方鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱軸壓試驗(yàn)研究分析

袁 泉， 王成剛,2， 張 祥， 張澤陽(yáng)

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

0 引 言

再生混凝土是指將廢棄的混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級(jí)后,按一定比例與級(jí)配混合,部分或全部代替砂石等天然骨料配置而成的混凝土。再生混凝土的使用,可以實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土的減量化和資源化,起到保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源的作用,具有較大的研究和推廣價(jià)值[1，2]。但是因?yàn)樵偕炷恋牧W(xué)性能和耐久性能差于天然混凝土,并且還具有孔隙率較大和抗凍性較差等缺點(diǎn),所以如何將再生混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程仍是再生混凝土發(fā)展道路上需要解決的重要課題[3-7]。

鋼管再生混凝土是指將再生混凝土澆筑在鋼管中形成的組合結(jié)構(gòu)[8-11]。這種結(jié)構(gòu)通過利用鋼管與再生混凝土的相互作用,克服了再生混凝土力學(xué)性能和耐久性能較差的缺點(diǎn),為再生混凝土在實(shí)際工程中的運(yùn)用提供了新的思路和切實(shí)可行的途徑。

當(dāng)前對(duì)此種新型結(jié)構(gòu)的研究仍在起步階段,國(guó)外Konno等[12]將鋼管再生混凝土與鋼管混凝土的受力性能進(jìn)行了對(duì)比研究,國(guó)內(nèi)楊有福等[13,14]、吳波等[15]等對(duì)鋼管再生混凝土軸壓短柱的承載力和變形能力做了深入的研究。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱的力學(xué)性能研究還不多。本文以再生骨料取代率、鋼管壁厚、長(zhǎng)細(xì)比和支座形式為變化參數(shù),完成了 13個(gè)方鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱的軸心受壓加載試驗(yàn)研究,研究分析了各變化參數(shù)對(duì)軸壓方鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)制作了13個(gè)試件,主要考慮6個(gè)變化參數(shù):再生粗骨料取代率、長(zhǎng)細(xì)比、壁厚、添加塊體、粉煤灰和支座形式。鋼管均為邊長(zhǎng)160 mm的直縫焊接方鋼管,基本參數(shù)見表1。試件長(zhǎng)細(xì)比λ=2√3H0/B,H0為試件計(jì)算高度,取為試件高度H,B為方鋼管的外邊長(zhǎng)。含鋼率α=As/Ac,其中As為鋼管的截面面積,Ac為核心再生混凝土的截面面積;壁厚為3 mm、5 mm和6 mm試件的含鋼率分別是0.079、0.138和0.169,寬厚比分別是49.4、31.8和26.7。試件FZXB 3-4、FZXB 3-10中的再生混凝土采用粉煤灰替代15%水泥制成,試件FZXB 3-5、FZXB 5-2和FZXB 6-2中的再生混凝土添加了混凝土塊體,塊體的添加量為混凝土總用量的15%。試件FZXD 3-1高為3 200 mm,長(zhǎng)細(xì)比為69.3,其余試件高度均為1 600 mm,長(zhǎng)細(xì)比為34.6。試件具體尺寸如圖1所示，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 試件加工設(shè)計(jì)圖

表1 試件設(shè)計(jì)基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)主要采用了以下材料:直焊縫方鋼管、天然細(xì)骨料(河沙)、天然粗骨料(石子)、P42.5普通硅酸鹽水泥、再生粗骨料、粉煤灰、自來水。

再生骨料來自建筑物的廢棄混凝土制作而成,經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)定出了再生骨料的吸水率、含水率、表觀密度等材料性能,數(shù)據(jù)見表2。

表2 再生骨料基本性能

混凝土塊體通過破碎廢棄鋼筋混凝土梁得到,直徑在5～10 cm,廢棄鋼筋混凝土梁的混凝土等級(jí)為C30,在分段澆筑再生混凝土?xí)r,將占混凝土用量15%的廢棄混凝土塊加入其中,與再生混凝土同時(shí)攪拌振搗。

本試驗(yàn)使用強(qiáng)度等級(jí)為C30的再生混凝土,材料配合比為水泥∶粗骨料∶砂∶水=2.05∶5.17∶2.43∶1,混凝土粗骨料的取代率為40%和100%,制作長(zhǎng)寬均為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊,在同一環(huán)境下與試件一同養(yǎng)護(hù)28 d后,試驗(yàn)測(cè)得的試塊抗壓強(qiáng)度見表3。

表3 再生混凝土抗壓強(qiáng)度

方鋼管均為直縫焊鋼管,鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q235B。按照《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T228-2002)[16]中試驗(yàn)方法,測(cè)得相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)，見表4。

表4 方鋼管鋼材性能

1.3 試驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)測(cè)量及加載方式

本試驗(yàn)采用的加載裝置是合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室500 t的YES-500型壓力試驗(yàn)機(jī),加載裝置及試件安裝如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)通過位移計(jì)來測(cè)量試件側(cè)向撓度和軸向位移,在試驗(yàn)機(jī)上下加載板上各設(shè)置2個(gè)豎向位移計(jì),共計(jì)4個(gè);在試件的彎曲側(cè)沿柱高1/4、1/2、3/4處各設(shè)置1個(gè)水平位移計(jì),在另一側(cè)沿柱高1/2處設(shè)置1個(gè)水平位移計(jì),共計(jì)4個(gè)。試驗(yàn)通過在試件上布置應(yīng)變花和應(yīng)變片來測(cè)量鋼管壁應(yīng)變,測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。采用DH3816N多功能靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

本試驗(yàn)采用的是荷載控制的逐級(jí)加載方法。正式加載前,試件先施加兩級(jí)預(yù)加載以消除試件兩端與板的間隙。正式加載時(shí),每級(jí)加載值取為預(yù)估極限荷載的10%,加載至該級(jí)荷載最大值,持荷時(shí)間為2 min。在加載至預(yù)估極限荷載的70%后,每級(jí)加載值取為預(yù)估極限荷載的5%,持荷時(shí)間為2～3 min。整個(gè)加載過程的加載速率保持在0.6 kN/s,當(dāng)試件荷載下降到極限荷載的80%以下時(shí)停止加載,試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件破壞過程及破壞形態(tài)

2.1.1 試件破壞過程

試驗(yàn)結(jié)束后試件破壞后的集體照片如圖4所示,所有試件的軸向荷載-軸向位移曲線如圖5所示。通過觀察各試件的試驗(yàn)過程和荷載-軸向位移曲線的變化趨勢(shì),可以看出普通混凝土試件和再生混凝土試件破壞過程沒有區(qū)別,破壞過程都經(jīng)歷了3個(gè)階段:彈性上升階段、彈塑性上升階段和塑性下降破壞階段。加載初期,隨著荷載持續(xù)增加,試件外觀并沒有變化,荷載和位移基本呈線性關(guān)系增加,試件處于彈性上升階段。當(dāng)荷載增加到峰值荷載的70%～80%時(shí),端部鋼管壁漸漸出現(xiàn)局部鼓脹,隨著荷載的持續(xù)增加,荷載增加較慢,而位移增加較快,荷載和位移呈曲線關(guān)系,試件進(jìn)入彈塑性上升階段。當(dāng)荷載達(dá)到各試件的峰值荷載時(shí),試件出現(xiàn)端頭壓曲或者整體彎曲現(xiàn)象,試件進(jìn)入塑性下降階段。

2.1.2 試件的破壞形態(tài)

通過對(duì)本次試驗(yàn)過程的總體觀察和統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)試件的破壞形態(tài)可以發(fā)現(xiàn),普通混凝土試件和再生混凝土試件破壞形態(tài)沒有區(qū)別。試件破壞形態(tài)可分為兩大類。一類是試件端頭壓屈破壞,上端頭鋼管壁先發(fā)生局部受壓屈曲。剖開鋼管可見,在上端一定范圍內(nèi)管壁鼓曲處的再生混凝土芯柱完全斷裂并被嚴(yán)重壓碎,其他部位芯柱完整無(wú)損,試件破壞形態(tài)表現(xiàn)為端頭局部彎曲,呈“低頭”狀,如圖6所示。另一類是試件整體彎曲失穩(wěn)破壞,試件破壞時(shí)發(fā)生整體彎曲,柱中偏壓側(cè)鋼管發(fā)生局部受壓屈曲,在柱中鋼管壁鼓曲處的再生混凝土芯柱斷裂,偏壓側(cè)混凝土被壓碎,試件破壞形態(tài)表現(xiàn)為整體彎曲破壞,如圖7所示。

圖4 軸壓試件集體照

圖5 試件荷載-軸向位移曲線對(duì)比

圖6 試件端頭壓曲破壞

圖7 試件整體彎曲破壞

在本次試驗(yàn)中,試件FZXB 6-1和FZXD 3-1比較明顯地發(fā)生了整體彎曲失穩(wěn)破壞,而其他試件則發(fā)生了端頭壓曲破壞。

2.1.3 初始軸向剛度的影響因素分析

初始軸向剛度可以通過軸向荷載、試件長(zhǎng)度和軸向位移計(jì)算得出,如公式(1)所示:

EA=PlΔ

(1)

由公式(1)可知,軸向剛度EA為試件軸向荷載P與軸向位移的比值,因此,試件初始剛度的大小可以通過荷載和軸向位移關(guān)系曲線的斜率來衡量。荷載-軸向位移曲線的斜率越大,試件的軸向剛度越大。

通過分析前文圖4中各試件荷載-軸向位移曲線的初始斜率,可以得到各變化因素對(duì)初始軸向剛度影響:由圖4a可見,隨著鋼管壁厚增加,試件的初始軸向剛度會(huì)略有增大;由4b可見,采用刀鉸支座的試件的初始軸向剛度比不采用刀鉸的要小些,添加粉煤灰對(duì)試件的初始軸向剛度基本沒有影響;由圖4c可見,添加混凝土塊體對(duì)試件的初始軸向剛度基本沒有影響;由圖4d可得,長(zhǎng)細(xì)比對(duì)初始軸向剛度有明顯影響,長(zhǎng)細(xì)比越大,試件軸向剛度越小;由圖4e可得,提高再生骨料取代率會(huì)減小試件的初始軸向剛度,但減幅較小。

2.2 試件承載力影響因素分析

2.2.1 鋼管壁厚的影響

由表5可知,隨著鋼管壁厚增加,試件承載力明顯隨之增加,最少的提高52.3%,最多的提高73.2%,說明方鋼管壁厚對(duì)軸壓試件承載力影響特別顯著。

表5 不同壁厚下試件承載力對(duì)比

2.2.2 再生粗骨料取代率的影響

由表6可知,隨著取代率增加,試件承載力隨之降低,最多降6.3%,可見添加再生骨料對(duì)試件的承載力影響較小。

表6 不同取代率下試件承載力對(duì)比

2.2.3 支座形式的影響

由表7可知,支座加刀鉸試件的承載力比不加刀鉸試件的承載力有所降低,最少降低了1.8%,最多降低了8.8%。

表7 不同支座形式的試件承載力對(duì)比

2.2.4 長(zhǎng)細(xì)比的影響

由表8可知,其他條件相同情況下,長(zhǎng)細(xì)比從34.6增加到69.3,試件的承載力隨之下降,降低了23.8%,說明長(zhǎng)細(xì)比對(duì)軸壓試件承載力影響明顯。

表8 不同長(zhǎng)細(xì)比下試件承載力對(duì)比

2.2.5 添加材料的影響

由圖9可知，試件添加塊體或粉煤灰后,試件承載力均有所降低,添加混凝土塊體的試件承載力降低了7.3%,添加粉煤灰的試件承載力最多降低了19.4%。

表9 不同添加劑下試件承載力對(duì)比

3 結(jié) 論

(1) 方鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱與方鋼管混凝土長(zhǎng)柱破壞過程和形態(tài)相同,破壞形態(tài)分為端頭壓曲破壞和整體彎曲失穩(wěn)破壞兩種,都具有良好的承載力。

(2) 試件的承載力隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加明顯下降,隨著鋼管壁厚的增加顯著提高;支座形式對(duì)承載力有一定影響,不加刀鉸的試件承載力比加刀鉸的試件承載力大;添加粉煤灰、塊體都會(huì)使試件承載力下降。

(3) 增加再生骨料取代率會(huì)略微降低軸向剛度;長(zhǎng)細(xì)比越大,試件軸向剛度越小;增加鋼管壁厚會(huì)略微增加試件的初始軸向剛度;有刀鉸的支座軸向剛度更小;使用粉煤灰和塊體作為添加劑對(duì)試件的初始軸向剛度基本沒有影響。