圓鋼管再生混凝土短柱計(jì)算方法*

許 偉， 白 楊， 羅 丹

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110168)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的騰飛，建筑行業(yè)已步入高速發(fā)展的道路.在這個(gè)過程之中，會(huì)出現(xiàn)大量的建筑垃圾，其中包括大量的廢棄混凝土.這些建筑垃圾對(duì)于自然環(huán)境和生態(tài)平衡具有巨大威脅，而且處理這些建筑垃圾也十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力.因此，有必要將這些建筑垃圾重新再利用，這樣不但可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，而且還能夠有效地解決建筑垃圾的處理問題.將廢棄的混凝土破碎后，進(jìn)行洗滌和分類，再次利用舊骨料，用其部分或全部替代天然骨料，重新配制而成新混凝土，這種新混凝土稱為再生混凝土[1].再生混凝土與普通混凝土相比，其力學(xué)性能和耐久性均較差[2].將再生混凝土填充到鋼管中，通過鋼管對(duì)于再生混凝土的約束作用來提高整體的力學(xué)性能，與此同時(shí)鋼管自身的穩(wěn)定性也得到了很大的提升，稱這種新型的組合結(jié)構(gòu)為鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu).

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多探索與試驗(yàn)，并且取得許多突破性的成果與結(jié)論[3-7].對(duì)于鋼管混凝土理論計(jì)算的研究已經(jīng)趨于成熟，而對(duì)于鋼管再生混凝土的理論計(jì)算才剛剛開始.本文對(duì)鋼管混凝土的計(jì)算方法進(jìn)行修正，使其適用于圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的計(jì)算.

1 有限元模型

1.1 鋼材與再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系

鋼材所采用的本構(gòu)關(guān)系為二次流塑模型[8].再生混凝土采用文獻(xiàn)[9]提出的本構(gòu)關(guān)系模型，該模型在原混凝土本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，引入了再生骨料取代率影響曲率系數(shù)，以此來體現(xiàn)再生骨料取代率所帶來的影響.

1.2 有限元模型的建立與驗(yàn)證

本文在文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用有限元軟件ABAQUS建立圓鋼管再生混凝土短柱有限元模型.經(jīng)驗(yàn)證，圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明本文所建立的ABAQUS有限元模型可以較好地模擬圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的受力過程.

2 修正圓鋼管再生混凝土軸壓短柱承載力公式

設(shè)置柱長(zhǎng)L=420 mm，外徑D=140 mm，與此同時(shí)取不同的再生骨料取代率、不同的含鋼率、不同的再生混凝土強(qiáng)度和不同的鋼材強(qiáng)度為變化參數(shù)，建立圓鋼管再生混凝土軸壓短柱模型，構(gòu)件參數(shù)如表1所示.

表1 構(gòu)件參數(shù)表Tab.1 Specimen parameters

2.1 模擬結(jié)果與各規(guī)范計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2為規(guī)范計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比.由表2可知，使用統(tǒng)一強(qiáng)度理論的規(guī)范(GB 50936-2014)[11]計(jì)算結(jié)果比模擬值小約10%，而使用擬混凝土理論規(guī)范ACI(2005)計(jì)算結(jié)果比模擬值小10%～30%，使用擬鋼理論規(guī)范ASIC(2005)計(jì)算結(jié)果比模擬值小40%～50%，使用疊加理論規(guī)范AIJ(1997)計(jì)算結(jié)果則均比模擬值小30%～50%.使用擬混凝土理論規(guī)范ACI(2005)、擬鋼理論規(guī)范ASIC(2005)、疊加理論規(guī)范AIJ(1997)的計(jì)算結(jié)果雖然處于安全范圍，但是與模擬結(jié)果相差較大，精確度低.而使用規(guī)范《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936-2014)的計(jì)算結(jié)果不僅處于安全范圍，而且精確度很高.因此，可采用規(guī)范《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936-2014)對(duì)鋼管再生混凝土軸壓短柱進(jìn)行計(jì)算.

2.2 計(jì)算公式的修正

表3為θ值計(jì)算結(jié)果.再生骨料取代率對(duì)于圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的極限承載力具有一定程度的影響.因此，在圓鋼管再生混凝土軸壓短柱承載力的計(jì)算公式中，應(yīng)當(dāng)包含再生骨料取代率這個(gè)影響因素.而現(xiàn)行規(guī)范《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936-2014)對(duì)于鋼管再生混凝土軸壓短柱具有較好的適用性，但是沒有考慮再生骨料取代率對(duì)于其承載力的影響.因此，對(duì)于規(guī)范《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的鋼管混凝土軸壓短柱公式進(jìn)行修正.在上述模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，再對(duì)27根圓鋼管再生混凝土軸壓短柱進(jìn)行模擬分析.通過設(shè)立參數(shù)θ，分析比較圓鋼管再生混凝土短柱在軸心受壓狀態(tài)下的承載力模擬值Na和設(shè)計(jì)值Nu，結(jié)果如表3所示.

表2 規(guī)范計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison between calculated results under specifications and simulation results

表3 θ值計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of θ values

利用圓鋼管再生混凝土軸壓短柱模擬的數(shù)據(jù)，通過回歸的方法，最終得到再生骨料取代率r與參數(shù)θ之間的關(guān)系，如圖1所示.將表3中所有的θ值輸入到軟件Origin當(dāng)中，經(jīng)過軟件Origin擬合后，得到再生骨料取代率r與參數(shù)θ之間的關(guān)系，其表達(dá)式為

θ=0.904+0.012r

(1)

因此，對(duì)鋼管混凝土軸壓短柱公式進(jìn)行修改后，其表達(dá)式為

(2)

表4為公式(2)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)結(jié)果比較.由表4可知，平均值相差在10%以內(nèi)，且標(biāo)準(zhǔn)差為0.02，同時(shí)計(jì)算結(jié)果偏于安全，表明擬合結(jié)果較好，公式(2)可用于鋼管再生混凝土軸壓短柱的計(jì)算.

圖1 θ-r擬合曲線Fig.1 Fitting curve of θ-r relation

3 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 使用擬混凝土理論規(guī)范ACI(2005)、擬鋼理論規(guī)范ASIC(2005)、疊加理論規(guī)范AIJ(1997)對(duì)于圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的計(jì)算結(jié)果均比模擬值小，計(jì)算結(jié)果偏于安全，但是平均值相差均大于15%.

表4 公式(2)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)結(jié)果比較Tab.4 Comparison between calculated results of formula (2) and test results of literature [10]

2) 雖然規(guī)范《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936-2014)計(jì)算結(jié)果平均相差在10%以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果也相對(duì)安全，但是此規(guī)范未考慮骨料取代率的影響.因此，對(duì)于規(guī)范中的公式進(jìn)行修正，提出修正系數(shù)θ，使用修正后的公式(2)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其計(jì)算結(jié)果偏于安全，而且精確度較高，適用于圓鋼管再生混凝土軸壓短柱承載力的計(jì)算.