带肋薄壁方钢管再生块体混合柱力学性能研究

郑玉今 张 平

(1.延边大学，吉林 延边 133002;2.天津天朗建筑设计有限公司，天津 300392)

0 引言

随着建筑业的快速发展，建筑物拆除过程中产生大量的建筑垃圾，其中30%～40%为废弃混凝土，由此引起的资源浪费、环境污染等问题已受到学术界和工程界的高度重视。目前，国内外学者对采用废弃混凝土作为再生骨料配置成的再生混凝土进行了较多的研究［1，2］，并将应用于道路和建筑物基础垫层［3］以及钢筋混凝土建筑结构工程中［4，5］。然而，相对于普通混凝土，再生混凝土强度、弹性模量较低、耐久性能较差且工程成本较高，不利于其在实际工程结构中的应用。

为了有效利用再生混凝土，在提出钢管再生混合构件的概念及研究的基础上［6-10］，即将大尺度废弃混凝土直接放入钢管内部，然后在二者之间浇筑新混凝土形成混合构件;同时为了改善薄壁方钢管的受力性能，在钢管管壁设置纵向加劲肋，形成带肋薄壁方钢管混凝土，纵向加劲肋不仅延缓钢管的局部屈曲，还提高了钢管对混凝土的约束作用。因此，本文对相同用钢量的带肋薄壁方钢管再生块体混合柱和加大截面的普通薄壁方钢管再生块体混合柱力学性能进行了对比试验研究。

1 试验设计与方法

1.1 试件设计

试验设计了2组6个薄壁方形钢管再生块体混合短柱试件(L/D=3.0)，混合比分别为25%和35%，为了对比用钢量相同的情况下，在薄壁方钢管160 mm×160 mm为对比柱的基础上，通过在薄壁方钢管管壁焊接加劲肋20 mm呈带肋试件和薄壁方钢管截面尺寸增加20 mm呈180 mm×180 mm试件来满足用钢量相同。试验当天采用钻芯法实测废弃混凝土的立方体抗压强度fcu1=27.5 MPa，试验当天实测现浇混凝土的立方体抗压强度 fcu2=38.3 MPa。η为混合比，即钢管内部废弃混凝土质量与全部混凝土质量之比;ξ为试件套箍系数，ξ=Asfy/(Acfcy)，本文中的fcy指废弃混凝土再生块体与新拌现浇混凝土的组合强度，按以下公式计算:

各试件的基本参数见表1。

本次试验中，新拌现浇混凝土采用 C30强度等级，P.O42.5级普通硅酸盐水泥，中砂和最大粒径为40 mm的碎石。废弃混凝土取自一年前延边大学公寓区大食堂拆除的钢筋混凝土梁、柱，去除了保护层、纵筋、箍筋之后的核心部分，制备成所需块体备用，粒径大致为40 mm～60 mm，如图1所示。

1.2 试件制作与养护

钢管按设计尺寸加工，保证两端截面平整及焊缝质量，使盖板与方形钢管几何对中。钢管采用冷弯成型，内壁加劲肋在钢板上焊接后再冷弯成型，在距角部1/4边长处实施封闭焊;钢管两端各设置厚度为10 mm的盖板，上端盖板中心处开设直径为80 mm的圆孔，以方便浇筑混凝土;浇筑后将混凝土端面与上盖板持平，并保证混凝土浇筑的密实度。

表1 试件基本参数

图1 块体照片

块体型薄壁方形钢管再生混合短柱制作时，首先从上端盖板留有80 mm的圆孔处灌入约20 mm厚的现浇混凝土，再将现浇混凝土与再生块体交替加入方形钢管内部，通过铁棒使再生块体在试件内分布均匀并不断振捣(注:所有再生块体均先浇水充分湿润)，每层块体的添加厚度大致为60 mm～80 mm，边浇筑边在振捣台上振捣密实，块体加入至低于钢管开口面约20 mm处，最后再用现浇混凝土填满并与盖板抹平，试件上端口自然养护，养护至28 d后试压。

如图2所示为试件制作过程的典型照片。

1.3 试验加载及量测

试验在延边大学结构实验室5 000 kN长柱液压式压力机上进行。在试件中截面测点 1，2，3，4 和角部测点 5，6，7，8 各设置了纵向横向应变片以观测试件受力过程中应变的变化情况，并用压力机自带的位移计测定试件的纵向变形。

试件与加载装置几何对中，试验采用分级加载制，弹性范围内每级荷载为预计极限荷载的1/10。

当钢材达到屈服点或钢管发生局部屈曲后，每级荷载约为预计极限荷载的1/15。每级荷载的持荷时间约为2 min，接近破坏时慢速连续加载，直至试件破坏。试验过程中的应变数据均通过DH3816静态应变采集仪自动采集，位移数据和荷载值人工读取。图3为加载与测试装置。

图2 试件制作过程的典型照片

图3 试验装置及测点布置

2 试验结果与分析

2.1 试验破坏现象

试验过程中，160 mm×160 mm的带肋薄壁试件与加大截面尺寸180 mm×180 mm试件的宏观破坏现象较为相似，主要表现为:加载初期试件处于弹性阶段;随着荷载增加，短柱分别在荷载达到极限荷载的75%～85%时钢管屈服;随后柱顶附近钢管因盖板约束效应出现局部屈曲并持续发展，带肋试件钢管管壁出现两个半波，加大截面试件仍是在钢管管壁出现一个半波;极限荷载之后，内部混凝土已被压碎，随着试件轴向变形的增加，试件的荷载先明显降低而后基本保持稳定。试件的主要破坏形态为腰鼓形压皱破坏，见图4。

图4 试件的典型破坏形态

2.2 试件荷载—轴向变形曲线的特点

薄壁方形钢管再生块体混合短柱的荷载—竖向变形曲线，取位移计测得的试件整体的纵向压缩变形，见图5。通过对图5进行对比分析并总结，可以看出:

1)各试件的荷载—变形曲线由上升段和下降段组成，其中下降段总体呈现荷载随位移增加开始降低明显，随后渐趋平缓的趋势，从而表现出与文献［9］中厚壁试件的荷载—变形曲线后期仍持续上升明显不同的特征，这主要是由于薄壁钢管对混凝土的约束作用较弱的缘故。

2)混合比在25%～35%时，用钢量相同的带肋试件和加大截面试件的极限轴压承载力分别比对比柱偏大29.1%～47.6%和34.1%～47.4%。

3)用钢量相同时，带肋试件和加大截面试件具有相近的轴压承载力，二者曲线非常接近，且极限荷载之后，带肋试件曲线比加大截面尺寸试件更加平缓。

图5 试件的轴向荷载—竖向变形曲线

3 结语

基于上述分析结果，在本文研究参数范围内，可得出如下结论:

1)薄壁方形钢管再生块体混合短柱的荷载—变形曲线由上升段和下降段组成，下降段总体呈现出荷载随位移增加开始降低明显随后渐趋平缓的趋势。

2)用钢量相同时，带肋试件和加大截面试件的极限轴压承载力均比对比柱有很大的提高，且带肋试件和加大截面试件具有相近的轴压承载力，极限荷载后，带肋试件比加大截面试件更加平缓，表现出更加优越的力学性能。

3)在具有相近的轴压承载力时，带肋试件的截面面积明显小于加大截面试件的截面面积。

［1］Hansen T C.Recycled aggregate and recycled aggregate concrete:second state of art report，development from 1945-1985［J］.Material and Structures，1986，19(5):201-246.

［2］肖建庄.再生混凝土［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008:5-7.

［3］施钟毅，李 阳.再生混凝土的试验研究与工程应用［J］.粉煤灰，2004，4(3):3-4.

［4］张传增，肖建庄，雷 斌.德国再生混凝土应用概述［A］.首届全国再生混凝土研究和应用学术交流会论文集［C］.上海:同济大学，2008:44-50.

［5］韩继红，张 颖.沪上·生态家解读［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010:60-67.

［6］吴 波，刘琼祥，刘 伟，等.钢管再生混合构件初探［J］.工程抗震与加固改造，2008，30(4):120-124.

［7］吴 波，刘 伟，刘琼祥，等.钢管再生混合短柱的轴压性能试验［J］.土木工程学报，2010，43(2):32-38.

［8］吴 波，刘 伟，刘琼祥，等.薄壁钢管再生混合短柱轴压性能试验研究［J］.建筑结构学报，2010，31(8):22-28.

［9］吴 波，许 喆，刘琼祥，等.薄壁钢管再生混合柱的抗剪性能试验［J］.土木工程学报，2010，43(9):12-21.

［10］刘琼祥，吴 波，蔡庆雄，等.钢管再生混合柱在紫金县文化活动中心的应用［J］.建筑结构，2011，41(5):9-12.