帶肋薄壁方鋼管再生塊體混合柱力學(xué)性能研究

鄭玉今 張 平

(1.延邊大學(xué)，吉林 延邊 133002;2.天津天朗建筑設(shè)計(jì)有限公司，天津 300392)

0 引言

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑物拆除過程中產(chǎn)生大量的建筑垃圾，其中30%～40%為廢棄混凝土，由此引起的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題已受到學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)采用廢棄混凝土作為再生骨料配置成的再生混凝土進(jìn)行了較多的研究［1，2］，并將應(yīng)用于道路和建筑物基礎(chǔ)墊層［3］以及鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)工程中［4，5］。然而，相對(duì)于普通混凝土，再生混凝土強(qiáng)度、彈性模量較低、耐久性能較差且工程成本較高，不利于其在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

為了有效利用再生混凝土，在提出鋼管再生混合構(gòu)件的概念及研究的基礎(chǔ)上［6-10］，即將大尺度廢棄混凝土直接放入鋼管內(nèi)部，然后在二者之間澆筑新混凝土形成混合構(gòu)件;同時(shí)為了改善薄壁方鋼管的受力性能，在鋼管管壁設(shè)置縱向加勁肋，形成帶肋薄壁方鋼管混凝土，縱向加勁肋不僅延緩鋼管的局部屈曲，還提高了鋼管對(duì)混凝土的約束作用。因此，本文對(duì)相同用鋼量的帶肋薄壁方鋼管再生塊體混合柱和加大截面的普通薄壁方鋼管再生塊體混合柱力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2組6個(gè)薄壁方形鋼管再生塊體混合短柱試件(L/D=3.0)，混合比分別為25%和35%，為了對(duì)比用鋼量相同的情況下，在薄壁方鋼管160 mm×160 mm為對(duì)比柱的基礎(chǔ)上，通過在薄壁方鋼管管壁焊接加勁肋20 mm呈帶肋試件和薄壁方鋼管截面尺寸增加20 mm呈180 mm×180 mm試件來滿足用鋼量相同。試驗(yàn)當(dāng)天采用鉆芯法實(shí)測廢棄混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度fcu1=27.5 MPa，試驗(yàn)當(dāng)天實(shí)測現(xiàn)澆混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度 fcu2=38.3 MPa。η為混合比，即鋼管內(nèi)部廢棄混凝土質(zhì)量與全部混凝土質(zhì)量之比;ξ為試件套箍系數(shù)，ξ=Asfy/(Acfcy)，本文中的fcy指廢棄混凝土再生塊體與新拌現(xiàn)澆混凝土的組合強(qiáng)度，按以下公式計(jì)算:

各試件的基本參數(shù)見表1。

本次試驗(yàn)中，新拌現(xiàn)澆混凝土采用 C30強(qiáng)度等級(jí)，P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，中砂和最大粒徑為40 mm的碎石。廢棄混凝土取自一年前延邊大學(xué)公寓區(qū)大食堂拆除的鋼筋混凝土梁、柱，去除了保護(hù)層、縱筋、箍筋之后的核心部分，制備成所需塊體備用，粒徑大致為40 mm～60 mm，如圖1所示。

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

鋼管按設(shè)計(jì)尺寸加工，保證兩端截面平整及焊縫質(zhì)量，使蓋板與方形鋼管幾何對(duì)中。鋼管采用冷彎成型，內(nèi)壁加勁肋在鋼板上焊接后再冷彎成型，在距角部1/4邊長處實(shí)施封閉焊;鋼管兩端各設(shè)置厚度為10 mm的蓋板，上端蓋板中心處開設(shè)直徑為80 mm的圓孔，以方便澆筑混凝土;澆筑后將混凝土端面與上蓋板持平，并保證混凝土澆筑的密實(shí)度。

表1 試件基本參數(shù)

圖1 塊體照片

塊體型薄壁方形鋼管再生混合短柱制作時(shí)，首先從上端蓋板留有80 mm的圓孔處灌入約20 mm厚的現(xiàn)澆混凝土，再將現(xiàn)澆混凝土與再生塊體交替加入方形鋼管內(nèi)部，通過鐵棒使再生塊體在試件內(nèi)分布均勻并不斷振搗(注:所有再生塊體均先澆水充分濕潤)，每層塊體的添加厚度大致為60 mm～80 mm，邊澆筑邊在振搗臺(tái)上振搗密實(shí)，塊體加入至低于鋼管開口面約20 mm處，最后再用現(xiàn)澆混凝土填滿并與蓋板抹平，試件上端口自然養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至28 d后試壓。

如圖2所示為試件制作過程的典型照片。

1.3 試驗(yàn)加載及量測

試驗(yàn)在延邊大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室5 000 kN長柱液壓式壓力機(jī)上進(jìn)行。在試件中截面測點(diǎn) 1，2，3，4 和角部測點(diǎn) 5，6，7，8 各設(shè)置了縱向橫向應(yīng)變片以觀測試件受力過程中應(yīng)變的變化情況，并用壓力機(jī)自帶的位移計(jì)測定試件的縱向變形。

試件與加載裝置幾何對(duì)中，試驗(yàn)采用分級(jí)加載制，彈性范圍內(nèi)每級(jí)荷載為預(yù)計(jì)極限荷載的1/10。

當(dāng)鋼材達(dá)到屈服點(diǎn)或鋼管發(fā)生局部屈曲后，每級(jí)荷載約為預(yù)計(jì)極限荷載的1/15。每級(jí)荷載的持荷時(shí)間約為2 min，接近破壞時(shí)慢速連續(xù)加載，直至試件破壞。試驗(yàn)過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)均通過DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集儀自動(dòng)采集，位移數(shù)據(jù)和荷載值人工讀取。圖3為加載與測試裝置。

圖2 試件制作過程的典型照片

圖3 試驗(yàn)裝置及測點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)破壞現(xiàn)象

試驗(yàn)過程中，160 mm×160 mm的帶肋薄壁試件與加大截面尺寸180 mm×180 mm試件的宏觀破壞現(xiàn)象較為相似，主要表現(xiàn)為:加載初期試件處于彈性階段;隨著荷載增加，短柱分別在荷載達(dá)到極限荷載的75%～85%時(shí)鋼管屈服;隨后柱頂附近鋼管因蓋板約束效應(yīng)出現(xiàn)局部屈曲并持續(xù)發(fā)展，帶肋試件鋼管管壁出現(xiàn)兩個(gè)半波，加大截面試件仍是在鋼管管壁出現(xiàn)一個(gè)半波;極限荷載之后，內(nèi)部混凝土已被壓碎，隨著試件軸向變形的增加，試件的荷載先明顯降低而后基本保持穩(wěn)定。試件的主要破壞形態(tài)為腰鼓形壓皺破壞，見圖4。

圖4 試件的典型破壞形態(tài)

2.2 試件荷載—軸向變形曲線的特點(diǎn)

薄壁方形鋼管再生塊體混合短柱的荷載—豎向變形曲線，取位移計(jì)測得的試件整體的縱向壓縮變形，見圖5。通過對(duì)圖5進(jìn)行對(duì)比分析并總結(jié)，可以看出:

1)各試件的荷載—變形曲線由上升段和下降段組成，其中下降段總體呈現(xiàn)荷載隨位移增加開始降低明顯，隨后漸趨平緩的趨勢，從而表現(xiàn)出與文獻(xiàn)［9］中厚壁試件的荷載—變形曲線后期仍持續(xù)上升明顯不同的特征，這主要是由于薄壁鋼管對(duì)混凝土的約束作用較弱的緣故。

2)混合比在25%～35%時(shí)，用鋼量相同的帶肋試件和加大截面試件的極限軸壓承載力分別比對(duì)比柱偏大29.1%～47.6%和34.1%～47.4%。

3)用鋼量相同時(shí)，帶肋試件和加大截面試件具有相近的軸壓承載力，二者曲線非常接近，且極限荷載之后，帶肋試件曲線比加大截面尺寸試件更加平緩。

圖5 試件的軸向荷載—豎向變形曲線

3 結(jié)語

基于上述分析結(jié)果，在本文研究參數(shù)范圍內(nèi)，可得出如下結(jié)論:

1)薄壁方形鋼管再生塊體混合短柱的荷載—變形曲線由上升段和下降段組成，下降段總體呈現(xiàn)出荷載隨位移增加開始降低明顯隨后漸趨平緩的趨勢。

2)用鋼量相同時(shí)，帶肋試件和加大截面試件的極限軸壓承載力均比對(duì)比柱有很大的提高，且?guī)Ю咴嚰图哟蠼孛嬖嚰哂邢嘟妮S壓承載力，極限荷載后，帶肋試件比加大截面試件更加平緩，表現(xiàn)出更加優(yōu)越的力學(xué)性能。

3)在具有相近的軸壓承載力時(shí)，帶肋試件的截面面積明顯小于加大截面試件的截面面積。

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