型鋼再生混凝土梁受力性能研究現(xiàn)狀與建議

王亞梅，母　薇

(西華大學建筑與土木工程學院， 四川成都 610039)

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型鋼再生混凝土梁受力性能研究現(xiàn)狀與建議

王亞梅，母薇

(西華大學建筑與土木工程學院， 四川成都 610039)

為了分析型鋼再生混凝土梁的研究前景，文章主要從型鋼再生混凝土梁的抗彎承載能力、抗剪承載能力和其高溫作用后的承載能力等方面，總結型鋼再生混凝土梁受力性能的研究成果，并為型鋼再生混凝土組合梁的將來研究方向提出幾點意見，為相關研究提供參考。

型鋼；再生混凝土梁；受力性能；安全使用狀態(tài)；研究方向

近年來，我國城市化進程加快，對原有建筑物的拆除，以及地震等自然災害對建筑物的破壞等原因，使得全國各地產生了大量的建筑垃圾，造成了嚴重的環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計，我國每年因拆除廢舊建筑物和新建筑物施工過程中約產生建筑垃圾5 360×104t。2008年的四川汶川地震，由于毀壞、倒塌房屋所產生建筑垃圾超過5×108t。所以解決建筑垃圾污染問題，成為當今世界面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

1　再生混凝土概念及力學特性

再生混凝土是指將廢棄的混凝土塊經破碎、清洗、篩分并按一定比例混合形成再生混凝土集料(Recycled Aggregate or Recycled concrete Aggregate)，利用再生混凝土集料作為部分或全部替代天然骨料配制成的混凝土，叫做再生混凝土(Recycled concrete)，也稱為再生集料混凝土(Recycled Aggregate concrete)。

目前國內外對再生混凝土的性能研究得到了很大的發(fā)展，結果表明再生混凝土在材料性能上有一定的不足和局限性。再生混凝土與普通混凝土相比，表現(xiàn)為空隙率高、密度低、吸水率大、強度低于普通混凝土等基本特性。這為其廣泛的使用造成了一定的困難。

2　型鋼再生混凝土組合梁

2.1型鋼混凝土梁概念

型鋼混凝土組合梁是指在截面中間配置型鋼，并配有一定數(shù)量的構造鋼筋，外面澆筑混凝土的組合梁結構。這種新型結構開始被用于型鋼混凝土組合結構中，具有以下的結構優(yōu)點：

(1)由于梁截面中配置了型鋼，使構件承載力、剛度等大大提高，這在很大程度上減小了構件的截面尺寸，使得建筑的使用空間得以提高。

(2)與鋼筋混凝土梁相比，型鋼混凝土梁的強度、剛度都有顯著提高。并且由于型鋼的存在，可以使組合結構的延性增強。

(3)與鋼結構相比，造價降低，外部有混凝土包裹，可以大大地降低鋼結構被腐蝕的可能，充分發(fā)揮鋼材的優(yōu)點，延長了結構的使用壽命。

2.2型鋼再生混凝土梁的特征

國內外專家學者根據(jù)型鋼混凝土結構的特點，提出型鋼再生混凝土的概念，這可以利用型鋼承載力高、延性好、抗震性能強等優(yōu)點，大大的改善再生混凝土的受力性能，同時能實現(xiàn)再生混凝土資源的循環(huán)利用、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，因此，具有良好的應用前景。

型鋼混凝土構件使用過程中存在許多的缺點，這在型鋼再生混凝土研究過程中也是不容忽視和主要研究的問題，主要包括：

(1)由于結構中使用了型鋼，型鋼和再生混凝土兩種材質相差較大，處理不當容易發(fā)生滑移破壞。必須重視型鋼和混凝土兩者的粘結力和相互作用對構件的承載力產生的影響。

(2)由于再生混凝土的強度比混凝土的要低，當承受反復荷載或在地震作用下時，型鋼還沒有有效地發(fā)揮其提高承載力的作用，而構件的節(jié)點處就可能已經發(fā)生破壞，從而導致整個結構的破壞。所以應對型鋼再生混凝土的抗震性能進行充分的研究。

(3)正常情況下混凝土結構的使用年限在50～100年之間。由于再生混凝土具有空隙率大等基本特性，型鋼再生混凝土的耐久性研究也有重要的意義。

3　型鋼再生混凝土受力性能研究現(xiàn)狀

3.1型鋼再生混凝土的抗彎承載力

陳宗平等[1]考慮了再生粗骨料取代率和混凝土強度等級兩個變化因素，設計6個試件進行靜力加載試驗，研究了型鋼再生混凝土梁的受力性能，通過試驗表明：

(1)型鋼再生混凝土受力過程中截面的應變分布符合平截面假定。

(2)型鋼再生混凝土梁具有良好的承載能力和變形性能，隨著取代率的增加，型鋼再生混凝土梁的承載力有所提高。

(3)基于安全和經濟方面考慮，提出應采用YB 9082-2006的方法計算型鋼再生混凝土梁的極限承載力。

經研究得出型鋼再生混凝土截面受彎承載力滿足規(guī)范要求：

(1)

(2)

河北工程大學李園園[6]進行了4組型鋼再生混凝土梁實驗，通過改變再生粗骨料的取代率和配箍率兩個因素，研究型鋼再生混凝土梁的變形及承載能力情況，并探討符合型鋼再生混凝土承載力的計算公式。

通過實驗得出：型鋼再生混凝土梁應變基本符合平截面假定；不同再生混凝土取代率對型鋼再生混凝土梁的極限承載力沒有較大的影響；配箍率的變化對構件的極限承載能力影響不明顯，但是對構件的裂縫發(fā)展有較大影響。

經研究得出型鋼再生混凝土正截面受彎承載力計算方法適用于JGJ 138-2001《型鋼再生混凝土組合結構技術規(guī)程》。

當δ1h0<1.25x，δ2h0>1.25x時：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Maw為型鋼腹板承受的軸向合力對型鋼受拉翼緣和縱向受拉鋼筋合力點的力矩；ξb為相對界限受壓區(qū)高度；Naw為型鋼腹板承受的軸向合力；δ1、δ2為型鋼腹板上、下端至截面上邊緣距離與h0的比值；h0為型鋼受拉翼緣與縱向受拉鋼筋合力點至混凝土受壓邊緣距離；tw、tf為型鋼腹板厚度、型鋼翼緣厚度。

3.2型鋼再生混凝土梁的抗剪承載力現(xiàn)狀

王秀振等[5]通過對12個梁試件進行試驗，研究再生混凝土取代率、剪跨比和混凝土強度三個變量分別對型鋼再生混凝土受剪性能的影響及破壞機理，探討受剪承載力的計算方法。馬輝、薛建陽等[3]通過有限元對型鋼再生混凝土抗剪承載力的可靠度進行分析。

通過實驗表明：由于再生混凝土通過合理的配合比設計，可以使其強度與普通混凝土強度極其相似，所以再生骨料的替代率對型鋼再生混凝土承載力影響不大；剪跨比的增加，實驗梁的承載力減少很多；由于構建梁的抗剪承載力主要由型鋼、再生混凝土和箍筋來提供，隨著混凝土抗壓強度的增加，梁的承載力也相應的增加。通過分析得出構件抗剪承載力的計算公式：

(7)

通過以上實驗研究結果表明：在研究型鋼再生混凝土梁抗剪承載力的影響時，均忽略型鋼與再生混凝土之間的粘結滑移，即二者之間符合平截面假設；得出型鋼再生混凝土的抗彎承載能力、抗剪承載能力基本能滿足使用安全的要求。

3.3高溫后型鋼再生混凝土抗剪、抗彎承載力研究現(xiàn)狀

陳宗平等[7]設計17個構件的靜力加載試驗，研究各變化參數(shù)對高溫后型鋼再生混凝土梁的受剪性能的影響，主要包括溫度、再生粗骨料取代率、混凝土強度等三個變化量。

研究結果表明：經過高溫的型鋼再生混凝土梁質量有所減少，構件的初始剛度和峰值荷載降低，延性系數(shù)先減小再增大；不同再生骨料取代率，構件經過高溫后的荷載-撓度曲線的變化規(guī)律相似，對力學性能影響較小；隨著混凝土等級增大，構件的初始剛度和峰值荷載也相應的增加，但是延性系數(shù)減少。

陳宗平等[8]研究了型鋼再生混凝土梁受高溫后的受彎性能的變化情況，設置溫度、再生混凝土取代率和剪跨比三個變化量，分別進行了加載試驗。

研究結果表明：高溫后型鋼再生混凝土梁受力破壞形態(tài)與常溫下基本相同；隨溫度的升高，試件的極限承載力和剛度逐漸降低，延性變差；再生粗骨料取代率的變化對試件的承載力和剛度影響不大，但對延性有一定的影響；隨著剪跨比的增加，試件的承載力和剛度降低，延性卻更好；并提出應引入高溫折減系數(shù)，對《型鋼再生混凝土組合結構技術規(guī)程》計算方法進行折減，來計算構件極限承載力。

3.4研究結果分析

根據(jù)影響型鋼混凝土梁的受力性能的主要因素對比，結合相關資料的研究成果進行分析總結，影響型鋼再生混凝土梁的承載能力的因素可能還有加載方式、型鋼強度及配鋼率、箍筋強度及配箍率、寬度比和型鋼翼緣混凝土保護層厚度等。就現(xiàn)在的研究情況來看，這些因素對型鋼再生混凝土的承載力的影響，只通過簡單的有限元模擬，并沒有進行實驗驗證，所以還有待進一步研究。

4　型鋼再生混凝土梁受力性能研究前景

4.1型鋼再生混凝土梁的耐久性能

經研究，混凝土長期處于外界環(huán)境中，會在溫度、濕度、氯離子和等劣化作用下，影響混凝土結構的使用年限。

再生混凝土耐久性能研究，主要包括抗?jié)B透、抗凍融和抗氯離子侵蝕的性能。混凝土的抗?jié)B性能是反映混凝土耐久性的重要指標，更是與微裂紋的有著密切關系。氯離子侵蝕是指在混凝土生產或在使用過程中，侵入、累積了一定濃度的氯離子，會加快構件中鋼筋或型鋼的銹蝕，致使構件發(fā)生破壞。這與混凝土材料多孔性、密實性、工程質量、混凝土保護層厚度等多種因素有關。

再生混凝土與混凝土相比，空隙較多，表觀密度低，強度低，以及再生混凝土本身污染物的存在，會對新、舊混凝土繼續(xù)產生危害反映，從而大大縮短混凝土的使用壽命。由于再生混凝土本身存在的缺陷，所以型鋼再生混凝土的耐久性是將來型鋼再生混凝土能否廣泛使用的關鍵性問題，有必要在這方面深入進行研究。

4.2型鋼再生混凝土梁抗震性能

型鋼混凝土梁有抗震性、承載能力高以及環(huán)保性等優(yōu)點，受到國內外越來越多學者的高度重視，其應用前景十分廣闊。鮑雨澤等[4]研究了再生骨料的取代率的單一參數(shù)變量，對型鋼再生混凝土平面框架中節(jié)點的抗震性能影響。

為了全面了解型鋼再生混凝土框架節(jié)點的抗震性能，還需要進一步研究軸壓比、配箍率等諸多因素的變化對框架抗震性能的影響；應考慮邊節(jié)點、角節(jié)點等不同位置的框架節(jié)點的抗震性能。在實際工程中，研究空間框架梁對節(jié)點的影響，是今后學者在科研中應予以考慮和研究的問題。

5　結束語

現(xiàn)階段對型鋼再生混凝土在抗剪、抗彎的承載能力方面的研究取得了一定的成果，但是不夠全面，還存在許多的不足之處，主要包括：

(1)目前大多數(shù)的試驗研究還停留在材料的性質和簡單的構件上，要想將其應用于實際工程中，需要研究不同構件之間的協(xié)同工作能力。

(2)對型鋼再生混凝土梁承載能力的影響因素還不夠全面，需要進一步研究，完善截面承載能力的計算方法。

(3)對于型鋼再生混凝土梁的抗震性、抗?jié)B透性、抗氯離子能力和抗凍性，還有很大的研究空間。要想提高再生混凝土的使用率和適用范圍，這是必須要研究的問題。

[1]陳宗平,陳宇良. 型鋼再生混凝土梁受彎性能試驗及承載力計算[J]. 工業(yè)建筑,2013(9):11-16.

[2]薛建陽,王秀振. 型鋼再生混凝土梁受剪性能試驗研究[J]. 建筑結構,2013(7):69-72.

[3]馬輝,薛建陽,林建鵬. 型鋼再生混凝土梁抗剪承載力及其可靠度分析[J]. 工業(yè)建筑,2013(9):7-10.

[4]鮑雨澤. 型鋼再生混凝土框架中節(jié)點抗震性能試驗研究[D].西安建筑科技大學,2014.

[5]王秀振. 型鋼再生混凝土梁受剪性能試驗研究[D].西安建筑科技大學,2011.

[6]李園園. 型鋼再生混凝土梁的抗彎性能試驗及數(shù)值模擬研究[D].河北工程大學,2015.

[7]陳宗平,王歡歡. 高溫后型鋼再生混凝土梁的受剪性能試驗研究[J]. 工業(yè)建筑,2014(11):51-57.

[8]陳宗平,鄭巍. 高溫后型鋼再生混凝土梁受彎試驗及承載力計算[J]. 工業(yè)建筑,2014(11):45-50.

[9]JGJ 138-2001 型鋼再生混凝土組合結構技術規(guī)程[S].

西華大學研究生創(chuàng)新基金項目(項目編號:YCJJ2015174)

王亞梅(1990～)，女，在讀研究生，研究方向為結構工程。

TU375.1

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[定稿日期]2016-03-29