高温后方钢管全再生混凝土短柱轴压试验研究

苏益声12，但宇1，龙虹任1，柯晓军*12

(1.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西南宁530004)

0 引言

方钢管再生混凝土是在方钢管中填充再生混凝土形成的一种受力性能良好的组合构件，既具备普通方钢管混凝土承载力高、耐火性能较好、塑性和韧性好等优点[1-3]，又能缓解现代建筑垃圾日益突出问题，符合可持续发展的要求，具有良好的经济和社会效益。

国内外学者对常温状态下方钢管再生混凝土柱进行了大量的研究，其中Mohanraj E[4]、陈宗平[5]、陈梦成[6]、张继承[7]等对方钢管再生混凝土柱轴压力学性能进行了试验研究和理论分析。结果表明：方钢管再生混凝土构件与方钢管普通混凝土构件的力学性能类似，具有良好的受力性能，可以应用于工程实际中。面对建筑火灾频发的今天，对火灾(高温)后结构构件的力学性能的研究对建筑物的安全有重要作用。目前，火灾(高温)后方钢管再生混凝土柱的研究十分丰富[8-12]，结果表明：火灾(高温)后方钢管再生混凝土柱仍具有较强的变形能力，但其承载力退化严重。上述研究均是在自然冷却条件下进行的，而对喷水冷却方式下火灾(高温)后方钢管再生混凝土柱的研究还尚未成熟。

为此，通过对9根高温后方钢管全再生混凝土短柱轴压试验，研究历经温度和冷却方式对试件轴压力学性能影响的差异，为该类结构的安全评估及加固提供依据。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

以历经最高温度(20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃)及冷却方式(自然冷却NC、喷水冷却WC)为变化参数设计了9根方钢管全再生混凝土短柱试件，经过高温试验后进行轴心受压试验。试件截面为100 mm×100 mm，高为315 mm。试件实测承载力见表1。

1.2 试验材料

全再生混凝土以C30普通混凝土为标准配制，所用材料有再生粗骨料、P·O 42.5R普通硅酸盐水泥、天然河砂和水。再生粗骨料由废弃混凝土块经人工破碎、筛分、清洗、晒干后所得；钢管采用直焊缝方钢管，边长100 mm，壁厚3.5 mm。钢管试样和混凝土标准试块与试件同批次进行试验，历经相同的高温及冷却方式后，按照标准试验方法，实测全再生混凝土和钢管力学性能指标如表1所示。

1.3 高温试验及加载

高温试验的升温装置采用RX3-45-9型工业箱型电阻炉。试验时，将同一温度的试件和预留材性试样放入高温炉中，升温至预定最高温度并恒温1.5 h，实测升温曲线见图1。然后按照试验设计取出部分试件和预留材性试样进行喷水冷却试验，其余试件留在炉膛内自然冷却。喷水冷却过程中保持用水总量恒定不变，喷水时间为0.5 h。

采用YE-10000F电液伺服液压试验机对试件进行轴压加载。加载制度为位移控制，加载速率为0.01 mm/s，当荷载下降到极限荷载的80 %或试件变形达到26 mm时停止加载。

表1 试件实测承载力及材料性能Tab.1 Measured bearing capacity and material properties of specimen

注：(1)试件命名方法：以S-10-2W为例，S表示方钢管再生混凝土柱，10表示再生骨料取代率为100 %，2表示经历最高温度200 ℃，其中1表示常温20 ℃，W表示喷水冷却；(2)试验压力机故障导致800 ℃时的fcu数据丢失。

2 试验结果分析

2.1 试验现象

高温试验后，历经温度大于等于400 ℃试件的钢管颜色具有明显差异，主要原因是温度达到400 ℃后，钢管表层发生氧化生成Fe2O3等深色氧化层，温度越高，氧化程度越严重，钢管颜色越深。喷水冷却试件的表面颜色要淡于自然冷却，喷水冲刷使部分氧化层脱落。

轴压试验中，方钢管全再生混凝土短柱的破坏形态主要受历经温度影响，冷却方式对其的影响不大。T≤400 ℃时，试件表现为钢管撕裂破坏；T>400 ℃时，试件表现为钢管鼓曲斜压破坏。原因在于：T≤400 ℃时，加载至极限荷载Nu后，试件中部和1/3处的钢管表面局部鼓曲，鼓曲部位与钢管角部鼓曲相接形成45°剪切滑移面，加载后期，鼓曲部位未能闭合形成环状，外部钢管承受荷载较大，钢管角部或焊缝处发生撕裂破坏；T>400 ℃时，加载至0.9Nu后，钢管开始鼓曲，鼓曲部位与低温度试件相似，加载后期，鼓曲部位发育充分而逐渐形成约45°的斜鼓曲环，荷载由外部钢管和鼓曲套箍混凝土共同承受，发生钢管鼓曲斜压破坏。

图2 试件破坏形态Fig.2 Failure mades of specimens

2.2 荷载—位移曲线

图3 试件荷载—位移曲线 Fig.3 Loading-deformation curves of specimens

图3为各试件实测荷载—位移曲线。由图3可知，试件的荷载—位移曲线绝大部分都经历了线性增长、下降、强化回升三个阶段，且随着温度的升高下降段越短，800 ℃时试件已无明显的下降段。原因在于：在缓慢下降阶段，鼓曲区域钢管随荷载的增加而延伸并发展成鼓曲环(或鼓曲带)，由原来的方形截面演变成圆形截面，套箍作用有所增强，利于核心混凝土强度的提高，当混凝土强度提高程度大于温度损伤的影响时，试件承载力就会出现强化回升；随着历经温度的升高，鼓曲荷载逐渐降低，曲线强化回升段逐渐提前，下降段逐渐变短，当T=800 ℃时，强化回升段与下降段重合，承载力下降不明显。

3 影响因素分析

3.1 极限承载力

图4 承载力影响系数变化曲线Fig.4 Bearing capacity influence coefficient curve

为便于分析温度和冷却方式对方钢管全再生混凝土短柱极限承载力的影响，引入承载力影响系数k，即k=Nu(T)/Nu0。其中Nu0为常温下试件极限承载力，Nu(T)为经历高温T后试件的极限承载力，k的变化规律如图4所示。

由图4可知，高温明显降低了试件的极限承载力，自然冷却试件极限承载力降幅为9.5 %～45.4 %，喷水冷却试件极限承载力降幅为11.7 %～38.2 %。自然冷却试件，随着温度的升高，试件极限承载力呈现降低—升高—降低的趋势，在400 ℃时出现强化，主要原因在于T=400 ℃时，混凝土内部自由水蒸发形成大量水蒸气，加速未被熟化水泥颗粒的水化反应，提高全再生混凝土强度，提高程度超过高温损伤对混凝土强度的影响，从而试件极限承载力出现增加。但喷水冷却的骤冷效果，对新水化的混凝土造成温度损伤，导致400 ℃时喷水冷却试件承载力并未出现强化。喷水冷却试件的极限承载力与自然冷却试件相差不大，差值在-6.9 %～13.2 %之间，表明喷水冷却作用对方钢管全再生混凝土短柱的极限承载力影响不大。

3.2 初始刚度

为便于分析温度和冷却方式对方钢管全再生混凝土短柱初始刚度的影响，引入初始刚度影响系数η，即η=K0(T)/K0。其中K0为常温下试件的初始刚度，K0(T)为经历高温T后试件的初始刚度，η的变化规律如图5所示。

由图5可知，初始刚度影响系数η随温度的升高而不断减小，自然冷却试件初始刚度降幅为3.8 %～56.3 %，喷水冷却试件初始刚度降幅为37.8 %～71.7 %。喷水冷却作用对高温后试件初始刚度有二次削弱，降幅在27.6 %～45.4 %之间，且这种削弱程度随着温度的升高有减小的趋势，表明高温和喷水冷却作用均会降低方钢管全再生混凝土短柱的初始刚度，且温度对初始刚度的影响较大。

3.3 刚度退化

试件的轴压刚度随着加载的进行逐渐减退，其减退过程可用刚度退化曲线来反映。以试件的刚度退化指标K(T)/K0(T)为纵坐标，竖向应变ε为横坐标，绘制刚度退化曲线。其中K(T)为试件的割线刚度，K0(T)为弹性阶段试件的初始刚度，刚度退化曲线如图6所示。

图5 初始刚度影响系数变化曲线
Fig.5 Initial stiffness influence coefficient curve

图6 刚度退化曲线
Fig.6 Stiffness degradation curve

试件的刚度退化曲线经历了平台段、快速下降段、平缓下降段、平稳段四个阶段。在加载初期刚度退化曲线首先出现平台段，对应试件荷载—位移曲线的弹性阶段；随着竖向应变ε的增大，试件进入快速下降段，此阶段中钢管内部核心混凝土逐渐开裂，试件刚度退化较快；当ε≥30×10-3时，试件刚度退化变缓，刚度退化曲线出现平缓下降段，这是由于钢管发生鼓曲，使得试件的截面变大，减缓了刚度退化的速率。加载后期，ε≥70×10-3时，试件的割线刚度已严重退化，刚度退化曲线进入平稳段。冷却方式对试件刚度退化的影响不大，两种冷却方式下试件刚度退化曲线下降段斜率相近。

3.4 延性性能

图7 延性影响系数变化曲线Fig.7 Ductility influence coefficient curve

延性系数μ可以反映结构塑性变形的能力，其数值为破坏位移(承载力下降为峰值荷载的85 %即为破坏)与屈服位移的比值。为便于分析温度和冷却方式对方钢管全再生混凝土短柱延性系数的影响，引入延性影响系数β，即β=μ(T)/μ0。其中μ0为常温下试件的延性系数，μ(T)为经历高温T后试件的延性系数，η的变化规律如图7所示。

由图7可知，随着温度的升高，试件的延性呈现先降低后升高的趋势，在T=400 ℃时出现转折。主要原因在于T=400 ℃时材料性能变化显著，结合图8和图9混凝土强度及钢材强度随温度变化曲线分析可知，当T≤400 ℃时，外部钢管屈服强度和极限强度相差不大，钢管延性变化不大，而核心混凝土随温度的升高逐渐脆化，使试件整体延性逐渐降低；当T>400 ℃时，外部钢管的屈服强度随温度的升高明显变小，极限强度变化不大，钢管的延性大大提高，核心混凝土虽然进一步脆化，但钢管的延性提高程度远大于核心混凝土的脆性增加，使试件整体的延性不断升高。T≥400 ℃时，自然冷却试件的延性系数均高于喷水冷却试件，可见，喷水冷却的骤冷效果，使外部钢管发生淬火现象，使试件整体延性降低，降幅为1 %～12 %。

图8 立方体抗压强度随温度变化曲线
Fig.8 Cubic compressive strengthcurve with temperature

图9 钢材强度随温度变化曲线
Fig.9 Steel strength curve with temperature

4 结论

①试件的轴压破坏形态有两种：T≤400 ℃时，试件表现为钢管撕裂破坏；T>400 ℃时，试件表现为钢管鼓曲斜压破坏；冷却方式对破坏形态影响不大。试件的荷载—位移曲线绝大部分都经历了线性增长、下降、强化回升三个阶段，且随着温度的升高，强化回升段逐渐提前，下降段逐渐变短。

②高温作用后方钢管全再生混凝土短柱的极限承载力降低较为显著，自然冷却试件降幅为9.5 %～45.4 %，喷水冷却试件降幅为11.7 %～38.2 %；试件的极限承载力受冷却方式的影响不明显。

③方钢管全再生混凝土短柱的初始刚度随温度的升高而不断降低，自然冷却试件降幅为3.8 %～56.3 %，喷水冷却试件降幅为37.8 %～71.7 %；喷水冷却作用对高温后试件初始刚度有二次削弱，降幅在27.6 %～45.4 %之间。试件刚度退化曲线均经历了平台段、快速下降段、平缓下降段、平稳段，冷却方式对试件刚度退化的影响不大，两种冷却方式试件刚度退化曲线下降段斜率相近。

④方钢管全再生混凝土短柱的延性随着温度的升高呈现先降低后升高的趋势，在T=400 ℃时出现转折。T≥400 ℃时，自然冷却试件的延性系数均高于喷水冷却试件。