方钢管再生混凝土短柱的轴压力学性能试验

张继承，申兴月，王静峰，杜国锋，王科辉

(1.长江大学城市建设学院， 湖北荆州434023；2.长江大学结构工程与防灾研究所， 湖北荆州434023)



方钢管再生混凝土短柱的轴压力学性能试验

张继承1,2，申兴月1，王静峰1，杜国锋1,2，王科辉1

(1.长江大学城市建设学院， 湖北荆州434023；2.长江大学结构工程与防灾研究所， 湖北荆州434023)

为研究钢管宽厚比及再生骨料取代率对方钢管再生混凝土短柱力学性能的影响，设计9根方钢管再生混凝土短柱进行了轴压试验，观察了试件在轴压力作用下的破坏过程，分析了钢管宽厚比和再生骨料取代率对试件荷载—位移和荷载—应变曲线的影响。结果表明，宽厚比及再生骨料取代率对钢管再生混凝土短柱的最终破坏形态影响不大，与普通钢管混凝土短柱相似，各试件均呈剪切破坏，最终破坏时，其纵向变形均超过30 mm；随着再生骨料取代率增大，荷载—位移曲线下降段越陡，但随着钢管宽厚比的增大，再生骨料取代率超过30%后，试件极限承载力越接近，说明考虑再生骨料取代率的不利影响更合理。最后结合试验提出了钢管再生混凝土短柱承载力计算方法，将计算结果与相关规程进行了对比，供工程应用参考。

方钢管再生混凝土；宽厚比；再生骨料取代率；承载力

与普通混凝土相比，再生混凝土因内部存在不同程度的损伤，导致其强度、抵抗变形能力以及耐久性等性能较差，这阻碍了再生混凝土在实际工程中的应用。若将再生混凝土与普通混凝土按一定比例混合后填入钢管，因钢管对内部核心混凝土有一定的约束作用，在三维的受压状态下再生混凝土的力学性能将会得到较明显改善，因此对钢管再生混凝土的力学性能的具体研究，有利于再生混凝土的进一步推广和应用。

目前，国内外学者采用研究普通钢管混凝土的方法对钢管再生混凝土短柱的力学性能进行了相关研究，并取得了丰硕成果[1-10]。陈宗平等[7]进行了方、圆钢管再生混凝土短柱的轴压试验，试验中考虑了不同的再生骨料取代率对试件承载力的影响，分析了不同加载阶段轴压短柱的受力特性，结果显示，当再生骨料取代率大于50%后，承载力有所降低。何东等[9]对钢管再生混凝土的荷载—变形全过程进行了数值模拟，并用试验结果验证了模型的正确性，两种方法均表明再生骨料取代率对极限承载力有影响；陈梦成等[10]以混凝土骨料类型和圆钢管尺寸为试验参数，对6根短柱进行了轴压试验，并运用有限元软件ABAQUS进行了数值模拟，结果表明，有限元计算的结果是偏于安全的， 说明有限元方法可用于钢管再生混凝土短柱承载力计算。

但据现有文献来看，有关再生骨料取代率对试件承载力影响的报道仍较少，因此本文拟以钢管宽厚比及再生骨料取代率为试验参数，对方钢管再生混凝土短柱轴压力学性能进行分析，并由此提出承载力计算方法。

1　试验概况

1.1试件设计与制作

为研究内填混凝土中再生骨料的取代率及外包钢管宽厚比对钢管再生混凝土短柱承载力的影响，本文采用正交试验法，共设计长度450 mm的短柱9个，各试件具体参数见表1。

试验使用的材料主要有材质为Q235的无缝方钢管、强度等级32.5的普通硅酸盐水泥、天然碎石、水、河砂、再生粗骨料、再生细骨料和高效减水剂FDN-5，其中再生骨料取自某质检站，再生粗骨料和再生细骨料为该质检站的废弃混凝土标准试块经破碎机和人工锤击后筛分得到，再生细骨料粒径为5～10 mm，再生粗骨料粒径为10～20 mm，天然骨料级配良好，拌制混凝土前先将天然骨料和再生骨料表面的泥浆用水清洗干净，然后将骨料和筛过的砂烘干。各钢管内填混凝土配合比相同，即水泥∶砂∶骨料∶水=491∶627∶1 134∶147，减水剂的用量为水泥用量的1%，所配混凝土中再生骨料的含量根据试验要求分别占所用骨料的0%、30%和60%，其中再生细骨料均为再生骨料的30%。钢材的力学性能指标和内填混凝土28 d的立方体抗压强度见表1。

注：1. RCFSST3-00，RCFSST即Recycled concrete filled short steel tubular columns，指钢管再生混凝土构件，3表示钢管厚度为3 mm，00表示再生骨料的取代率为0%。2.基本参数中，B代表方钢管截面外边长；t为钢管壁实测厚度；L为短柱长度；η为内填混凝土中再生骨料取代率；B∶t为钢管宽厚比；fy为钢管屈服强度；fcu为内填混凝土的立方体抗压强度；Pue为轴压试验测得的试件极限荷载。3.试件RCFSST4-30数据采集失败。

1.2加载装置及测点布置

图1　加载装置Fig.1　Loading device

试验在某结构实验室进行，加载装置见图1，加载装置为量程5 000 kN的微机控制液压伺服压力机。为使外包钢管与核心混凝土在加载过程中同时受压，试验前，先用打磨机将混凝土和钢管上表面打磨平整，然后将试件直接放在压力机的加载平台上。为保证试件在加载过程中始终处于轴压状态，在试件顶部放一个球形铰，使球铰中心与试件形心在同一铅垂线上；同时为确保加载装置和数据采集系统能正常工作，在正式加载前施加150 kN的压力进行预加载，然后卸载。

为测量试件的纵向变形和钢管应变，在试件每侧均布置一个YHD-100型位移计，位移计一端顶在球铰平板面上；同时在试件每个面中央高度截面处沿横、纵向各布置一对电阻应变片，应变和位移均通过DH3816型静态应变测量系统采集。

1.3试验加载方案

采用分级加载制度，当荷载达到预计极限荷载的0.6倍前，每级荷载为预计极限荷载的1/15；当荷载超过预计荷载的0.6倍后，每级荷载为预计极限荷载的1/30，每级荷载持续2 min后采集数据并进入下一级加载。当试件位移发生突变，表示试件屈服，此时连续加载，并不断采集位移和应变，直到试件承载力下降至极限荷载的85%以下或加载位移超过30 mm，停止加载。

2　试验现象

所有试件的破坏形态类似，试件破坏形态见图2,图2中从左至右试件编号与表1中从上至下编号对应，可以看出方钢管再生混凝土轴压短柱和普通方钢管混凝土轴压短柱的受力特征相似。试件在加载前期即弹性阶段时没有较明显变化，随着轴向荷载的逐渐增大，试件进入弹塑性阶段时，钢管壁中央高度以上铁锈较厚处，铁锈开始慢慢出现起皮现象，甚至掉落，钢管端部表面开始出现斜向的剪切滑移线，随着荷载增大逐渐明显，同时逐渐向试件中部扩展；试件在达到极限荷载前钢管还没有明显的鼓曲，临近极限荷载时，试件1/4高度处的钢管局部外凸，并发生较大的竖向位移，其中再生骨料取代率为60%的试件轴向变形最明显，这与混凝土中再生骨料的内部存在较小裂缝有关；随着荷载的继续增大，试件变形加速，距柱两端面1/4～1/3高度处钢管横向突起约1.5～4.0 mm；超过峰值荷载后，试件承载力快速下降，钢管急剧变形。试件RCFSST4-00、RCFSST5-00、RCFSST4-60和RCFSST6-60中央高度处钢管角部出现破裂，有被压碎的混凝土小块体掉出；在试件RCFSST4-00、RCFSST5-00、RCFSST5-30、RCFSST4-60和RCFSST6-60中央高度处钢管鼓凸较大的面上纵向应变片均出现滑移。试件破坏时，钢管上未滑移的应变片均出现溢出现象，最终试件纵向变形均超过了30 mm，试验过程中能听到混凝土被压碎的声音。

图2　试件的破坏形态

3　主要试验结果及分析

3.1荷载—位移关系曲线

以4个位移计测得的试件压缩量平均值为横坐标，轴向荷载为纵坐标，得到各试件的荷载—位移曲线，见图3。方钢管再生混凝土轴压短柱和普通方钢管混凝土轴压短柱的荷载—位移关系曲线发展过程基本相同，都有弹性和塑性发展过程。在0.65～0.85倍极限荷载前，试件的荷载—位移关系曲线呈线性上升，试件处于弹性阶段，随后继续加载，试件逐渐进入塑性阶段，曲线开始出现较小偏转。

(a) B∶t=57.7

(d) η=0%

图3(a)、(b)、(c)给出了钢管宽厚比相同的情况下，不同再生骨料取代率的试件荷载—位移关系曲线。由图3可知，在钢管宽厚比较小的试件中，再生骨料取代率对钢管极限承载力影响很明显，试件极限承载力随着再生骨料取代率的增大而降低；在增大钢管宽厚比后，再生骨料取代率对试件的极限承载力的影响有所降低；在钢管宽厚比相同时，试件在弹性阶段和弹塑性阶段的刚度基本相同，但随着再生骨料取代率的增大，试件达到峰值荷载后承载能力降低更快，这是因为再生骨料内存在较多不可避免的微小裂缝，随着再生骨料的比例增加，试件在相同的轴向压力作用下，发生了较大的纵向变形。

图3(d)、(e)、(f) 给出了再生骨料取代率相同的情况下，不同钢管宽厚比的试件荷载—位移关系曲线。由图3可知，再生骨料取代率小于30%时，宽厚比对构件的极限承载力影响很大，再生骨料取代率相同的试件，宽厚比越小，试件在弹性阶段的刚度越大，且极限承载力也越大，这是钢管的约束作用增大的缘故；当再生骨料取代率达到60%时，宽厚比对构件的极限承载力影响很小，这主要是因为随着再生骨料的比例增加，再生骨料对极限承载力的影响变大，此时钢管的约束作用不再对试件承载力起控制作用。

3.2位移计与纵向应变片测试数据对比

将试件的压缩长度所换算成的纵向应变和4个纵向应变片所测应变的平均值作为横坐标，轴向荷载为纵坐标，各试件可得到两条荷载—应变关系曲线，如图4。由于应变片量程较小，数据极易溢出，且试件破坏时位移迅速增加，故较大的应变均未测到。从图4中可以看出，应变片所测应变较位移计所测位移换算应变偏小，其原因有：①在较大的轴压力作用下，试件上部的球形铰支座平板部分有较小变形，位移计所测的位移中包含这部分；②加载初期无法保证试件端部钢管与混凝土完全平齐，混凝土可能先有压缩变形，所以试件的平均应变以应变片测得应变表示更准确。但两曲线有相同的变化规律，说明钢管与再生混凝土能很好的协同工作，钢管应变能较好的反应试件应变变化趋势。

(a) RCFSST3-00

(d) RCFSST4-00

(g) RCFSST5-30

4　承载力计算

采用国内外方钢管混凝土短柱承载力计算方法对本文中方钢管再生混凝土短柱的极限承载力进行计算，并与试验所得结果进行对比，见表2。从表2中可以看出，未考虑再生骨料取代率影响的计算结果与试验值有较大的误差，韩林海[11]方法计算结果偏大，而BS5400(1979)[12]、DBJ 13-51-2003[13]和GJB 4142-2000[14]三种规程的方法计算值明显偏小，且随着再生骨料取代率的提高，承载力反而增大，这与实际情况不吻合，因此承载力计算中考虑再生骨料取代率的影响会使结果更精确。

表2　极限承载力计算结果与试验值对比Tab.2　Comparison of ultimate bearing capacity of specimens between calculation and experiment

基于以上分析，结合本试验，考虑再生骨料取代率的不利影响，利用极限平衡法，可以得到方钢管再生混凝土极限承载力的计算式为：Pu=φAcfck(1+1.96ξ),其中折减系数φ=1/(0.095η2+0.09η+1.25)，η表示再生骨料取代率，ξ=fyAs/fckAc，fck=0.67fcu。

运用上述拟合公式分别对文献[15]中方钢管再生混凝土短柱和文献[16]中圆钢管再生混凝土短柱进行承载力计算，计算结果见表3和表4。从表3中可以看出，当再生骨料取代率大于20%时，计算结果与试验值很接近，误差5%以内，在工程允许的误差范围；从表4中可知，只有试件CA-9和CA-10计算值与试验值出现了较大偏差，这主要是因为文献[16]中的圆钢管混凝土短柱试件的极限承载力随再生骨料取代率的变化规律不明显，但总体而言，试件计算值与试验值吻合较好，且计算结果偏于安全，说明该式也适用于圆钢管再生混凝土短柱承载力计算。

表3　方钢管再生混凝土短柱承载力计算值与试验值比较Tab.3　Comparison of bearing capacity of recycled aggregate concrete-filled square steel tubular short columns between calculation and experiment

注：D代表方钢管截面外边长；t为钢管壁实测厚度；L为短柱长度；η为内填混凝土中再生骨料取代率；fy为钢管屈服强度；fck为内填混凝土的立方体抗压强度；Pue为轴压试验测得的试件极限荷载；Puc为根据本文公式得到的试件理论计算值。

表4　圆钢管再生混凝土短柱承载力计算值与试验值比较Tab.4　Comparison of bearing capacity of recycled aggregate concrete-filled circular steel tubular short columns between calculation and experiment

注：D代表方钢管截面外边长；t为钢管壁实测厚度；L为短柱长度；η为内填混凝土中再生骨料取代率；fy为钢管屈服强度；fck为内填混凝土的立方体抗压强度；Pue为轴压试验测得的试件极限荷载；Puc为根据本文公式得到的试件理论计算值。

5　结　论

①方钢管再生混凝土轴压短柱同普通方钢管混凝土轴压短柱的受力特征相似，破坏形态呈腰鼓状的剪切破坏。

②宽厚比相同的试件在加载过程中，弹性阶段和弹塑性阶段刚度基本相同，但再生骨料取代率越大，超过峰值荷载后曲线下降段越陡。

③钢管与再生混凝土能很好的协同工作，钢管的应变能较好的反应试件的整体应变趋势。

④试件的极限承载力随钢管宽厚比的增大而增大，但当再生骨料取代率大于30%时，承载力增大的趋势逐渐减弱，当再生骨料取代率达到60%时，不同宽厚比的试件极限承载力基本相同，因此计算试件的极限承载力时，考虑再生骨料取代率的影响后计算结果更加合理。

⑤本文公式可用来计算方钢管再生混凝土短柱承载力，同时在圆钢管再生混凝土短柱承载力计算时也适用。

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(责任编辑唐汉民梁健)

Experiment on mechanical behavior of recycled aggregate concrete-filled square steel tubular short columns under axial compression

ZHANG Ji-cheng1,2, SHEN Xing-yue1, WANG Jing-feng1, DU Guo-feng1,2, WANG Ke-hui1

(1.School of Urban Construction, Yangtze University, Jingzhou 434023,China； 2.Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

In order to research the influence of the width/thickness ratio of steel tube and the replacement ratio of recycled aggregate in core concrete on the mechanical behavior of recycled aggregate concrete-filled square steel tube (RACFSST) short columns, 9 specimens with different parameters were designed and tested under axial compression. The failure process of specimens was observed, and the impact of the width/thickness ratio of steel tube and the replacement ratio of recycled aggregate in core concrete on the loading-longitudinal displacement curves and loading-strain curves of specimens was analyzed. The results showed that the width/thickness ratio and the replacement ratio of recycled aggregate have little effect on the failure patterns of RACFSST short columns, which were similar to the situation of the ordinary concrete-filled steel tube short columns, and the failure pattern of the specimens was shear failure. Its vertical deformation was more than 30 mm eventually. As the replacement ratio of recycled aggregate decreased, the descent stage of load-displacement curves became steeper, but the bearing capacity of the RACFSST short columns was closer to one another with the increase of width/thickness ratio after the replacement ratio of recycled aggregate was over 30%, which indicated that taking the negative influence of replacement ratio of recycled aggregate into account would be more reasonable. Based on the tests, the bearing capacity calculation method of the RACFSST short column is proposed, which could provide practical project with useful reference.

recycled aggregate concrete-filled square steel tube; width/thickness ratio; replacement ratio of recycled aggregate; bearing capacity

2016-04-10；

2016-06-15

国家自然科学基金资助项目(51378077)；湖北省教育厅科学技术研究项目(D20151304)；湖北省大学生创新训练计划项目(104892014001)

张继承(1976—)，男，湖南平江人，长江大学副教授，工学博士；E-mail：719070934@qq.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1008

TU398; U441

A

1001-7445(2016)04-1008-08

引文格式：张继承，申兴月，王静峰,等.方钢管再生混凝土短柱的轴压力学性能试验[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1008-1015.