方鋼管再生混凝土長柱軸心受壓試驗研究

黃　浩，王成剛，張　祥

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥　230009)

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方鋼管再生混凝土長柱軸心受壓試驗研究

黃浩，王成剛，張祥

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009)

摘要：以再生骨料取代率、長細比和鋼管壁厚為變化參數，制作了7個方鋼管再生混凝土柱試件進行軸心受壓試驗，分組分析了各參數對試件受壓性能的影響。試驗研究表明：方鋼管再生混凝土長柱軸壓承載力，隨再生骨料取代率、長細比的增加而降低，隨鋼管壁厚的增加而增加；方鋼管再生混凝土軸壓長柱的軸向平均應變，隨再生骨料取代率、長細比的增加呈增長趨勢，隨著鋼管壁厚的增加而增加；方鋼管再生混凝土長柱的彈性軸壓剛度，隨再生骨料取代率的增加而降低；隨鋼管長細比、壁厚的增加而增加。

關鍵詞：方鋼管再生混凝土柱；軸心受壓；再生粗骨料取代率；長細比；鋼管壁厚；承載力；彈性剛度

隨著近些年我國城鎮化建設的持續發展,作為資源合理化利用的有效途徑,再生混凝土技術的研究與利用得到了專業領域研究人員越來越多的關注。再生混凝土是指廢棄混凝土經破碎加工而成的再生骨料,部分或者完全替代天然骨料制作的混凝土。

鋼管混凝土具有良好的受力性能,鋼管及核心混凝土能夠共同承受外荷載的作用,近年來得到了迅速的發展。鋼管再生混凝土結構是將再生混凝土注入鋼管內部而形成的新型組合結構。鋼管對混凝土的約束作用使核心再生混凝土的力學性能得到改善,這為再生混凝土應用于實際工程提供了廣闊前景。目前,國內外學者已對鋼管再生混凝土柱的受力性能進行了試驗研究[1-6]。本文以再生粗骨料取代率、長細比、鋼管壁厚為變化參數,對方鋼管再生混凝土長柱進行軸心受壓試驗研究。

1試驗概況

1.1試件材料

方鋼管采用Q235B級鋼,試件為直焊縫焊接方鋼管,依據文獻[7]的要求,在安徽鴻路鋼結構(集團)股份有限公司中心實驗室對其材料性能進行檢測,檢測結果見表1所列。再生混凝土骨料來自廢棄建筑物,按照文獻[8]的要求,在合肥工業大學結構實驗室對再生骨料的表觀密度、含泥量、吸水率、含水率進行檢驗,檢驗結果見表2所列。再生混凝土設計強度等級為C30,采用P42.5普通硅酸鹽水泥,普通天然河砂,城市自來水,按照配合比為水泥∶砂∶粗骨料∶水=2.05∶2.43∶5.17∶1拌制[9-10],檢驗結果見表3所列。

表1　鋼管材料性能

表2　再生粗骨料的基本性質

表3　混凝土力學基本參數

1.2試件設計

試驗制作7個方鋼管再生混凝土柱試件,以再生粗骨料取代率γ、長細比λ、壁厚t為試驗變化參數。試件設計參數如表4所列。

表4　試件設計參數

按照設計長度截取直焊縫焊接方鋼管,方鋼管底端打磨平整,鋼管周邊與200 mm×200 mm×12 mm下蓋板焊接,蓋板的中心與鋼管的幾何中心重合。焊接完成后,從鋼管頂部澆筑混凝土,采用插入式振搗棒分層振搗。待自然養護28 d后,用同等強度水泥砂漿將鋼管頂部混凝土抹平。水泥砂漿凝固后,在柱頂焊接320 mm×320 mm×50 mm上蓋板。待砂漿終凝后,焊接帶槽口320 mm×320 mm×50 mm上承壓板、焊接帶槽口320 mm×320 mm×50 mm下承壓板,端板槽口中心與構件幾何中心線重合,保證后續試驗試件的軸心受壓。

1.3試驗加載方案

試驗采用500 t的YES-500型壓力試驗機進行逐級加載,加載裝置如圖1所示。試件放在帶有刃口的下承壓板上,并將上承壓板刃口放入上蓋板槽口,保證柱子受力端為鉸接;調整試件上下端槽口位置,保證試件受力在一條豎直線上。

本次試驗采用基于荷載控制的分級加載方法。在荷載達到預估極限荷載的70%之前,每級加載預估極限荷載的10%,每級荷載持荷2 min。待荷載增加到預估極限荷載的70%后,每級加載預估極限荷載的5%,每級荷載持荷2 min。當荷載到達實際極限值,壓力機荷載實時讀數及壓力傳感器讀數開始回落,待構件出現很大變形停止壓力機作業。試驗加載過程的加載速率保持在0.6 kN/s。

2試件破壞形態

(1) 不同再生骨料替代率的3根試件FZXB 3-8、FZXB 3-9 、FZXB 3-11破壞形態基本相同,加載至極限荷載的80%～90%時,構件上下端部鋼管出現屈曲。試件FZXB 3-8加載至極限荷載的90%時,距上端部140 mm鋼管出現局部鼓曲(圖1(a))。試件FZXB 3-9加載至極限荷載80%左右時,距上端部120 mm位置鋼管出現局部鼓曲。試件FZXB 3-11加載至極限荷載的70%時,距下端部50 mm鋼管四周微微鼓曲;加載至極限荷載的80%時鋼管明顯鼓曲;繼續加載至極限荷載的90%時鋼管嚴重鼓曲(圖1(b))。

(2) 不同長細比的3根試件FZXB 3-11、FZXC 3-1、FZXD 3-1破壞形態差別較大,長細比較小的試件FZXB 3-11 和試件FZXC 3-1主要表現為構件上下端部鋼管屈曲破壞(圖1(c));長細比較大的試件FZXD 3-1加載至極限荷載的40%時,構件出現明顯整體彎曲;加載至極限荷載的60%時,距上端部250 mm一側鋼管出現鼓曲,構件中部彎曲繼續增加(圖1(d))。加載至極限荷載的90%時,構件整體彎曲與上下端管壁鼓曲同時發展,直至破壞。

(3) 不同鋼管壁厚的3根試件FZXB 3-11、FZXB 5-1、FZXB 6-1隨著壁厚的增加承載力提高。試件FZXB 5-1加載至極限荷載75%左右時,距上端部150 mm鋼管一側局部鼓曲;加載至85%左右時,距上端部100 mm四周鋼管均出現局部鼓曲;繼續加載,構件端部鋼管鼓曲失穩(圖1(e))。試件FZXB 6-1加載至極限荷載的90%時,構件上下端鋼管局部微鼓,構件中部區段鋼管局部鼓曲;繼續加載至極限承載力時,構件中部200～400 mm范圍內多側出現局部鋼管壁鼓曲,構件整體彎曲失穩(圖1(f))。

加載結束后,用乙炔切割機切開鋼管,查看核心混凝土破壞形態。失穩破壞柱半高處的受拉側再生混凝土表面有明顯橫向裂縫,受壓側再生混凝土壓饋(圖1(g))。構件上下端鋼管局部鼓曲破壞柱,端部混凝土局部受損(圖1(h))。

圖1　鋼管再生混凝土試件破壞狀況

3試驗數據分析

3.1荷載-軸向形變曲線

利用數據采集儀器記錄構件上、下端位移計數據,經運算得到各軸心受壓構件的荷載-軸向形變曲線,如圖2所示。

圖2　試件的荷載-軸向形變曲線

(1) 為了解再生骨料取代率對構件受力特性的影響,現將壁厚、長細比相同,取代率不同的3根試件FZXB 3-8(γ=0%)、FZXB 3-9(γ=40%)與FZXB 3-11(γ=100%)的荷載-軸向形變關系曲線繪于圖2(a)。由圖可知,構件的極限承載力、軸向剛度隨再生骨料取代率的提高而降低,其中極限承載力的降低并不明顯,約在5%內。

(2) 同樣,將壁厚、取代率相同,長細比不同的3根試件FZXB 3-11(λ=34.64)、FZXC 3-1(λ=51.96)與FZXD 3-1(λ=69.28)的荷載-軸向形變關系曲線繪于圖2(b)。由圖可知,方鋼管再生混凝土長柱軸壓極限承載力隨長細比λ的增大而減小,長細比λ的變化對構件極限承載力的影響較為顯著。

(3) 將長細比、取代率相同,壁厚不同的3根試件FZXB 3-11(t=3.2)、FZXB 5-1(t=5.2)與FZXB 6-1(t=6.1)的荷載-軸向形變關系曲線繪于圖2(c)。由圖可知,壁厚t對方鋼管再生混凝土長柱軸心受壓承載力、軸向剛度的影響最為明顯。隨著壁厚t由3 mm增加到6 mm,構件的極限承載力提高約40%,軸向剛度亦有明顯提高。

3.2彈性剛度

構件的軸壓剛度K是柱抵抗軸向變形能力的指標。通過求解荷載-軸向形變曲線上各點的斜率,即由(1)式可計算得各加載點的剛度值Ki。

(1)

為消除前期剛度離散的影響,可用計算平均剛度的方法來確定彈性軸壓剛度。即當求得的剛度平均值已大于下一加載點剛度值時,就認為該平均值為構件彈性剛度KE,否則將下一加載點剛度值計入前一加載段內計算平均值,直至滿足要求為止。計算結果見表5所列。

3.3試驗數據列表

表5對比列出了構件的試驗數據,其中極限應變εu是指在極限荷載pu下構件的軸向平均應變。

(1) 再生粗骨料取代率影響。相較于FZXB 3-8,FZXB 3-9與FZXB 3-11的極限承載力pu降低僅約5%,但后者在極限承載力下構件的軸向平均應變εu卻由前者的6.5‰增加至8.7‰,增幅達33%。彈性剛度KE由前者的240 MN降低到后者的179 MN,降幅達25%。

(2) 長細比影響。構件長細比λ由34.64增加到69.82,極限承載力pu由1 123 kN下降到870 kN,降幅22.5%;極限應變εu由8.7‰先減小至7.2‰,后增加至14.1‰;彈性剛度KE由179 MN先增加至181 MN,后增加至254 MN,后者增幅約30%。

(3) 鋼管壁厚影響。隨著壁厚t由3 mm增加到6 mm,方鋼管再生混凝土長柱極限承載力pu由1 123 kN增加到1 886 kN,增幅68%;極限應變εu由8.7‰增加至12.4‰,增幅42%;彈性剛度KE由179 MN增加至220 MN,增幅約23%。

表5　不同參數下試件承載力、軸向變形和彈性剛度

4結論

(1) 方鋼管再生混凝土長柱軸壓承載力,隨再生骨料取代率的增加略有下降;隨長細比的增加而降低,構件長細比λ由34.64增加到69.82,極限承載力降幅達22.5%;鋼管壁厚對軸壓承載力影響較大,壁厚t由3 mm增加到6 mm,構件的極限承載力提高約40%。

(2) 方鋼管再生混凝土軸壓長柱在極限承載力下的軸向平均應變,隨再生骨料取代率的增加、長細比的增加呈增長趨勢,軸向平均應變隨鋼管壁厚的增加而增加,呈明顯規律。

(3) 方鋼管再生混凝土長柱的彈性軸壓剛度,隨再生骨料取代率的增加而降低,再生骨料取代率為100%的試件較取代率為0%的試件,彈性剛度降幅達25%。彈性軸壓剛度隨鋼管壁厚的增加而增加,鋼管壁厚由3 mm增加到6 mm,彈性剛度增幅達23%。

(4) 在既有制作及加載條件下,構件的鋼管壁厚對破壞形式的影響較大,試驗表明當壁厚增大為5～6 mm時,構件能夠得到理想狀態下的整體失穩。鋼管壁過薄的在鋼管軸向應力進入塑性階段后,雖有核心混凝土徑向向外的約束,可以保證其不向內失穩,但較易過早產生徑向向外的失穩,從而導致構件的關鍵截面過早破壞。

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收稿日期：2016-03-15；修改日期：2016-03-18

作者簡介：黃浩(1989-)，男，安徽肥東人，合肥工業大學碩士生．

中圖分類號：TU398.9

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0212-04