方鋼管約束再生混凝土短柱軸壓受力性能試驗研究

朱 闖 曾會淋 談明睿

(1.吉林省熱力工程設計研究有限責任公司，吉林 長春 130000； 2.長春海勝房地產開發有限公司，吉林 長春 130102; 3.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026)

1 概述

廢棄混凝土回收再利用是綠色節能建材領域關注的熱點問題。將再生混凝土灌入鋼管，形成鋼管約束混凝土柱，是較好的工程應用方向之一。鋼管約束混凝土柱由于具有連接方便、鋼管無屈曲、軸壓比限值高等眾多優點，周緒紅、劉界鵬、韓林海等學者對鋼管約束混凝土進行了系統的試驗及理論研究[1-4]，陳宗平、肖建莊等學者針對鋼管約束再生混凝土軸壓短柱的受力性能進行了試驗與理論研究[5,6]，由于再生粗骨料的差異性，目前尚無相關規范應用，因此對其開展進一步的試驗研究尤顯必要。本文針對9根方鋼管約束再生混凝土短柱進行軸壓承載試驗，研究了再生粗骨料取代率對構件軸壓受力性能的影響，可為鋼管約束混凝土柱的進一步工程應用提供一定參考。

2 試驗設計

2.1 試件設計

試驗設計了9根方鋼管約束再生混凝土短柱，以粗骨料取代率為主要試驗研究參數。粗骨料取自廢棄混凝土，經破碎、篩分、清洗和烘干后制作成再生粗骨料，天然粗骨料和再生粗骨料采用同標準篩分，顆粒級配為連續粒級5 mm～35 mm，相關物理性能指標如表1所示。試驗中粗骨料取代率分別取0%，50%和100%。再生混凝土配制按照總的粗骨料重量保持不變的原則，粗骨料取代率變化時相應地改變對應粗骨料的比例。試驗設計3組(9根)素混凝土對比柱，粗骨料取代率分別取0%，50%和100%對應的素混凝土短柱實測軸心抗壓強度分別為30.8 MPa，28.4 MPa和25.3 MPa。

表1 天然骨料和再生粗骨料的物理性能指標

鋼管外邊長為120 mm，壁厚為3 mm，鋼管采用Q235，試件高度均為450 mm，試件尺寸及方鋼管端部斷縫處理如圖1所示。

2.2 試件加載

試驗加載在200 t壓力試驗機上進行，在試件半高處沿四周布置橫向應變片和縱向應變片，試件四角布置四個位移計用于測量試件豎向位移。加載裝置及測點布置如圖2所示。

3 試驗結果分析

方鋼管約束再生混凝土短柱峰值荷載試驗數據如表2所示，試件峰值荷載隨再生粗骨料取代率的增加而略有降低。當再生粗骨料取代率從0%增加到100%，試件FG-1.0-7相對于試件FG-0-1峰值荷載下降13.28%。

表2 試件峰值荷載試驗數據

3.1 破壞形態

試件加載初期處于彈性階段，隨著外荷載的持續增加，試件加載到達峰值荷載時鋼管變形不明顯，鋼管屈服發生在峰值荷載之后，試件最終發生斜壓破壞。試驗加載后期部分試件端部縫隙混凝土被壓碎，為避免試件中部鋼管豎向受力，當端部鋼箍和中部鋼管接觸時，試驗加載終止。部分試件的破壞形態如圖3所示，白色虛線為核心混凝土的剪切滑移面。

3.2 荷載—應變曲線

鋼管約束再生混凝土柱的豎向荷載—位移關系曲線如圖4所示，隨著再生骨料取代率的不斷增加，試件的峰值荷載略有降低，鋼管屈服發生在荷載—位移曲線下降段，構件達到峰值荷載后，由于核心混凝土發生破壞，端部斷縫處混凝土被壓碎，鋼管開縫閉合，導致鋼管豎向開始受力。圖5給出了不同再生粗骨料取代率條件下，試件鋼管環向最大應變與荷載的關系曲線，試件在達到峰值荷載前，試件鋼管環向應變增加較為緩慢，到達峰值荷載后，核心混凝土壓碎導致鋼管環向應變迅速增加。

4 承載力計算

方鋼管約束再生混凝土試件截面存在有效約束區和非有效約束區，參照文獻[2]中有關假定，取核心混凝土距離角部0.1B范圍內為有效約束區，邊緣0.8B范圍內為非約束區，非有效約束區的邊緣線為1/4圓弧，截面有效約束區分布如圖6所示。

基于統一強度理論，鋼管約束再生混凝土短柱的極限承載力采用式(1)進行計算：

Nu=fccAc

(1)

其中，Nu為方鋼管約束再生混凝土短柱的軸壓極限承載力；fcc為方鋼管約束核心再生混凝土強度；Ac為鋼管約束再生混凝土柱的截面面積。

約束混凝土強度采用經典的Mander[8]模型利用式(2)進行計算：

(2)

(3)

σhp=0.1(B/t)0.5f215

(4)

(5)

(6)

試件極限承載力試驗數據和理論計算結果比較如圖7所示，試件計算值小于試驗值，表明理論計算略偏于保守，偏差最大范圍在10.0%左右，表明試驗值與計算值吻合較好。

5 結語

1)隨再生粗骨料取代率增加，試件峰值荷載略有降低，取代率從0%增加到100%，試件FG-1.0-7相對于試件FG-0-1峰值荷載下降13.28%。

2)參考Mander模型給出了方鋼管約束再生混凝土短柱的軸壓承載力計算公式，理論計算與試驗結果吻合較好。