配筋對方鋼管再生混凝土短柱軸壓性能的影響

阿里甫江·夏木西, 祖力皮卡爾·吐魯洪, 柳才堅

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

0 引言

隨著城市化建設(shè)進程的不斷加快和大量的舊房拆除改造,建設(shè)過程當(dāng)中產(chǎn)生的建筑廢棄物數(shù)量也越來越多。根據(jù)《中國建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟》提供的數(shù)據(jù),在21世紀中國每年的建筑廢棄物總量約為(15～24)×108t,回收率卻不到5%。與發(fā)達國家的回收率為95%相比,我國建筑廢棄物管理水平還相對較低。建筑廢棄物不僅占用土地資源,破壞生態(tài)環(huán)境,還不利于可持續(xù)生態(tài)環(huán)境建設(shè)。如何資源化利用建筑垃圾成為各國亟待解決的問題,因此,國內(nèi)外研究人員利用廢棄混凝土破碎后形成的骨料,配置再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete, RAC)并對其進行了研究和應(yīng)用[1]。研究發(fā)現(xiàn),相較于普通混凝土,RAC的基本力學(xué)性能較低,如脆性和吸水性高,抗壓強度、抗剪強度、彈性模量和耐久性差等[2-7],大大限制了其在工程領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用。RAC唯一的優(yōu)點是環(huán)保,即能實現(xiàn)自然資源的循環(huán)利用,且對構(gòu)件帶來的性能上的損失遠比廢棄混凝土對環(huán)境帶來的影響小,值得我們進一步探索研究。鋼管再生混凝土(RACFST)柱是一種用部分或全部RAC代替鋼管混凝土(CFST)核心普通混凝土的構(gòu)件。在RACFST柱中,因鋼管的套箍作用使核心RAC處于三向應(yīng)力狀態(tài),而核心RAC通過提供內(nèi)部支撐防止鋼管過早屈曲,從而提高構(gòu)件的力學(xué)性能[8],彌補RAC因脆性大等缺陷產(chǎn)生的不利影響。Cao[9]通過試驗研究發(fā)現(xiàn):與鋼管和RAC相比,RACFST表現(xiàn)出良好的延性特征并在破壞時能保持其形狀,承載力可達到鋼管和RAC總承載力的約2倍,即鋼管和核心RAC的相互作用實現(xiàn)了“1+1>2”的效果,但相較于CFST,RACFST的承載力卻下降了11%,彈性模量低了18%。Yang等[10]通過對比試驗發(fā)現(xiàn):CFST和RACFST(再生粗骨料取代率為25%、50%)呈現(xiàn)出相似的整體屈曲破壞模式,CFST的承載力均大于RACFST。陳宗平等[11]、Azevedo等[12]、柯曉軍等[13]也通過試驗研究發(fā)現(xiàn)了隨著再生粗骨料取代率的提高,再生骨料自身脆性大的缺點就會暴露出來,導(dǎo)致RACFST的承載能力整體偏低,這種問題在方形RACFST中尤為嚴重?！朵摴茉偕炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 625—2019)[14](以下簡稱規(guī)程19)也因此規(guī)定再生粗骨料取代率不應(yīng)大于70%的限制。

Xiamuxi等[15]通過在CFST核心插入鋼筋籠形成配筋鋼管混凝土(reinforced concrete-filled steel tube, R-CFST)研究了配筋對CFST整體性能的改善機制,發(fā)現(xiàn)R-CFST在極限承載力、延性、強度和抗脆性斷裂方面優(yōu)于CFST。由于縱筋和箍筋形成的封閉鋼筋籠對核心混凝土產(chǎn)生的二次套箍效應(yīng),因此延緩了鋼管的局部屈曲,促使了整體性能的提升。文獻[16-19]也都證實了配筋可以提高CFST性能。受此啟發(fā),可在RACFST內(nèi)配置鋼筋,組成配筋鋼管再生混凝土(R-RACFST)有望改善RACFST的受力性能,值得進一步探索。

目前國內(nèi)外有關(guān)R-RACFST的研究較少,僅劉堅等[20]通過理論方法對R-RACFST承載力進行分析,并推導(dǎo)出承載力計算公式。本文以100%完全利用再生混凝土為目的,通過不同縱筋配筋率的方形R-RACFST短柱的軸心受壓試驗,研究配筋對其各關(guān)鍵力學(xué)特性的影響規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗分別設(shè)計了5組方形R-RACFST、1組方形RACFST、1組方形CFST短柱試件,每組重復(fù)試件2根,共計14根試件。主要變化參數(shù)為R-RACFST的5種縱筋配筋率,分別為0.75%、1.34%、3.02%、5.36%、4.10%。試件編號規(guī)則為“試件標示Φ縱筋直徑-重復(fù)試件編號(1或2)”,其中試件標示R-RCF代表R-RACFST試件、RCF代表RACFST試件、CF代表CFST、Φ代表縱筋直徑。依據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936—2014)[21]制備試件,規(guī)范中規(guī)定高徑比H/B小于等于4為短柱,根據(jù)此規(guī)定以及本地鋼材市場現(xiàn)有的供貨條件確定本試驗試件高徑比為3.23,即短柱試件。試件截面統(tǒng)一采用方形,實測邊長B為154.6 mm,高度H為500 mm;鋼管的壁厚t為2.3 mm;縱筋的截面直徑dv分別為6、8、12、14、16 mm,根數(shù)n為6;箍筋的截面直徑dl為4 mm,外環(huán)直徑ds為100 mm,間距s為50 mm;試件構(gòu)造如圖1所示。核心混凝土分別采用配合比一致的再生粗骨料取代率為100%的強度等級分別為RC40、C40的混凝土。為了更好地觀察鋼管的變形和局部破壞情況,在鋼管外表面繪制尺寸為20 mm×20 mm(長度×寬度)的網(wǎng)格?；炷翉脑嚰敳繚仓?用振動棒小心地振動,使混凝土均勻地分布在鋼管內(nèi),最后對上、下表面進行光滑處理。

圖1 試件構(gòu)造Fig.1 Specimen structure

1.2 加載及量測方案

試驗在新疆大學(xué)博達校區(qū)重裝實驗室YJW-10000型微機控制液壓伺服壓力機下進行,采用位移控制加載方式,加載速率為2.5 mm/min,加載至20 mm時停止加載,試驗結(jié)束。為了測得鋼管的縱向和橫向應(yīng)變和鋼筋的縱向應(yīng)變,應(yīng)變片貼在各試件的豎向中心處,R-RACFST、RACFST和CFST試件分別貼4個對稱布置的縱向和環(huán)向應(yīng)變片。R-RACFST 內(nèi)部的6根鋼筋中3根對稱鋼筋的豎向中心處只貼縱向應(yīng)變片。試驗照片如圖2所示。

圖2 試驗照片F(xiàn)ig.2 Photograph of the test

1.3 材料性能

據(jù)文獻[22-23]調(diào)研發(fā)現(xiàn),再生骨料的來源對再生混凝土強度的影響可忽略不計,因此本文中再生混凝土中粗骨料由實驗室廢棄混凝土收集。先使用顎式破碎機破碎,再通過旋振篩分機篩選、清潔和晾曬干燥后得到粒徑為5～25 mm的連續(xù)級配再生粗骨料,獲取的再生骨料基本物理力學(xué)性能能夠滿足我國混凝土用再生粗骨料(GB/T 25177—2010)的應(yīng)用要求。根據(jù)標準,對尺寸為150 mm×150 mm×150 mm(長度×寬度×高度)混凝土立方體試塊在自然條件下養(yǎng)護28 d后進行了壓縮試驗,測得立方體抗壓強度?；炷僚浜媳燃皩崪y強度見表1。本試驗采用Q235B薄壁焊接鋼管,縱筋采用HRB400鋼筋,箍筋采用CRB550冷軋鋼筋,并依據(jù)《金屬材料 拉伸試驗:第1部分:室溫試驗方法》(GB/T 288.1-2021)[24]進行鋼材拉伸試驗,獲取的鋼材材料試驗結(jié)果見表2,鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

表1 混凝土配合比及實測強度Tab.2 Mix proportions and measured strength of concrete

表2 鋼材材料試驗結(jié)果Tab.2 Results of material test for steel material

圖3 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of steel

2 試驗結(jié)果分析

2.1 破壞過程及形態(tài)

加載初期試件的變形和應(yīng)變較小,核心混凝土、鋼管和鋼筋較好地協(xié)同工作直至峰值荷載。隨著荷載的增加,核心混凝土局部破碎,試件中上部位開始出現(xiàn)局部輕微鼓曲,隨著塑性變形的繼續(xù)增加可以聽到試件內(nèi)部核心輕微開裂的聲音,意味著個別內(nèi)配箍筋斷裂,試件外部鼓曲變得越來越明顯,最終表現(xiàn)為中上部鋼管局部失穩(wěn)而告破壞。不同配筋率下方形R-RACFST試件整體及內(nèi)部破壞形態(tài)如圖4所示,由圖可以觀察到,在這5種配筋率下試件的破壞形態(tài)都基本一致,說明試件整體破壞形態(tài)受配筋率的影響較小。

(a) CF-1

(b) RCF-1

(c) R-RCFΦ6-1

(d) R-RCFΦ8-1

(f) R-RCFΦ14-1

(g) R-RCFΦ16-1

為了進一步觀察試件內(nèi)部鋼筋籠的破壞模式,將鋼管沿縱向中心線進行切割,并剝離核心混凝土直至觀察到完整的鋼筋籠形態(tài)。發(fā)現(xiàn)鋼筋籠約束的混凝土相較于鋼管與鋼筋籠之間的混凝土更為密實需要用錘子用力敲擊才能脫落,且未配筋的CFST和RACFST的核心混凝土呈現(xiàn)完整的破碎性剪切破壞,無法保持完整形態(tài)。對比圖4(a)、(b)、(c)可以看出,即使是少量配筋的R-RACFST,在破壞時沒有出現(xiàn)貫穿裂縫導(dǎo)致的剪切破壞,而是中上部出現(xiàn)局部壓潰現(xiàn)象,核心混凝土的形態(tài)仍能保持完整性,表明鋼筋籠對鋼管內(nèi)部填充的RAC有明顯的約束作用。

從方形R-RACFST鋼筋籠的破壞形態(tài)還可以看出,大部分縱筋呈腰鼓形鼓曲破壞,不同配筋率下的方形R-RACFST縱筋的破壞模式基本相同,隨著配筋率的增大,縱筋的破壞由褶皺狀變?yōu)楣那鸂顟B(tài),表明配筋對核心混凝土的二次約束效應(yīng)有助于混凝土和鋼管更好的協(xié)調(diào)變形進而提高構(gòu)件力學(xué)性能。

2.2 荷載-位移曲線

通過對試驗數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)進行整理,繪制試件的平均荷載-位移曲線如圖5所示。由圖5(a)、(b)、(c)可以看出,峰值荷載后相比于CFST,RACFST的承載力呈現(xiàn)出明顯突然驟降趨勢,即便受到鋼管的約束,再生混凝土仍然暴露出脆性大的缺陷。從圖5(d)至圖5(i)可以看出:R-RACFST 2個重復(fù)試件的荷載-位移響應(yīng)幾乎相同,說明配筋有效改善核心混凝土材質(zhì)不均勻性;即使是最低配筋率,相比于CFST和RACFST,配筋有效改善峰值荷載后構(gòu)件受力性能,即明顯改善承載力突然驟降的趨勢,提高構(gòu)件塑性變形能力。由圖5(i)可以看出,方形R-RACFST試件的峰值荷載和峰后塑性變形能力,隨著配筋率的提高而不斷提高且在試件達到峰值荷載后曲線下降段的斜率越來越平滑;配筋率對荷載-位移曲線的上升斜率影響不大,其峰值點隨著配筋率的增大而逐漸右移,說明在方形R-RACFST試件中配筋率的增加可以提高構(gòu)件的延性和承載力。

(a) CF

(b) RCF

(c) CF與RCF

(d) R-RCFΦ6

(e) R-RCFΦ8

(f) R-RCFΦ12

(g) R-RCFΦ14

(h) R-RCFΦ16

(i) 全部

圖6 鋼管的平均荷載-應(yīng)變曲線 Fig.6 Mean curves for load-strain of steel tube

2.3 鋼管荷載-應(yīng)變曲線

對貼在鋼管上的應(yīng)變片得到的數(shù)據(jù)進行分析處理,得到鋼管的平均荷載-應(yīng)變曲線如圖6所示。就曲線的總體發(fā)展趨勢而言,鋼管橫向和縱向的變形基本保持同步,在達到峰值荷載之前,各測點的應(yīng)變單調(diào)增加,各試件的縱向應(yīng)變的發(fā)展快于橫向應(yīng)變。相比于CFST和RACFST,R-RACFST的縱橫向應(yīng)變的發(fā)展均較慢,可解釋為內(nèi)部混凝土受到鋼筋的約束作用,延緩了膨脹變形,使得鋼管的變形減小,而這種趨勢隨著配筋率的增加而越趨于明顯。

2.4 延性

為了研究不同配筋率對試件延性的影響,本文采用了文獻[25]中所采用的延性指數(shù),其定義如下:

(1)

式中:ε0.85為荷載降至極限荷載85%時的軸向應(yīng)變;εy為ε0.75/0.75,ε0.75為荷載達到峰值前極限荷載75%時的軸向應(yīng)變。

配筋率對延性的影響如圖7所示,圖中顯示了根據(jù)式(1)計算的所有試件的延性系數(shù),可以看出相較于RACFST,R-RACFST表現(xiàn)出較好的延性,但存在明顯的拐點,即當(dāng)配筋率小于3.02%時,隨著縱筋配筋率的增加,延性率不斷地增大;配筋率大于3.02%后,延性率開始出現(xiàn)下降的趨勢,說明縱筋配筋率對延性的積極作用有一定的范圍。根據(jù)上述分析,就從延性率的提高作用來看,縱筋配筋率在1.34%～3.02%為宜。

2.5 剛度退化

為了探究縱筋配筋率對R-RACFST試件剛度退化的影響,計算出應(yīng)力-應(yīng)變曲線(由圖5(i)平均荷載-位移曲線轉(zhuǎn)化得出)的割線模量用來評估構(gòu)件剛度退化,由此繪制出配筋率對剛度退化的影響如圖8所示?？梢钥闯?RACFST的剛度退化最為嚴重,其次是CFST,而配筋后剛度退化明顯改善。隨著縱筋配筋率的增加,R-RACFST試件的剛度退化呈先緩后陡的趨勢,當(dāng)縱筋配筋率達到5.36%時,構(gòu)件的剛度也出現(xiàn)急劇下降的趨勢,說明配筋率過大,反而不利于減緩構(gòu)件的剛度退化。綜上,就剛度退化而言,R-RACFST的縱筋配筋率在1.34%～4.10%為宜。

圖7 配筋率對延性的影響Fig.7 Effect of reinforcement ratio on ductility

圖8 配筋率對剛度退化的影響Fig.8 Effect of reinforcement ratio on stiffness degeneration

2.6 屈強比

將屈服荷載和峰值荷載的比值定義為屈強比,其常被用來評判試件的儲備安全程度,屈強比越趨近于1,構(gòu)件越容易發(fā)生脆性破壞,相反,屈強比越小,構(gòu)件的安全儲備能力越高,安全性能越好。本文中,屈服荷載通過如下方法確定:假設(shè)方鋼管在屈服前處于彈性階段,根據(jù)平面應(yīng)力狀態(tài)的彈性本構(gòu)方程可得式(2a),將其代入Mises準則式(2b)得到式(2c),求解式(2c)得到平面應(yīng)力狀態(tài)下的屈服應(yīng)力,再根據(jù)材料試驗得出的彈性模量得出屈服應(yīng)變,最后從鋼管荷載-應(yīng)變曲線找出屈服應(yīng)變對應(yīng)的屈服荷載。

(2a)

(2b)

(2c)

式中:σsh和σsv分別為鋼管的橫向和縱向應(yīng)力;εsh和εsv分別為鋼管的實測橫向和縱向應(yīng)變;νs為泊松比取值為0.3。

繪制配筋率對屈強比的影響如圖9所示。由圖可以看出,RACFST的屈強比最大,隨著配筋率增加,呈現(xiàn)下降趨勢,但配筋率增加到3.02%后又開始增大趨勢,說明配筋率越大并不能使屈強比減小。就屈強比而言,R-RACFST的縱筋配筋率在1.34%～3.02%為宜。

圖9 配筋率對屈強比的影響Fig.9 Effected of reinforcement ratio on yield-to-strength ratio

3 承載力計算公式

3.1 既有RACFST承載力計算公式

目前,國內(nèi)外學(xué)者對鋼管混凝土短柱承載力的計算理論有基于疊加原理的極限平衡理論和基于組合強度原理的統(tǒng)一理論2種,而國內(nèi)各規(guī)范采用后者。規(guī)程19給出了RACFST軸壓短柱承載力基于組合強度原理的統(tǒng)一理論公式為

NRCF=fscAsc,

(3a)

fsc=(1.18+0.85ξ)fcr,

(3b)

ξ=Assfsy/(Accfcr),

(3c)

式中:NRCF為RACFST軸心受壓承載力;Asc為構(gòu)件組合截面面積;ξ為套箍系數(shù);Ass和Acc分別為鋼管和核心RAC截面面積;fcr為再生混凝土軸心抗壓強度標準值。

與普通混凝土相比,由于再生混凝土存在抗壓強度、彈性模量低和脆性高等缺點,因此規(guī)程19規(guī)定的RACFST再生粗骨料取代率不應(yīng)大于70%。本文突破這一限制使用了再生粗骨料取代率為100%的方形R-RACFST短柱。目前100%取代率下R-RACFST相關(guān)軸心受壓研究缺乏,主要以文獻[26-28]研究成果為主。使用式(3)對本文試驗數(shù)據(jù)和文獻[26-28]的數(shù)據(jù)進行了承載力計算分析結(jié)果列于表3。將計算值與試驗值對比發(fā)現(xiàn):試驗值與計算值的比值Δ1最小值為1.04,最大值為1.51,平均值為1.23,標準差為0.126,說明式(3)可用于計算再生粗骨料取代率為100%的方形R-RACFST短柱承載力,并發(fā)現(xiàn)隨著配筋率的提高Δ1值也隨之提高,導(dǎo)致計算結(jié)果偏于保守。

3.2 R-RACFST承載力計算推薦公式

規(guī)程19給出的承載力計算公式?jīng)]有考慮配筋情況下的方形RACFST短柱,如將其應(yīng)用于R-RACFST將導(dǎo)致計算結(jié)果過分偏于保守。上述分析結(jié)果表明,R-RACFST與RACFST具有相似的力學(xué)性能;但R-RACFST內(nèi)置的鋼筋籠對核心再生混凝土產(chǎn)生約束效應(yīng),使得核心再生混凝土的受力性能進一步提高,即內(nèi)置縱筋的作用與鋼管相似,因此,本文通過對規(guī)程19給出的套箍系數(shù)進行修正得到考慮了縱筋作用的適用于方形R-RACFST軸壓短柱的承載力計算公式。R-RACFST的套箍系數(shù)ξr表達式為

(4a)

NR-RCF=fscrAscr,

(4b)

fscr=(1.18+0.85ξr)fcr,

(4c)

式中Asr、fsr分別為鋼筋截面面積和屈服強度。

由此給出方形R-RACFST軸壓短柱的承載力計算公式:使用修正公式(4)對本文及收集數(shù)據(jù)計算承載力,得到的承載力計算值與試驗值對比結(jié)果見表3;將試驗值與修正后計算值的比值Δ2繪制可得承載力計算結(jié)果比較如圖10所示。由圖可以看出,比值Δ2最小值為1.02,最大值為1.10,平均值為1.06,標準差為0.02,說明式(4)可用于計算再生粗骨料取代率為100%的方形R-RACFST短柱軸壓承載力,計算結(jié)果與試驗值更吻合,結(jié)果更加穩(wěn)定,同樣偏保守。

表3 承載力計算值與試驗值對比結(jié)果Tab.3 Comparison of calculated baring capacities and experimented results

圖10 承載力計算結(jié)果比較Fig.10 Comparison of predicted bearing capacity

4 結(jié)論

本文以配筋率為變化參數(shù),進行R-RACFST短柱的軸壓試驗,研究了配筋率對構(gòu)件受力性能的影響規(guī)律。根據(jù)研究結(jié)果,總結(jié)如下:

① 配置適量鋼筋后,方形R-RACFST具有更好的力學(xué)性能,為再生骨料的100%利用提供解決方案;

② 配筋對方形R-RACFST的破壞模式影響不大,但是對提高構(gòu)件極限承載力,延性和核心混凝土受力性能有顯著貢獻;

③ 配置適量縱筋有效緩解再生混凝土脆性大的問題,同時有效改善構(gòu)件峰值荷載后塑性變形能力;

④ 縱筋配筋率對方形R-RACFST受力性能的提高作用存在一個有效提升范圍,因此本文推薦有效縱筋配筋率范圍為1.34%～3.02%;

⑤ 規(guī)程19給出的公式可用于計算再生粗骨料取代率為100%的方形R-RACFST短柱的軸心受壓承載力,但隨著配筋率的提高,其計算結(jié)果過于保守;

⑥ 結(jié)合研究結(jié)果,在規(guī)程19公式的基礎(chǔ)上修正給出的適合方形R-RACFST短柱軸壓承載力計算公式,公式計算結(jié)果與試驗值更吻合,結(jié)果穩(wěn)定可靠,同樣偏保守。