钢管再生混凝土力学性能研究动态分析

李 佳，宋 鑫 (长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

钢管再生混凝土力学性能研究动态分析

李 佳，宋 鑫 (长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

钢管再生混凝土是一种新型的组合结构，一方面钢管的约束效应作用弥补了再生混凝土的力学性能、耐久性能、变形性能较低的缺陷，另一方面再生混凝土可以增强钢管壁的稳定性。这种新型的组合结构形式为废弃混凝土的再利用提供了一种新的途径。系统介绍了国内外关于钢管再生混凝土组合结构的研究成果：钢管再生混凝土的力学性能与普通钢管混凝土的力学性能形似，再生混凝土的取代率、再生混凝土强度、外加剂等因素对钢管再生混凝土的力学性能有较大影响，并通过对钢管再生混凝土力学性能研究动态的分析，指出了目前相关研究的不足之处，提出了有待进一步研究的方向。

钢管再生混凝土；轴压力学性能；压弯力学性能；荷载作用；滞回性能

大规模新建期的房屋大多建于二战以后，标准低、质量差。随着经济的发展，人们对居住要求的提高以及土地资源的稀缺，大量房屋被拆除，由此产生大量的废旧混凝土。另一方面，强烈自然灾害尤其是强烈地震，造成大量房屋倒塌，由此也产生了大量废弃混凝土。这些废旧的混凝土不仅带来占地问题，而且产生环境污染问题。回收利用这些废旧混凝土已成为学术界和工程界共同关注的热点问题之一[1]。有关学者提出了再生混凝土技术，实现了废旧混凝土的有效利用，减轻了环境污染问题，同时减轻了由于开采矿石带来的环境破坏问题，节约了天然矿产资源。但是，由于再生混凝土的强度、弹性模量等性能相对普通混凝土均有所减低，在一定程度上制约了再生混凝土在工程中的运用和推广。为了弥补再生混凝土存在的缺陷，有学者提出将再生混凝土填入到钢管中，利用钢管与再生混凝土的相互作用，弥补各自性能上的不足，形成一种新的结构形式——钢管再生混凝土[2]。为了使这种新的结构形式能够运用于实际工程，国内外学者进行了深入的研究，取得了一定成果[3-6]。

国内外关于钢管再生混凝土力学性能的研究起步较晚，国外在这方面研究还很少见报道。在国内，福州大学较早开始进行这方面的研究工作，进行了一系列相关试验研究和理论研究，取得了一定成果[3,7-8]。随后，其他高校也相继开展了各有关钢管再生混凝土力学性能方面的研究[6,9-11]。下面，笔者系统介绍了国内外关于钢管再生混凝土组合结构的研究成果，并通过对钢管再生混凝土力学性能研究动态的分析，指出了目前相关研究的不足之处，提出了进一步研究的方向。

1 钢管再生混凝土力学性能研究

1.1再生混凝土柱轴压力学性能研究

轴压力学性能研究是研究其他力学性能的基础，因此国内外关于钢管再生混凝土的研究是从轴压力学性能开始着手，也是研究比较多的。

日本学者Konno最早开始进行钢管约束再生混凝土的研究。研究表明，钢管约束再生混凝土柱试件的力学性能与钢管普通混凝土柱类似，具有良好的延性，但是由于核心再生混凝土的强度以及弹性模量相比于普通混凝土有所降低，从而使试件的刚度和承载力低于钢管普通混凝土柱试件[2]。

2000年以来，国内福州大学、哈尔滨工业大学、四川大学、西南交通大学等高校相继进行了钢管再生混凝土力学性能方面的研究[3，6-11]。通过相关文献的统计、归纳和分析表明，在进行钢管再生混凝土轴压研究过程中，考虑影响其力学性能的因素主要包括试件截面形式、再生混凝土取代率、再生混凝土强度和外加剂。其中，试件截面形式主要设计形式为圆形和方形。同时为了体现钢管再生混凝土的差异性，在试验过程中有些研究者还设计了钢管普通混凝土试件和钢筋普通混凝土试件与之对比。研究表明，钢管再生混凝土和钢筋再生混凝土的力学特性分别与相应的钢管普通混凝土和钢筋普通混凝土相似[4]。从破坏形态来看，钢管普通混凝和钢管再生混凝土轴压短柱的典型破坏模态差别不大[4，12], 当钢管再生混凝土轴压短柱的套箍系数较小 (ξlt;1. 0)时，试件均发生剪切破坏，同时伴随有局部鼓曲现象发生[5，13]。从试件截面应力来看，与钢管普通混凝土轴压试件类似，对于圆形截面再生钢管混凝土试件截面各点的约束力基本相同，而对于方形截面钢管再生混凝土试件约束力集中于截面角部较小范围内，此范围之外的约束力均较小，约束力的变化趋势为随着与角部距离的增加而迅速减小[12]。从荷载-应变全过程来看，与钢管普通混凝土柱轴压类似，钢管再生混凝土在轴向压力作用下，由于钢管的约束作用，再生混凝土处于复杂点的应力状态下，强度得到明显提高，塑性变形性能明显得到改善，受力过程基本一致[12，14]。

在关于再生混凝土取代率对钢管再生混凝土轴压力学性能影响方面，不同的研究者得出了不同的结论。杨有福等[4，13-14]研究表明，再生混凝土的取代率的变化对钢管再生混凝土和钢筋再生混凝土轴压短柱的破坏过程和形态没有明显的影响；再生混凝土的取代率的增加，试件极限承载力呈减低趋势。另一方面，Chen[15-16]发现，随着再生粗骨料取代率的增加，试件极限承载力呈上升的趋势，但最大差异不超过10%。此外，钢管再生混凝土构件承载力略高于普通钢管混凝土构件[17]，在配钢率相同的条件下，钢管再生混凝土柱试件轴压极限承载力小于普通钢管混凝土极限承载力[4]。

文献[18]研究了外加剂对钢管混凝土力学性能的影响。研究表明，聚异氰酸盐对钢管混凝土的改性能力不是很明显，而在钢管再生混凝中掺入干冰会对其强度产生不利影响。

1.2钢管再生混凝土压弯力学性能研究

目前，关于钢管再生混凝土构件的纯弯、偏压等力学性的研究还比较少。文献[3]进行了2根普通钢管混凝土和8根钢管再生混凝土的纯弯力学试验研究。研究表明，随着再生粗骨料取代率的增加，钢管再生混凝土的抗弯刚度和极限弯矩呈现下降趋势。文献[19]进行了6根普通钢管混凝土柱试件的研究和24根钢管再生混凝土泵偏压力学性能试验研究，试验结果表明，钢管再生混凝土柱试件破坏形态与钢管普通混凝土柱试件破坏形态相似，随着再生粗骨料取代率或荷载偏心率的增加其极限承载力在减低。

1.3钢管再生混凝土长期荷载作用下的力学性能研究

再生混凝土的收缩、徐变问题一直是该领域研究人员关注的问题之一[6,20]。杨有福[21-22]对长期荷载作用下钢管再生混凝土构件的变形特性和力学性能进行了研究。研究表明，钢管再生混凝土中核心混凝土的收缩和徐变变形比相应钢管普通混凝土中核心混凝土的收缩和徐变高约6%～23%，；ACI1209模型能很好的预测核心再生混凝土的收缩和徐变系数。

1.4钢管再生混凝土往复荷载作用下的滞回性能研究

文献[23]进行了22根钢管再生混凝土柱试件和6根钢管普通混凝土试件在往复荷载作用下的试验研究。研究表明，在恒定的轴压力和往复荷载作用下，钢管再生混凝土和普通钢管混凝土柱试件的滞回性能非常相似，试件的破坏形态均为整体压弯破坏；随着再生混凝土粗骨料取代率的增加，试件在初始阶段的刚度随之变小，但是对试件的骨架曲线影响较小；钢管再生混凝土的承载力和抗弯刚度略低于普通钢管混凝土柱试件，而延性略有提高。文献[24]进行了6根圆钢管、4根方方钢管和4根菱形钢管再生混凝土柱在往复荷载作用下的抗震性能的试验和数值模拟研究。研究表明，在其他条件基本相同情况下，截面形式对钢管再生混凝土柱的抗震性能有明显影响，圆截面柱抗震性能最好，方截面柱抗震性能次之；在其他条件基本相同情况下，剪切承载力和变形能力随轴压比的增加而增大；同时给出了不同截面形式下柱极限轴压比值的建议。

2 钢管再生混凝土研究现状分析

通过对钢管再生混凝土研究成果的整理和分析，发现目前钢管再生混凝土的研究对象为柱，而且主要研究的是短柱，针对钢管再生混凝土长柱的研究还未见报道。目前针对钢管再生混凝土的研究还仅仅停留在构件层次，还没有进行相关节点的、框架的试验和理论研究。针对钢管混凝土压弯、长期荷载作用下性能以及动力性能的试验研究和理论研究还比较少，其考虑的影响因素不够全面，供相关规程起草的依据很有限。目前所研究的钢管再生混凝土柱的截面形式大多集中在圆形截面和方形截面，而针对于矩形截面、椭圆形截面和异形截面的研究还未见报道。

3 钢管再生混凝土研究展望

目前对钢管再生混凝土的研究表明，在一次加载下的静力性能、长期荷载作用下的性能和动力性能都有良好的表现，是未来再生混凝土在结构应用中的重要途径之一。除解决钢管再生混凝土研究中的不足之处，进一步研究的方向还应着手解决钢管再生混凝土抗火设计问题、钢管再生混凝土火灾后力学性能问题、钢管再生混凝土震后损伤检测和维修加固问题等。

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[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.03.036

TU528.59

A

1673-1409(2012)03-N109-03

2011-12-27

李佳(1987-)，女，2009年大学毕业，硕士生，现主要从事钢-混凝土组合结构方面的研究工作。