRCFt試件的屈服荷載則達(dá)到峰值荷載的94.5%、89.2%、90.4%、86.7%、85.4%．可以說明壁厚增加能增加試件的承載力儲(chǔ)備，提高試件的可靠度；XRCFt試件整體屈強(qiáng)比高于XCFt，脆性更大，可靠度低．XCFt試件在壁厚小于等于3.0 mm時(shí)塑性階段表現(xiàn)為塑性軟化，而當(dāng)壁厚大于3.0 mm時(shí)表現(xiàn)為塑性硬化；XRCFt試件則在壁厚小于等于3.5 mm時(shí)塑性階段表現(xiàn)為塑性軟化，當(dāng)壁厚大于3.5 mm時(shí)表現(xiàn)為塑性硬化；因此，推薦對(duì)應(yīng)套箍系數(shù)為1.22．

圖9 試件荷載-應(yīng)變曲線

2.4 剛度退化

剛度是描述試件抵抗變形的指標(biāo)，為了分析試件在軸壓情況下剛度退化的情況，引入了剛度指標(biāo)．本文剛度系數(shù)采用試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線上各個(gè)點(diǎn)的割線模量．如圖10所示，XCFt隨著壁厚的增加，彈性階段剛度逐漸增加，但進(jìn)入彈塑性階段時(shí)，2.3 mm壁厚的剛度下降較快，而3.0 mm相比2.3 mm有明顯緩和，剛度下降減緩；3.5 mm時(shí)下降段有所加快，但仍緩于2.3 mm；4.0 mm時(shí)又有所減緩，而4.5 mm時(shí)下降段又有所加快．XRCFt試件則在3.0～4.0 mm處有較明顯的緩和，在4.5 mm處下降速度又快于這一階段壁厚的試件，說明壁厚的增加對(duì)剛度并不會(huì)一直提升，在3.0～4.0 mm之間存在一個(gè)剛度提升峰值．因此，當(dāng)壁厚在3.0～4.0 mm之間、即套箍系數(shù)在1.04～1.41之間時(shí)，為較優(yōu)剛度區(qū)間．

圖10 剛度退化曲線

2.5 韌性分析

斷裂韌性是材料抵抗裂紋持續(xù)增加的性質(zhì)，通常用物體斷裂前吸收能量的多少來衡量物體韌性的好壞，Husem等[17]用應(yīng)力應(yīng)變曲線的包絡(luò)面積作為斷裂韌性因子（χ）來衡量鋼管混凝土的單位體積抵抗變形的能量．表達(dá)式如下：

式中：δf為破壞位移，N為荷載，δ為位移，εf為破壞應(yīng)變（取值為50 000μm/m），D為直徑或邊長，H為高度，σ和ε分別為應(yīng)力和應(yīng)變．試件根據(jù)材料試驗(yàn)和鋼管的軸壓試驗(yàn)，取破壞位移δf=25 mm．如圖11所示，通過計(jì)算韌性因子，發(fā)現(xiàn)隨著壁厚的增加，試件的斷裂韌性不斷增大，XCFt試件的斷裂韌性系數(shù)相比XRCFt試件按壁厚從小到大分別提高了5.8%、10.0%、8.8%、7.9%、3.3%，在t=3.0 mm時(shí)達(dá)到峰值，之后持續(xù)下降，隨壁厚增加，試件應(yīng)變能增加的效率越來越緩慢．因此，壁厚在3.0～4.0 mm之間時(shí)，韌性較好，對(duì)應(yīng)套箍系數(shù)為1.07～1.41．

圖11 斷裂韌性示意圖

2.6 延性分析

圓形試件由于下降段荷載-位移曲線多數(shù)無法達(dá)到85%峰值荷載的荷載值，而3倍峰值位移處位移過大，因此采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Eu為峰值荷載處的荷載-位移曲線包絡(luò)面積，Ey為試件屈服時(shí)的曲線包絡(luò)面積（即能量）．圖12為5種壁厚的延性率曲線，隨著鋼管壁厚的增加，延性率系數(shù)不斷增加，說明試件的延性隨著鋼管壁厚的增加在逐步增大；不同壁厚的XCFt試件的延性始終大于XRCFt試件的延性，并且呈現(xiàn)平行趨勢(shì)，說明XRCFt試件中由于加入再生混凝土，導(dǎo)致試件的延性降低．通過計(jì)算比值可以發(fā)現(xiàn)，XRCFt試件延性系數(shù)分別達(dá)到XCFt試件的75.4%、64.9%、46.0%、52.0%、61.2%，原因是薄壁時(shí)鋼管套箍效應(yīng)弱，兩者因此較為接近，但隨著壁厚增加，再生混凝土的缺陷凸顯，延性提升緩慢；而達(dá)到較大壁厚時(shí)，如3.5 mm左右，側(cè)向約束力增加較多，套箍效應(yīng)增加，彌補(bǔ)了再生混凝土內(nèi)部缺陷．試驗(yàn)結(jié)果與所有力學(xué)指標(biāo)見表3．綜上，延性較優(yōu)區(qū)間為壁厚3.5～4.0 mm，對(duì)應(yīng)套箍系數(shù)為1.22～1.41．

圖12 延性分析

表3 試驗(yàn)結(jié)果

2.7 峰值荷載與含鋼率分析

如圖13所示，截面含鋼率相同時(shí)，試件的峰值荷載隨著含鋼率的增加也在不斷增加，按鋼管壁厚從小到大排列，XRCFt試件分別達(dá)到XCFt試件峰值荷載的97.89%、94.09%、98.80%、95.30%、96.72%，XRCFt峰值荷載基本低于XCFt．而采用(Nexan?Nexan?1)/(ρn?ρn?1)公式（ρ表示含鋼率，n表示此梯度含鋼率）進(jìn)行計(jì)算，XCFt結(jié)果為241.53 kN、177.53 kN、5.16 kN、172.96 kN、90.37 kN，XRCFt結(jié)果為236.43 kN、138.51 kN、64.90 kN、121.08 kN、107.18 kN，隨著鋼管壁厚增加，單位含鋼率增加對(duì)試件承載力的提升效率越來越低，因此，增加壁厚的經(jīng)濟(jì)效益逐漸降低．

圖13 承載力與含鋼率曲線

2.8 離散性分析

采用變異系數(shù)CV表示試件的離散性，衡量數(shù)據(jù)之間的波動(dòng)和離散程度．計(jì)算公式如下：

式中：S為標(biāo)準(zhǔn)差，Xi為各組單個(gè)試件峰值荷載值，ˉX為對(duì)應(yīng)峰值荷載的平均值．如圖14所示，變異系數(shù)總體表現(xiàn)為薄壁鋼管時(shí)較高、隨著壁厚的增加逐漸降低的趨勢(shì)，除了3.0 mm出現(xiàn)兩者都較低的情況，其它各個(gè)壁厚CV基本表現(xiàn)為XCFt

圖14 鋼管壁厚與變異系數(shù)

2.9 承載力計(jì)算方法

目前，我國現(xiàn)有的鋼管再生混凝土計(jì)算公式只收錄于2019規(guī)程[11]，但是普通鋼管混凝土計(jì)算公式較多，使用較廣泛的有2014規(guī)范[12]，兩個(gè)計(jì)算公式如下：

（1）2019規(guī)程

式中：fsc,r為截面組合軸壓強(qiáng)度，ξr為約束效應(yīng)系數(shù)（ξr=Asfy/Acfc,r），fc,r為再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度.

（2）2014規(guī)范

式中：θsc為套箍系數(shù)（取值同約束效應(yīng)系數(shù)），fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度．

圓形試件B、C取值如下：

將13位學(xué)者的14個(gè)試件的100%取代率的短柱軸壓試驗(yàn)峰值荷載結(jié)果代入公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4和圖15所示，其中?表示實(shí)驗(yàn)值對(duì)公式預(yù)估值的比值．兩個(gè)公式的?平均值分別為0.97和1.02，CV值均為4.72%，說明100%替代率時(shí)，2019規(guī)程可能存在承載力過高預(yù)估的情況．將?根據(jù)套箍系數(shù)的大小劃分為兩個(gè)區(qū)間，其一是低區(qū)間，即θ=0.38至θ=1.5；其二是高區(qū)間，即θ>1.5．根據(jù)表4和圖15可以發(fā)現(xiàn)：在θ低區(qū)間時(shí)，?值大多低于1.0，說明預(yù)估值偏高，不安全，兩個(gè)規(guī)范的可靠性得不到保證；在θ高區(qū)間時(shí)，?值均高于1.0，說明預(yù)估值偏低，偏安全．由此得出結(jié)論：100%取代率條件下，套箍系數(shù)大于1.5的RACFST構(gòu)件可以使用2019規(guī)程和2014規(guī)范進(jìn)行承載力預(yù)估，結(jié)果是偏安全的；與此相反，套箍系數(shù)低于1.5時(shí)，2019規(guī)程和2014規(guī)范均不適合計(jì)算RACFST承載力．

圖15 實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比結(jié)果

表4 實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

3 結(jié)論

（1）XCFt與XRCFt的破壞模式隨著壁厚的增加，逐漸由剪切破壞變成多折腰鼓破壞，但XCFt試件改變破壞模式時(shí)壁厚比XRCFt試件更薄，而且內(nèi)部混凝土的完整度也隨壁厚增加而增加．從各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)看，壁厚的增加能有效改善XRCFt試件力學(xué)性能．

（2）在相同含鋼率條件下，XCFt試件與XRCFt試件的承載力相差并不大，但隨著含鋼率的增加，兩種試件的單位含鋼率提升承載力的效率越來越低．100%取代率條件下套箍系數(shù)大于1.5的RACFST構(gòu)件可以使用2019規(guī)程和2014規(guī)范進(jìn)行承載力預(yù)估，結(jié)果是偏安全的．與此相反，套箍系數(shù)低于1.5時(shí)，2019規(guī)程和2014規(guī)范均不適合計(jì)算RACFST承載力．

（3）綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素、延性、承載力和離散性，與XCFt趨勢(shì)較為接近的鋼管壁厚為3.5～4.0 mm，對(duì)應(yīng)套箍系數(shù)為1.22～1.41．針對(duì)100%取代率條件下，現(xiàn)有規(guī)范和規(guī)程承載力計(jì)算公式無法應(yīng)用于低套箍系數(shù)構(gòu)件，可以考慮在混凝土內(nèi)加配加筋件來提高試件承載能力和穩(wěn)定性．