方鋼管再生混凝土短柱的軸壓力學性能試驗

張繼承，申興月，王靜峰，杜國鋒，王科輝

(1.長江大學城市建設學院， 湖北荊州434023；2.長江大學結構工程與防災研究所， 湖北荊州434023)

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方鋼管再生混凝土短柱的軸壓力學性能試驗

張繼承1,2，申興月1，王靜峰1，杜國鋒1,2，王科輝1

(1.長江大學城市建設學院， 湖北荊州434023；2.長江大學結構工程與防災研究所， 湖北荊州434023)

為研究鋼管寬厚比及再生骨料取代率對方鋼管再生混凝土短柱力學性能的影響，設計9根方鋼管再生混凝土短柱進行了軸壓試驗，觀察了試件在軸壓力作用下的破壞過程，分析了鋼管寬厚比和再生骨料取代率對試件荷載—位移和荷載—應變曲線的影響。結果表明，寬厚比及再生骨料取代率對鋼管再生混凝土短柱的最終破壞形態影響不大，與普通鋼管混凝土短柱相似，各試件均呈剪切破壞，最終破壞時，其縱向變形均超過30 mm；隨著再生骨料取代率增大，荷載—位移曲線下降段越陡，但隨著鋼管寬厚比的增大，再生骨料取代率超過30%后，試件極限承載力越接近，說明考慮再生骨料取代率的不利影響更合理。最后結合試驗提出了鋼管再生混凝土短柱承載力計算方法，將計算結果與相關規程進行了對比，供工程應用參考。

方鋼管再生混凝土；寬厚比；再生骨料取代率；承載力

與普通混凝土相比，再生混凝土因內部存在不同程度的損傷，導致其強度、抵抗變形能力以及耐久性等性能較差，這阻礙了再生混凝土在實際工程中的應用。若將再生混凝土與普通混凝土按一定比例混合后填入鋼管，因鋼管對內部核心混凝土有一定的約束作用，在三維的受壓狀態下再生混凝土的力學性能將會得到較明顯改善，因此對鋼管再生混凝土的力學性能的具體研究，有利于再生混凝土的進一步推廣和應用。

目前，國內外學者采用研究普通鋼管混凝土的方法對鋼管再生混凝土短柱的力學性能進行了相關研究，并取得了豐碩成果[1-10]。陳宗平等[7]進行了方、圓鋼管再生混凝土短柱的軸壓試驗，試驗中考慮了不同的再生骨料取代率對試件承載力的影響，分析了不同加載階段軸壓短柱的受力特性，結果顯示，當再生骨料取代率大于50%后，承載力有所降低。何東等[9]對鋼管再生混凝土的荷載—變形全過程進行了數值模擬，并用試驗結果驗證了模型的正確性，兩種方法均表明再生骨料取代率對極限承載力有影響；陳夢成等[10]以混凝土骨料類型和圓鋼管尺寸為試驗參數，對6根短柱進行了軸壓試驗，并運用有限元軟件ABAQUS進行了數值模擬，結果表明，有限元計算的結果是偏于安全的， 說明有限元方法可用于鋼管再生混凝土短柱承載力計算。

但據現有文獻來看，有關再生骨料取代率對試件承載力影響的報道仍較少，因此本文擬以鋼管寬厚比及再生骨料取代率為試驗參數，對方鋼管再生混凝土短柱軸壓力學性能進行分析，并由此提出承載力計算方法。

1　試驗概況

1.1試件設計與制作

為研究內填混凝土中再生骨料的取代率及外包鋼管寬厚比對鋼管再生混凝土短柱承載力的影響，本文采用正交試驗法，共設計長度450 mm的短柱9個，各試件具體參數見表1。

試驗使用的材料主要有材質為Q235的無縫方鋼管、強度等級32.5的普通硅酸鹽水泥、天然碎石、水、河砂、再生粗骨料、再生細骨料和高效減水劑FDN-5，其中再生骨料取自某質檢站，再生粗骨料和再生細骨料為該質檢站的廢棄混凝土標準試塊經破碎機和人工錘擊后篩分得到，再生細骨料粒徑為5～10 mm，再生粗骨料粒徑為10～20 mm，天然骨料級配良好，拌制混凝土前先將天然骨料和再生骨料表面的泥漿用水清洗干凈，然后將骨料和篩過的砂烘干。各鋼管內填混凝土配合比相同，即水泥∶砂∶骨料∶水=491∶627∶1 134∶147，減水劑的用量為水泥用量的1%，所配混凝土中再生骨料的含量根據試驗要求分別占所用骨料的0%、30%和60%，其中再生細骨料均為再生骨料的30%。鋼材的力學性能指標和內填混凝土28 d的立方體抗壓強度見表1。

注：1. RCFSST3-00，RCFSST即Recycled concrete filled short steel tubular columns，指鋼管再生混凝土構件，3表示鋼管厚度為3 mm，00表示再生骨料的取代率為0%。2.基本參數中，B代表方鋼管截面外邊長；t為鋼管壁實測厚度；L為短柱長度；η為內填混凝土中再生骨料取代率；B∶t為鋼管寬厚比；fy為鋼管屈服強度；fcu為內填混凝土的立方體抗壓強度；Pue為軸壓試驗測得的試件極限荷載。3.試件RCFSST4-30數據采集失敗。

1.2加載裝置及測點布置

圖1　加載裝置Fig.1　Loading device

試驗在某結構實驗室進行，加載裝置見圖1，加載裝置為量程5 000 kN的微機控制液壓伺服壓力機。為使外包鋼管與核心混凝土在加載過程中同時受壓，試驗前，先用打磨機將混凝土和鋼管上表面打磨平整，然后將試件直接放在壓力機的加載平臺上。為保證試件在加載過程中始終處于軸壓狀態，在試件頂部放一個球形鉸，使球鉸中心與試件形心在同一鉛垂線上；同時為確保加載裝置和數據采集系統能正常工作，在正式加載前施加150 kN的壓力進行預加載，然后卸載。

為測量試件的縱向變形和鋼管應變，在試件每側均布置一個YHD-100型位移計，位移計一端頂在球鉸平板面上；同時在試件每個面中央高度截面處沿橫、縱向各布置一對電阻應變片，應變和位移均通過DH3816型靜態應變測量系統采集。

1.3試驗加載方案

采用分級加載制度，當荷載達到預計極限荷載的0.6倍前，每級荷載為預計極限荷載的1/15；當荷載超過預計荷載的0.6倍后，每級荷載為預計極限荷載的1/30，每級荷載持續2 min后采集數據并進入下一級加載。當試件位移發生突變，表示試件屈服，此時連續加載，并不斷采集位移和應變，直到試件承載力下降至極限荷載的85%以下或加載位移超過30 mm，停止加載。

2　試驗現象

所有試件的破壞形態類似，試件破壞形態見圖2,圖2中從左至右試件編號與表1中從上至下編號對應，可以看出方鋼管再生混凝土軸壓短柱和普通方鋼管混凝土軸壓短柱的受力特征相似。試件在加載前期即彈性階段時沒有較明顯變化，隨著軸向荷載的逐漸增大，試件進入彈塑性階段時，鋼管壁中央高度以上鐵銹較厚處，鐵銹開始慢慢出現起皮現象，甚至掉落，鋼管端部表面開始出現斜向的剪切滑移線，隨著荷載增大逐漸明顯，同時逐漸向試件中部擴展；試件在達到極限荷載前鋼管還沒有明顯的鼓曲，臨近極限荷載時，試件1/4高度處的鋼管局部外凸，并發生較大的豎向位移，其中再生骨料取代率為60%的試件軸向變形最明顯，這與混凝土中再生骨料的內部存在較小裂縫有關；隨著荷載的繼續增大，試件變形加速，距柱兩端面1/4～1/3高度處鋼管橫向突起約1.5～4.0 mm；超過峰值荷載后，試件承載力快速下降，鋼管急劇變形。試件RCFSST4-00、RCFSST5-00、RCFSST4-60和RCFSST6-60中央高度處鋼管角部出現破裂，有被壓碎的混凝土小塊體掉出；在試件RCFSST4-00、RCFSST5-00、RCFSST5-30、RCFSST4-60和RCFSST6-60中央高度處鋼管鼓凸較大的面上縱向應變片均出現滑移。試件破壞時，鋼管上未滑移的應變片均出現溢出現象，最終試件縱向變形均超過了30 mm，試驗過程中能聽到混凝土被壓碎的聲音。

圖2　試件的破壞形態

3　主要試驗結果及分析

3.1荷載—位移關系曲線

以4個位移計測得的試件壓縮量平均值為橫坐標，軸向荷載為縱坐標，得到各試件的荷載—位移曲線，見圖3。方鋼管再生混凝土軸壓短柱和普通方鋼管混凝土軸壓短柱的荷載—位移關系曲線發展過程基本相同，都有彈性和塑性發展過程。在0.65～0.85倍極限荷載前，試件的荷載—位移關系曲線呈線性上升，試件處于彈性階段，隨后繼續加載，試件逐漸進入塑性階段，曲線開始出現較小偏轉。

(a) B∶t=57.7

(d) η=0%

圖3(a)、(b)、(c)給出了鋼管寬厚比相同的情況下，不同再生骨料取代率的試件荷載—位移關系曲線。由圖3可知，在鋼管寬厚比較小的試件中，再生骨料取代率對鋼管極限承載力影響很明顯，試件極限承載力隨著再生骨料取代率的增大而降低；在增大鋼管寬厚比后，再生骨料取代率對試件的極限承載力的影響有所降低；在鋼管寬厚比相同時，試件在彈性階段和彈塑性階段的剛度基本相同，但隨著再生骨料取代率的增大，試件達到峰值荷載后承載能力降低更快，這是因為再生骨料內存在較多不可避免的微小裂縫，隨著再生骨料的比例增加，試件在相同的軸向壓力作用下，發生了較大的縱向變形。

圖3(d)、(e)、(f) 給出了再生骨料取代率相同的情況下，不同鋼管寬厚比的試件荷載—位移關系曲線。由圖3可知，再生骨料取代率小于30%時，寬厚比對構件的極限承載力影響很大，再生骨料取代率相同的試件，寬厚比越小，試件在彈性階段的剛度越大，且極限承載力也越大，這是鋼管的約束作用增大的緣故；當再生骨料取代率達到60%時，寬厚比對構件的極限承載力影響很小，這主要是因為隨著再生骨料的比例增加，再生骨料對極限承載力的影響變大，此時鋼管的約束作用不再對試件承載力起控制作用。

3.2位移計與縱向應變片測試數據對比

將試件的壓縮長度所換算成的縱向應變和4個縱向應變片所測應變的平均值作為橫坐標，軸向荷載為縱坐標，各試件可得到兩條荷載—應變關系曲線，如圖4。由于應變片量程較小，數據極易溢出，且試件破壞時位移迅速增加，故較大的應變均未測到。從圖4中可以看出，應變片所測應變較位移計所測位移換算應變偏小，其原因有：①在較大的軸壓力作用下，試件上部的球形鉸支座平板部分有較小變形，位移計所測的位移中包含這部分；②加載初期無法保證試件端部鋼管與混凝土完全平齊，混凝土可能先有壓縮變形，所以試件的平均應變以應變片測得應變表示更準確。但兩曲線有相同的變化規律，說明鋼管與再生混凝土能很好的協同工作，鋼管應變能較好的反應試件應變變化趨勢。

(a) RCFSST3-00

(d) RCFSST4-00

(g) RCFSST5-30

4　承載力計算

采用國內外方鋼管混凝土短柱承載力計算方法對本文中方鋼管再生混凝土短柱的極限承載力進行計算，并與試驗所得結果進行對比，見表2。從表2中可以看出，未考慮再生骨料取代率影響的計算結果與試驗值有較大的誤差，韓林海[11]方法計算結果偏大，而BS5400(1979)[12]、DBJ 13-51-2003[13]和GJB 4142-2000[14]三種規程的方法計算值明顯偏小，且隨著再生骨料取代率的提高，承載力反而增大，這與實際情況不吻合，因此承載力計算中考慮再生骨料取代率的影響會使結果更精確。

表2　極限承載力計算結果與試驗值對比Tab.2　Comparison of ultimate bearing capacity of specimens between calculation and experiment

基于以上分析，結合本試驗，考慮再生骨料取代率的不利影響，利用極限平衡法，可以得到方鋼管再生混凝土極限承載力的計算式為：Pu=φAcfck(1+1.96ξ),其中折減系數φ=1/(0.095η2+0.09η+1.25)，η表示再生骨料取代率，ξ=fyAs/fckAc，fck=0.67fcu。

運用上述擬合公式分別對文獻[15]中方鋼管再生混凝土短柱和文獻[16]中圓鋼管再生混凝土短柱進行承載力計算，計算結果見表3和表4。從表3中可以看出，當再生骨料取代率大于20%時，計算結果與試驗值很接近，誤差5%以內，在工程允許的誤差范圍；從表4中可知，只有試件CA-9和CA-10計算值與試驗值出現了較大偏差，這主要是因為文獻[16]中的圓鋼管混凝土短柱試件的極限承載力隨再生骨料取代率的變化規律不明顯，但總體而言，試件計算值與試驗值吻合較好，且計算結果偏于安全，說明該式也適用于圓鋼管再生混凝土短柱承載力計算。

表3　方鋼管再生混凝土短柱承載力計算值與試驗值比較Tab.3　Comparison of bearing capacity of recycled aggregate concrete-filled square steel tubular short columns between calculation and experiment

注：D代表方鋼管截面外邊長；t為鋼管壁實測厚度；L為短柱長度；η為內填混凝土中再生骨料取代率；fy為鋼管屈服強度；fck為內填混凝土的立方體抗壓強度；Pue為軸壓試驗測得的試件極限荷載；Puc為根據本文公式得到的試件理論計算值。

表4　圓鋼管再生混凝土短柱承載力計算值與試驗值比較Tab.4　Comparison of bearing capacity of recycled aggregate concrete-filled circular steel tubular short columns between calculation and experiment

注：D代表方鋼管截面外邊長；t為鋼管壁實測厚度；L為短柱長度；η為內填混凝土中再生骨料取代率；fy為鋼管屈服強度；fck為內填混凝土的立方體抗壓強度；Pue為軸壓試驗測得的試件極限荷載；Puc為根據本文公式得到的試件理論計算值。

5　結　論

①方鋼管再生混凝土軸壓短柱同普通方鋼管混凝土軸壓短柱的受力特征相似，破壞形態呈腰鼓狀的剪切破壞。

②寬厚比相同的試件在加載過程中，彈性階段和彈塑性階段剛度基本相同，但再生骨料取代率越大，超過峰值荷載后曲線下降段越陡。

③鋼管與再生混凝土能很好的協同工作，鋼管的應變能較好的反應試件的整體應變趨勢。

④試件的極限承載力隨鋼管寬厚比的增大而增大，但當再生骨料取代率大于30%時，承載力增大的趨勢逐漸減弱，當再生骨料取代率達到60%時，不同寬厚比的試件極限承載力基本相同，因此計算試件的極限承載力時，考慮再生骨料取代率的影響后計算結果更加合理。

⑤本文公式可用來計算方鋼管再生混凝土短柱承載力，同時在圓鋼管再生混凝土短柱承載力計算時也適用。

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(責任編輯唐漢民梁健)

Experiment on mechanical behavior of recycled aggregate concrete-filled square steel tubular short columns under axial compression

ZHANG Ji-cheng1,2, SHEN Xing-yue1, WANG Jing-feng1, DU Guo-feng1,2, WANG Ke-hui1

(1.School of Urban Construction, Yangtze University, Jingzhou 434023,China； 2.Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

In order to research the influence of the width/thickness ratio of steel tube and the replacement ratio of recycled aggregate in core concrete on the mechanical behavior of recycled aggregate concrete-filled square steel tube (RACFSST) short columns, 9 specimens with different parameters were designed and tested under axial compression. The failure process of specimens was observed, and the impact of the width/thickness ratio of steel tube and the replacement ratio of recycled aggregate in core concrete on the loading-longitudinal displacement curves and loading-strain curves of specimens was analyzed. The results showed that the width/thickness ratio and the replacement ratio of recycled aggregate have little effect on the failure patterns of RACFSST short columns, which were similar to the situation of the ordinary concrete-filled steel tube short columns, and the failure pattern of the specimens was shear failure. Its vertical deformation was more than 30 mm eventually. As the replacement ratio of recycled aggregate decreased, the descent stage of load-displacement curves became steeper, but the bearing capacity of the RACFSST short columns was closer to one another with the increase of width/thickness ratio after the replacement ratio of recycled aggregate was over 30%, which indicated that taking the negative influence of replacement ratio of recycled aggregate into account would be more reasonable. Based on the tests, the bearing capacity calculation method of the RACFSST short column is proposed, which could provide practical project with useful reference.

recycled aggregate concrete-filled square steel tube; width/thickness ratio; replacement ratio of recycled aggregate; bearing capacity

2016-04-10；

2016-06-15

國家自然科學基金資助項目(51378077)；湖北省教育廳科學技術研究項目(D20151304)；湖北省大學生創新訓練計劃項目(104892014001)

張繼承(1976—)，男，湖南平江人，長江大學副教授，工學博士；E-mail：719070934@qq.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1008

TU398; U441

A

1001-7445(2016)04-1008-08

引文格式：張繼承，申興月，王靜峰,等.方鋼管再生混凝土短柱的軸壓力學性能試驗[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1008-1015.