方钢管约束再生混凝土短柱轴压受力性能试验研究

朱 闯 曾会淋 谈明睿

(1.吉林省热力工程设计研究有限责任公司，吉林 长春 130000； 2.长春海胜房地产开发有限公司，吉林 长春 130102; 3.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026)

1 概述

废弃混凝土回收再利用是绿色节能建材领域关注的热点问题。将再生混凝土灌入钢管，形成钢管约束混凝土柱，是较好的工程应用方向之一。钢管约束混凝土柱由于具有连接方便、钢管无屈曲、轴压比限值高等众多优点，周绪红、刘界鹏、韩林海等学者对钢管约束混凝土进行了系统的试验及理论研究[1-4]，陈宗平、肖建庄等学者针对钢管约束再生混凝土轴压短柱的受力性能进行了试验与理论研究[5,6]，由于再生粗骨料的差异性，目前尚无相关规范应用，因此对其开展进一步的试验研究尤显必要。本文针对9根方钢管约束再生混凝土短柱进行轴压承载试验，研究了再生粗骨料取代率对构件轴压受力性能的影响，可为钢管约束混凝土柱的进一步工程应用提供一定参考。

2 试验设计

2.1 试件设计

试验设计了9根方钢管约束再生混凝土短柱，以粗骨料取代率为主要试验研究参数。粗骨料取自废弃混凝土，经破碎、筛分、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标准筛分，颗粒级配为连续粒级5 mm～35 mm，相关物理性能指标如表1所示。试验中粗骨料取代率分别取0%，50%和100%。再生混凝土配制按照总的粗骨料重量保持不变的原则，粗骨料取代率变化时相应地改变对应粗骨料的比例。试验设计3组(9根)素混凝土对比柱，粗骨料取代率分别取0%，50%和100%对应的素混凝土短柱实测轴心抗压强度分别为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标

钢管外边长为120 mm，壁厚为3 mm，钢管采用Q235，试件高度均为450 mm，试件尺寸及方钢管端部断缝处理如图1所示。

2.2 试件加载

试验加载在200 t压力试验机上进行，在试件半高处沿四周布置横向应变片和纵向应变片，试件四角布置四个位移计用于测量试件竖向位移。加载装置及测点布置如图2所示。

3 试验结果分析

方钢管约束再生混凝土短柱峰值荷载试验数据如表2所示，试件峰值荷载随再生粗骨料取代率的增加而略有降低。当再生粗骨料取代率从0%增加到100%，试件FG-1.0-7相对于试件FG-0-1峰值荷载下降13.28%。

表2 试件峰值荷载试验数据

3.1 破坏形态

试件加载初期处于弹性阶段，随着外荷载的持续增加，试件加载到达峰值荷载时钢管变形不明显，钢管屈服发生在峰值荷载之后，试件最终发生斜压破坏。试验加载后期部分试件端部缝隙混凝土被压碎，为避免试件中部钢管竖向受力，当端部钢箍和中部钢管接触时，试验加载终止。部分试件的破坏形态如图3所示，白色虚线为核心混凝土的剪切滑移面。

3.2 荷载—应变曲线

钢管约束再生混凝土柱的竖向荷载—位移关系曲线如图4所示，随着再生骨料取代率的不断增加，试件的峰值荷载略有降低，钢管屈服发生在荷载—位移曲线下降段，构件达到峰值荷载后，由于核心混凝土发生破坏，端部断缝处混凝土被压碎，钢管开缝闭合，导致钢管竖向开始受力。图5给出了不同再生粗骨料取代率条件下，试件钢管环向最大应变与荷载的关系曲线，试件在达到峰值荷载前，试件钢管环向应变增加较为缓慢，到达峰值荷载后，核心混凝土压碎导致钢管环向应变迅速增加。

4 承载力计算

方钢管约束再生混凝土试件截面存在有效约束区和非有效约束区，参照文献[2]中有关假定，取核心混凝土距离角部0.1B范围内为有效约束区，边缘0.8B范围内为非约束区，非有效约束区的边缘线为1/4圆弧，截面有效约束区分布如图6所示。

基于统一强度理论，钢管约束再生混凝土短柱的极限承载力采用式(1)进行计算：

Nu=fccAc

(1)

其中，Nu为方钢管约束再生混凝土短柱的轴压极限承载力；fcc为方钢管约束核心再生混凝土强度；Ac为钢管约束再生混凝土柱的截面面积。

约束混凝土强度采用经典的Mander[8]模型利用式(2)进行计算：

(2)

(3)

σhp=0.1(B/t)0.5f215

(4)

(5)

(6)

试件极限承载力试验数据和理论计算结果比较如图7所示，试件计算值小于试验值，表明理论计算略偏于保守，偏差最大范围在10.0%左右，表明试验值与计算值吻合较好。

5 结语

1)随再生粗骨料取代率增加，试件峰值荷载略有降低，取代率从0%增加到100%，试件FG-1.0-7相对于试件FG-0-1峰值荷载下降13.28%。

2)参考Mander模型给出了方钢管约束再生混凝土短柱的轴压承载力计算公式，理论计算与试验结果吻合较好。