圓鋼管再生鎳鐵渣混凝土柱偏壓力學性能研究

收稿日期：2021-10-10""" 修回日期：2022-05-02

基金項目：福建省自然科學基金資助項目（No.2020J01885）；工程結(jié)構(gòu)防災減災福建省高校工程研究中心開放基金資助項目（No.2019001）；?？蒲邪l(fā)展基金項目（No.GY-Z160134）

通信作者：付朝江，教授。E-mail：cjfu@163.com

引用格式：

羅才松，王楓軒，付朝江，等.圓鋼管再生鎳鐵渣混凝土柱偏壓力學性能研究［J］.應用力學學報，2024，41（3）：546-556.

LUO Caisong， WANG Fengxuan， FU Chaojiang，et al.Study on the mechanical behavior of recycled aggregate concrete with ferronickel slag filled circular steel tube column under bias compression［J］.Chinese journal of applied mechanics，2024，41（3）：546-556.

文章編號：1000-4939（2024）03-0546-11

摘" 要：為了研究再生粗骨料取代率和偏心距對圓鋼管再生鎳鐵渣混凝土柱力學性能的影響，設計了13個試件進行軸心和偏心受壓試驗，分析試件的荷載-跨中撓度曲線、側(cè)向撓度曲線、剛度退化和耗能。在普通鋼管混凝土的研究結(jié)果基礎(chǔ)上，回歸擬合適用于鋼管再生混凝土的壓彎承載力預測公式。結(jié)果表明：偏壓試件的撓度沿柱高呈對稱分布，形狀符合正弦半波曲線；加載過程中截面中性軸的位置向受壓區(qū)偏移，表明受壓區(qū)面積逐漸縮小，受壓區(qū)高度減?。划斎〈食^30%后，隨著再生粗骨料取代率的增加，試件的極限承載力降低，剛度逐漸退化，試件破壞時的耗能系數(shù)表現(xiàn)為降低的趨勢；隨著偏心距的增大，試件的極限承載力降低，側(cè)向撓度曲線的包絡面積逐漸增大，剛度逐漸退化；根據(jù)擬合的壓彎承載力計算公式得到的計算值與試驗結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：鋼管再生混凝土；鎳鐵渣；偏壓試驗；剛度退化；耗能能力；承載力公式

中圖分類號：TU398" 文獻標志碼：A

DOI：10.11776/j.issn.1000-4939.2024.03.007

Study on the mechanical behavior of recycled aggregate

concrete with ferronickel slag filled circular

steel tube column under bias compression

LUO Caisong1，2，WANG Fengxuan2，F(xiàn)U Chaojiang1，QI Ai2

（1.Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informatization in Civil Engineering，350118 Fuzhou，China；

2.School of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，350108 Fuzhou，China）

Abstract：To study the effects of the replacement rate of recycled coarse aggregate （RCA） and eccentricity on the mechanical properties of recycled aggregate concrete with ferronickel slag filled circular steel tube columns，13 specimens were designed for axial and eccentric compression tests，and load-mid-span deflection curve，lateral deflection curve，stiffness degradation and energy dissipation were analyzed.Based on the research results of ordinary concrete filled steel tube （CFST） column，the prediction formula for the compression-bending capacity of recycled CFST is regressed.Results show that the deflection shape of the biased specimen conforms to the sinusoidal half wave curve.The position of the neutral axis of the cross section deviates to the compression zone during loading.When the replacement rate exceeds 30%，with the increase of RCA replacement rate，the ultimate bearing capacity of the specimen decreases，the stiffness degrades more，and the energy dissipation coefficient of the specimen decreases.With the increase of eccentricity，the ultimate bearing capacity of the specimen decreases，the envelops area of the lateral deflection curve increases gradually，and the stiffness degenerates more.The values calculated by the fitting formulas are in good agreement with the experimental results.

Key words：recycled aggregate concrete-filled steel tube; ferronickel slag; eccentric compression loading test; stiffness degradation; energy dissipation capacity; bearing capacity formula

鎳鐵渣是在合金生產(chǎn)過程中伴隨而出的工業(yè)廢渣，2019年中國的鎳鐵產(chǎn)量為58萬噸，而鎳鐵渣產(chǎn)量為232～348萬噸［1］ADDINNE.Ref.{0434FD46-2EC2-4EBB-A06E-EA908056C503}。目前，鎳鐵渣的綜合利用研究體現(xiàn)在傳統(tǒng)建筑材料方面，比如水泥、混凝土。祁皚等［2-4］定義了不同鎳-礦微粉摻量下的復合水泥強度折減系數(shù)，并對保羅米公式進行修正，初步計算了配合比，配制出了摻量為10%～50%的C30、C35混凝土，建立了應力應變本構(gòu)方程，以及錨固長度修正系數(shù)與錨固長度的關(guān)系式。在此之前，許多學者［5-7］ADDINNE.Ref.{279F0457-10A0-4A45-85C5-233B9E975B39}研究了再生混凝土，但其強度比天然骨料的混凝土低。因此為了改善再生混凝土的力學性能，許多學者［8-10］ADDINNE.Ref.{BA8E05E7-9FD5-4171-AF49-158AB99D6ADD}將鋼管混凝土柱的優(yōu)勢應用于再生混凝土，結(jié)果表明鋼管再生混凝土柱的力學性能與天然骨料的鋼管混凝土柱相差不大，可以應用于實際工程。

鑒于此，本研究將工業(yè)廢料鎳鐵渣與建筑廢料綜合回收利用，用鎳鐵渣作為膠凝材料替代部分水泥，研究圓鋼管再生鎳鐵渣混凝土柱的偏壓力學性能，分析再生粗骨料取代率、偏心距2個參數(shù)對荷載-跨中撓度曲線、側(cè)向撓度曲線、剛度退化、耗能能力的影響。結(jié)合普通鋼管混凝土柱的壓彎計算方法，回歸擬合適用于鋼管再生混凝土柱的壓彎承載力預測公式。研究結(jié)論可為圓鋼管再生鎳鐵渣混凝土柱的推廣及應用提供參考。

1" 試驗概況

1.1" 試驗材料

本試驗采用無縫圓鋼管、普通硅酸鹽水泥 （42.5R）、普通天然河沙、城市自來水、再生粗骨料及天然粗骨料、高效減水劑。再生粗骨料由施工現(xiàn)場齡期超過28d的廢料混凝土破碎得到，粒徑為5～14mm連續(xù)級配。試驗所用鎳鐵渣是提煉金屬鎳或鎳鐵合金冶煉過程中排出的廢棄物，經(jīng)水淬后形成的一種?；癄t渣，其密度為2.86g/cm3，比表面積為425.6m2/kg，平均粒徑為13.953μm，主要粒徑分布在1～100μm。鎳鐵渣和水泥的主要化學組分見表1，鎳鐵渣的主要成分為CaCO3、MgAlO4和 （Mg，F(xiàn)e）2SiO4，屬于高鈣鎳渣，具有與礦渣相似的膠凝特性，結(jié)合課題組祁皚等［2-4］前期已對鎳鐵渣在混凝土中的適應性及基本力學性能的研究成果，以及工程中常用粉煤灰、礦渣等礦物摻量在混凝土材料中的占比情況，本次試驗所用鎳鐵渣摻量占再生混凝土總膠凝材料的20%。無縫圓鋼管所采用的鋼材為Q345，鋼材基本力學性能見表2。

1.2" 試件設計與加載

本次試驗總共設計并制作了13個試件，考慮了再生粗骨料替換率、偏心距2個影響參數(shù)。表3所示為試件設計參數(shù)，試件幾何尺寸和截面形狀見圖1。

本試驗采用5000kN液壓式長柱試驗機對試件進行加載，試件的側(cè)向位移采用5個量程為

100mm的位移計進行測量。鋼管表面應變通過有效量程為20000×10-6應變片進行測量，測量內(nèi)容包括橫向應變和豎向應變。試驗裝置及測點布置見圖2，現(xiàn)場加載照片見圖3。

試驗采用恒速率位移控制進行連續(xù)加載，荷載上升段速率為0.5mm/min，荷載下降段速率為1.0mm/min，當承載力下降到85%的峰值荷載時停止加載。為保證采集數(shù)據(jù)時間的同步性，壓力機豎向荷載、位移計側(cè)向位移以及應變片的數(shù)據(jù)均通過同一臺DH3816N型應變采集箱進行采集。

2" 試驗結(jié)果及分析

2.1" 試件破壞形態(tài)

圖4給出了試件的破壞形態(tài)。

加載初期，試件受荷載較小，處于彈性階段，鋼管和再生混凝土整體工作較好，外側(cè)鋼管變形不明顯；當荷載繼續(xù)增加到峰值荷載的80%左右時，軸壓試件的鋼管在試件端部出現(xiàn)鼓曲，而偏壓試件的鋼管無局部鼓曲現(xiàn)象，且整體撓曲變形明顯，此時大部分鋼管截面達到屈服，試件整體進入彈塑性階段；當荷載繼續(xù)增大到峰值荷載時，軸壓試件的側(cè)向撓度明顯逐漸增大，而偏壓試件的側(cè)向撓曲變形進一步增大，變形基本呈對稱分布，整體失穩(wěn)帶來的二階效應逐漸明顯；當達到破壞狀態(tài)時，軸壓試件由于鋼管兩端出現(xiàn)了鼓曲，為材料破壞形態(tài)，而偏壓試件沒有鼓曲現(xiàn)象，表現(xiàn)為整體失穩(wěn)破壞形態(tài)。

2.2" 荷載-跨中撓度曲線

圖5給出了荷載（N）-跨中撓度（μ）曲線。μ為試件在偏壓荷載下的跨中撓度。圖5（a）給出了軸壓和偏壓試件的承載力對比，圖5（b）給出了偏心距為50mm和75mm的對比，由圖5（a）～（b）可知，試件的承載力隨著偏心距的增大而逐漸降低，偏壓試件的撓度增長比軸壓試件的快。圖5（c）和圖5（d）分別給出了偏心距為50mm和75mm加載條件下再生粗骨料取代率對荷載-跨中撓度曲線的影響，可以得出試件的極限承載力隨著再生粗骨料取代率的增加而降低，這是因為再生粗骨料存在的初始細微裂縫會隨著加載過程逐漸發(fā)展，而取代率對試件破壞時的跨中撓度影響不大。

2.3" 側(cè)向撓度曲線

圖6為各試件的側(cè)向撓度曲線。L0為試件的計算長度，因試件兩端為鉸支座，計算長度為試件高度與兩端鉸支座高度的總和；Nue為試件在荷載上升段的峰值荷載；N′ue為荷載下降段的峰值荷載。軸壓試件在加載過程中的撓度變化不能準確預測，沿試件高度分布的撓度出現(xiàn)拐點的位置無法確定，出現(xiàn)拐點時的荷載也無法確定。而偏壓試件與軸壓試件相比，其試件撓度的變形趨勢可以大概預測，試件的撓度沿柱高基本對稱，形狀符合正弦半波曲線。偏壓試件在加載初期處于彈性階段，撓度隨荷載呈線性增加。

當荷載增加到峰值荷載的80%左右時，試件的側(cè)向撓度開始快速發(fā)展，進入非彈性階段。由圖可知，隨著偏心距的增大，試件側(cè)向撓度曲線的包絡面積逐漸增大。再生粗骨料取代率對偏壓試件的撓度曲線的影響無明顯關(guān)系。

2.4 "偏壓試件截面縱向應變分布

選取有代表性的試件C1016505、試件C1016575、試件C1016515、試件C1016507、試件C1114407和試件C1114417分析偏壓試件沿截面高度的應變分布規(guī)律。圖7給出了其跨中截面的縱向應變（ε）分布曲線，x為彎曲方向的橫截面高度。當荷載小于峰值荷載的80%時，鋼管再生混凝土柱的截面縱向應變大致沿截面高度呈線性變化，基本滿足平截面假定。隨著偏心荷載的增加，柱截面受壓區(qū)的縱向應變增長快于受拉區(qū)的縱向應變，此時截面中性軸的位置向受壓區(qū)偏移，表明受壓區(qū)面積逐漸縮小，受壓區(qū)高度減小。當達到峰值荷載時，截面上下兩端的應變呈非線性變化，受拉區(qū)混凝土大部分退出工作。偏壓試件在達到峰值荷載時，受壓區(qū)與受拉區(qū)交界線的高度位置見圖7標注處。

3" 剛度退化

圖8給出了不同參數(shù)對剛度退化曲線的影響。剛度是反映試件承載能力退化的指標，通過建立數(shù)學模型［11］，研究鋼管再生鎳鐵渣混凝土柱在偏心荷載作用下的剛度退化過程。從2.2節(jié)的荷載-跨中撓度曲線可以看出，試件在偏心荷載作用下達到約80%的峰值荷載時，從彈性階段進入非彈性階段。因此假設試件在峰值荷載達到80%之前先處于彈性階段，相對剛度為1.0。對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到試件剛度退化曲線。

KKe=1， 0＜μ≤0.8μueae－μ/0.8μueb+c ，""""" μ＞0.8μue（1）

式中：K為試件的實際割線剛度；Ke為試件彈性階段的最大割線剛度；μ為試件在偏壓荷載下的跨中撓度；0.8μue為試件在80%峰值荷載時對應的跨中撓度；a、b和c為擬合系數(shù)。本研究試驗數(shù)據(jù)擬合得到a=1.531、b=1.780、c=0.128。

設計參數(shù)對試件剛度退化曲線的影響規(guī)律如下。

1）偏壓試件剛度退化的規(guī)律為：試件在荷載達到峰值荷載的80%前處于彈性階段，相對剛度為1；之后試件進入非彈性階段，相對剛度隨加載而逐漸降低，撓度增長速度越來越快。

2）圖8（a）和圖8（b）給出了偏心距為50mm和75mm 加載條件下，取代率對剛度退化曲線的影響。當取代率為30%或大于30%時，試件破壞時的相對剛度隨著取代率的增加而減小，剛度退化越多，相對撓度也隨之增大。這可能是由于再生粗骨料存在的初始細微裂縫會隨著加載過程逐漸發(fā)展，使得混凝土剛度下降。這表明，當取代率達到30%時，試件的剛度退化與再生粗骨料取代率呈正相關(guān)關(guān)系，取代率越大，試件的剛度退化越多。

3）圖8（c）給出了偏心距對剛度退化曲線的影響。無論取代率為0%還是70%，試件破壞時的相對剛度隨著偏心距的增加而減小，相對撓度也隨之增大。這主要是因為偏心距越大的試件在加載過程產(chǎn)生的二階效應影響越明顯，附加彎矩更大，使得試件的側(cè)向撓度增加更大。表明試件的剛度退化與偏心距呈正相關(guān)關(guān)系，偏心距越大，剛度退化越多。

4" 耗" 能

耗能系數(shù)直觀的反映構(gòu)件的自身吸能與耗能相互之間的內(nèi)在關(guān)系［11］ADDINNE.Ref.{D83B3A3F-F950-4E29-B8D0-0795E7EB4A98}，偏壓試件的耗能計算模型如圖9所示。

其值為荷載-跨中撓度曲線和橫坐標包圍的面積除以該點之前的最大荷載和位移乘積得到的面積。其數(shù)學模型表達式為

η=SOAiμiNi·μi" ，"""""" 0＜μi＜μueSOAiμiNue·μi， μue≤μi＜μmax（2）

式中：η為耗能系數(shù)；Ni為荷載-跨中撓度曲線上的荷載值；Nue為峰值荷載值；μi為試件在偏壓荷載下的跨中撓度；μue為峰值荷載對應的跨中撓度；μmax為試件破壞對應的最大撓度；SOAiμi為試件加載到Ai時，荷載-跨中撓度曲線與橫坐標所包圍的面積。圖10給出了不同參數(shù)對耗能能力的影響。

設計參數(shù)對試件耗能系數(shù)的影響規(guī)律如下。

1）偏壓試件耗能系數(shù)發(fā)展的規(guī)律為：當試件開始受到偏壓荷載時，耗能系數(shù)迅速達到0.5；當試件處于加載初期時，耗能系數(shù)先經(jīng)歷一個短暫的下降期；當試件受到峰值荷載的80%左右時，耗能系數(shù)處于緩慢上升期，此時曲線斜率開始逐漸增大；當試件達到峰值荷載的90%左右時，耗能系數(shù)進入快速上升期，此時的耗能系數(shù)增長最快，而且側(cè)向撓度開始加快增長速度；當試件達到峰值荷載時，耗能系數(shù)開始進入減速上升期，曲線斜率開始逐漸減小；由2.2節(jié)可知，荷載達到峰值后會開始下降，當試件受到的荷載下降到峰值荷載的90%左右時，耗能系數(shù)進入平緩期，此時撓度迅速增長。

2）圖10（a）和圖10（b）給出了偏心距分別為50mm和75mm 加載條件下，取代率對耗能曲線的影響。當取代率為30%及以上時，試件破壞時的耗能系數(shù)隨著取代率的增加而表現(xiàn)為降低的趨勢。這可能是由于再生粗骨料存在的初始細微裂縫，削減了試件的耗能作用。

3）圖10（c）給出了偏心距對耗能能力曲線的影響。取代率為0%時，偏心距為50mm的試件破壞時的耗能系數(shù)比偏心距為75mm的試件提高1.80%；取代率為70%時，偏心距為50mm的試件破壞時的耗能系數(shù)比偏心距為75mm的試件減小2.58%。

5" 壓彎簡化計算

目前鋼管再生混凝土的規(guī)范較少，本研究結(jié)合普通鋼管混凝土的壓彎承載力計算方法 ［12］，回歸擬合適用于鋼管再生混凝土的壓彎承載力預測公式，為其承載力設計提供參考。

5.1" 承載力影響系數(shù)

文獻［13］分析結(jié)果表明，約束效應系數(shù)ξr和再生粗骨料取代率r對鋼管再生混凝土的承載力有較大影響，因此將本研究試驗數(shù)據(jù)和文獻［14-17］中的試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出承載力影響系數(shù)θ。

θ=Ae－2ξr+Be－ξr+C（3）

式中：A=0.7558r－3.913，B=－0.891r+3.478，C=0.1455r+0.5749。

5.2" 壓彎承載力計算公式

1φNNru+a1d1MMru=1" （N/Nru≥2φ3η0）

－b1·NNru2－c1NNru+1d1MMru=1

（N/Nrult;2φ3η0）

（4）

式中： a1=1－2η0，b1=（1－ζ0）/η02，c1=2（ζ0－1）/η0，d1=1－0.4N/NE；φ為軸壓穩(wěn)定系數(shù)，可采用式（9）計算；ζ0、η0為鋼管再生混凝土壓彎構(gòu)件M-N曲線的特征點；NE為歐拉臨界力，可由式（7）計算得到；Nru為圓鋼管再生混凝土軸心受壓柱的強度承載力，可由式（17）計算得到；Mru為圓鋼管再混凝土構(gòu)件的抗彎承載力，可由式（19）計算得到。

對于圓鋼管再生混凝土

ζ0=0.18ξ－1.15r+1（5）

η0=0.5－0.245ξr（ξr≤0.4）

0.1+0.14ξ－0.84r（ξrgt;0.4）（6）

NE=π2ErscAsc/λ2（7）

式中：Ersc為鋼管再生混凝土的名義軸壓彈性模量，可以由式（8）計算得到；Asc為鋼管和再生混凝土的組合截面積；λ為長細比，對于圓鋼管再生混凝土，λ=4L0/D，L0為計算長度。

Ersc=EsIs+αErcIrc/Isc（8）

式中：Is、Irc分別為鋼管和核心再生混凝土的截面慣性矩；Isc為鋼管再生混凝土的組合截面慣性矩；Erc為再生混凝土的彈性模量［18］；α為再生混凝土剛度折減系數(shù)，且α=0.8。

軸壓穩(wěn)定系數(shù)φ可采用普通圓鋼管混凝土柱的計算公式，即

φ=1a2λ2+b2λ+c2d2/（λ+35）2（λ≤λO）（λOlt;λ≤λp）（λgt;λp）（9）

a2=1+（35+2λp－λO）e（λp－λO）2（10）

b2=e－2a2λp（11）

c2=1－a2λ2O－b2λO（12）

e=－d2（λp+35）3（13）

d2=13000+4657In235fy25frck+50.3αs0.10.05

（14）

式中：λp、λO分別為圓鋼管混凝土軸壓構(gòu)件發(fā)生彈性和彈塑性失穩(wěn)時的界限長細比，可分別按式（15）和（16）計算；αs為含鋼率，且αs=As/Ac。

λp=1743/fy（15）

λO=π（420ξr+550）/［（1.02ξr+1.14）frck］（16）

圓鋼管再生混凝土的軸壓承載力為

Nru=Ascfrscy（17）

式中，frscy為圓鋼管再生混凝土柱的軸壓強度承載力指標，且

frscy=θ（1.14+1.02ξr）frck（18）

圓鋼管再生混凝土構(gòu)件的抗彎承載力為

Mru=γmWscmfrscy（19）

式中：Wscm為圓鋼管混凝土截面抗彎模量，Wscm=πD3/32；γm為圓鋼管再生混凝土的抗彎承載力系數(shù)，γm=1.1+0.48In（ξr+0.1）。

圖11所示分別為按式（4）計算得到的鋼管再生混凝土柱的承載力（Nuc和Muc）與試驗結(jié)果（Nue和Mue）的比較。

本研究試件按式（4）計算得到的Nuc和Muc分別與試驗結(jié)果Nue和Mue的比值見表4。Nuc/Nue的平均值、方差和變異系數(shù)分別為1.009、0.0070和0.0829。Muc/Mue的平均值、方差和變異系數(shù)分別為1.017、0.0054和0.0725。這表明本研究擬合回歸的鋼管再生混凝土柱壓彎計算公式得到的計算值與試驗結(jié)果比較吻合。

6" 結(jié)" 論

本研究進行了13根圓鋼管再生鎳鐵渣混凝土柱的軸壓和偏壓試驗，得到以下結(jié)論。

1）當達到破壞狀態(tài)時，軸壓試件由于鋼管兩端出現(xiàn)了鼓曲，為材料破壞形態(tài)，而偏壓試件沒有鼓曲現(xiàn)象，表現(xiàn)為整體失穩(wěn)破壞形態(tài)。偏壓試件與軸壓試件相比，其試件撓度的變形趨勢可以預測，試件的撓度沿柱高基本對稱，形狀符合正弦半波曲線。隨著偏心距的增大，試件側(cè)向撓度曲線的包絡面積逐漸增大。

2）試件的極限承載力隨著再生粗骨料取代率和偏心距的增加而降低，而取代率對試件破壞時的跨中撓度影響不大。

3）隨著偏心荷載的增加，柱截面受壓區(qū)的縱向應變增長快于受拉區(qū)的縱向應變，截面中性軸的位置向受壓區(qū)偏移，表明受壓區(qū)面積逐漸縮小，受壓區(qū)高度逐漸減小。

4）當取代率為30%及以上時，隨著取代率和偏心距的增大，試件的剛度逐漸退化。當取代率為30%及以上時，試件破壞時的耗能系數(shù)隨著取代率的增加而表現(xiàn)為降低的趨勢。

5）基于普通鋼管混凝土的壓彎承載力計算公式，總結(jié)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，回歸擬合出了適用于鋼管再生混凝土的壓彎承載力預測公式，根據(jù)擬合的計算公式得到的計算值與試驗值吻合較好。

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（編輯" 張璐）