鋼管再生混凝土短柱偏壓性能實驗

張衛(wèi)東, 王振波, 丁海軍

( 1. 宿遷學(xué)院 建筑工程系，江蘇 宿遷 223800； 2. 南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210009 )

0 引言

鋼管再生混凝土是將再生混凝土灌入鋼管中形成的，具有鋼管混凝土的一系列的優(yōu)點：一方面核心混凝土的存在可以增強(qiáng)鋼管管壁的局部穩(wěn)定性；另一方面鋼管使核心混凝土處于三向受力狀態(tài)，具有套箍作用，從而使核心混凝土具有比普通混凝土更高的抗壓強(qiáng)度和變形能力[1-2].與普通混凝土相比，再生混凝土骨料表面粗糙、收縮率增大和彈性模量偏低，從而使鋼管再生混凝土與鋼管普通混凝土柱在力學(xué)性能上存在一定差異[3].

有關(guān)鋼管再生混凝土力學(xué)性能的研究較少.楊有福,Yanagibashi K等[4-6]研究不同取代率的方鋼管和圓鋼管再生混凝土短柱的軸壓性能究，與Konno K和Sato Y[7-8]得到相同研究結(jié)論.在工程中，鋼管混凝土大多處于彎矩和軸力共同作用下，有關(guān)研究更少，從而影響鋼管再生混凝土的發(fā)展.筆者分析不同取代率的鋼管再生混凝土偏壓短柱的力學(xué)性能，為鋼管再生混凝土研究提供參考.

1 實驗

1.1 材料性能及試件

再生混凝土的骨料是結(jié)構(gòu)實驗室廢棄的混凝土立方體試塊經(jīng)過破碎后形成的，水泥為淮河牌32.5級普通硅酸鹽水泥，混凝土采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌和，每種取代率的再生混凝土各準(zhǔn)備3個標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊.混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量見表1.

表1 每立方米再生混凝土的質(zhì)量配比及力學(xué)性能

注：ZP為再生粗骨料取代率.

鋼管為直縫圓鋼管，按照GB/T 228-2002《金屬拉伸實驗方法》，通過拉伸實驗測得鋼材抗拉強(qiáng)度(見表2).試件一端用厚度為10 mm、長度為200 mm的方形鋼板焊接封固作底板.

在澆筑再生混凝土?xí)r，將鋼管豎立，從頂部分層灌入，每次深度約為1個鋼管直徑，并利用插入式振搗棒進(jìn)行振搗.試件養(yǎng)護(hù)方法為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù).7 d后鑿去混凝土表面浮漿，用高強(qiáng)環(huán)氧砂漿將混凝土表面與鋼管表面抹平，硬化后將試件表面打磨平整；然后焊上鋼板，保證加載初期鋼管與核心混凝土能共同受力.試件基本數(shù)據(jù)見表2.

表2 試件基本數(shù)據(jù)

注：D為鋼管外徑；t為鋼管壁厚；L為鋼管長度；試件初始偏心率為0.19；ZP-50%表示取代率為50%.

1.2 加載裝置與過程

采用最大加載能力為500 t的電液伺服壓力實驗機(jī)進(jìn)行加載.試件兩端采用鉸支座，通過設(shè)置輥軸控制試件的彎曲方向.為了準(zhǔn)確測量試件的變形，在每個試件中截面外鋼管4個方向的表面處貼縱、橫各4片應(yīng)變片，同時在試件彎曲平面內(nèi)沿柱高設(shè)置3個位移計，以測量試件在加載過程中的側(cè)向撓度變化[4-10].

實驗采用分級加載制度.在達(dá)到預(yù)估極限荷載的75%前，每級荷載為預(yù)估極限荷載的1/15～1/10，每級荷載持續(xù)時間約為2 min；接近破壞荷載時改為慢速連續(xù)加載，直至實驗結(jié)束.

2 結(jié)果分析

2.1 破壞過程

代表性試件的荷載(N)與中點側(cè)向變形(f)的關(guān)系曲線見圖1.由圖1可以看出，加載初期鋼骨再生混凝土試件的側(cè)向撓曲變形較小，隨著荷載的施加，試件的側(cè)向撓曲變形逐漸增大.當(dāng)荷載接近極限荷載時，側(cè)向變形增長速度快于荷載的增長速度；達(dá)到極限荷載后，試件承載力的下降速度和變形隨取代率的增大而增大.試件破壞時中部伴有局部鼓曲發(fā)生，取代率越大，局部屈曲出現(xiàn)越早，鼓曲現(xiàn)象越嚴(yán)重.卸載過程中，試件具有回彈現(xiàn)象.

與普通鋼管混凝土偏壓構(gòu)件的荷載與撓度曲線對比，鋼管再生混凝土偏心受壓構(gòu)件受力過程與鋼管普通混凝土構(gòu)件相似，可以將構(gòu)件的受力過程分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段.

在長細(xì)比和偏心率等參數(shù)不變的條件下，彈性極限荷載隨核心部分再生混凝土粗骨料取代率(ZP)的增加而降低，鋼管再生混凝土構(gòu)件彈性極限承載力約為普通鋼管混凝土構(gòu)件的78%，鋼管再生混凝土構(gòu)件的彈性階段時間明顯短于普通鋼管混凝土構(gòu)件.破壞階段隨著取代率增大，荷載下降越快，且側(cè)向變形增大越迅速.

2.2 破壞形態(tài)

偏壓試件荷載(N)與縱向應(yīng)變(ε)關(guān)系曲線見圖2.由圖2可以看出：普通鋼管混凝土試件與鋼管再生混凝土試件的荷載-應(yīng)變曲線是有一定區(qū)別的.普通鋼管混凝土試件在加載初期，7號應(yīng)變開始先為負(fù)值(受壓)，然后為正值(受拉)，所有再生混凝土構(gòu)件的7號應(yīng)變從開始加載到試件的破壞階段始終為正值.

圖1 試件N-f關(guān)系曲線

核心部分的再生混凝土在養(yǎng)護(hù)過程中縱向和橫向的收縮變形大，導(dǎo)致核心部分再生混凝土與鋼管內(nèi)壁分離，它們之間形成較大的縫隙，使得構(gòu)件橫截面剛度降低，從而使鋼管再生混凝土構(gòu)件在荷載初期猶如空鋼管構(gòu)件一樣，遠(yuǎn)離偏心的一側(cè)始終處于受拉狀態(tài).對于普通鋼管混凝土構(gòu)件，由于混凝土與鋼管內(nèi)壁的粘結(jié)作用，構(gòu)件整體性好，橫截面剛度較大，加載初期承受壓力.

圖2 試件N-ε關(guān)系曲線

在彈性階段，不同再生混凝土取代率的鋼管再生混凝土偏壓試件曲線基本重合，均為直線，但鋼管再生混凝土偏壓試件曲線比普通試件短，對應(yīng)的荷載為普通試件的70%～80%.當(dāng)試件荷載達(dá)到比例極限時，曲線不再保持線性關(guān)系，應(yīng)變增長速度高于荷載增長速度，表明試件進(jìn)入彈塑性變形階段.在同級荷載作用下，再生混凝土構(gòu)件中部鋼管壁上的縱向應(yīng)變要大于普通混凝土構(gòu)件的，曲線直線段的斜率隨再生粗骨料取代率的增加而變小.

圖3 試件N-η關(guān)系曲線

3 取代率對試件承載力的影響

實驗中共有5組具有相同截面參數(shù)， 每組為3個相同取代率的試件，取代率分別為0%，25%，50%，75%，100%.偏壓試件的承載力(N)與取代率(η)的關(guān)系曲線見圖3.由圖3可以看出，取代率對試件承載力有較大影響，表現(xiàn)為承載力隨取代率的增大而逐漸下降.當(dāng)取代率低于25%時，偏壓試件承載力與普通試件相比下降較為迅速；隨著取代率的進(jìn)一步增加，承載力下降速度較為緩慢；當(dāng)再生混凝土的取代率為100%時，偏壓承載力下降系數(shù)最大不超過20%.

核心混凝土和鋼管以軸壓剛度之比承受縱向壓力，同時鋼管借助內(nèi)填混凝土的支撐作用，增強(qiáng)鋼管壁的幾何穩(wěn)定性，延緩鋼管局部屈曲[11].

隨取代率提高，鋼管再生混凝土短柱偏壓承載力下降原因主要有：(1)再生混凝土的強(qiáng)度、彈性模量、剛度低于普通混凝土，導(dǎo)致鋼管承受更大的荷載，較快達(dá)到屈服強(qiáng)度.(2)再生骨料含有一部分老水泥砂漿,其表面孔隙特征和吸水特性等與天然骨料存在很大差異,導(dǎo)致中低強(qiáng)度的再生混凝土的干縮率比普通混凝土的大得多,且隨著取代率的增大而增大[12]，進(jìn)而核心混凝土與鋼管之間縫隙越來越大，不能有效支撐鋼管壁，引起鋼管提前發(fā)生局部屈曲，降低鋼管的剛度，進(jìn)而降低鋼管再生混凝土柱的偏壓承載力.

4 結(jié)論

(1)鋼管再生混凝土構(gòu)件的偏壓破壞形態(tài)與普通鋼管混凝土構(gòu)件相似，經(jīng)歷彈性、彈塑性、破壞階段.

(2)鋼管再生混凝土構(gòu)件的荷載—應(yīng)變曲線的彈性階段時間比普通構(gòu)件的短，在相同應(yīng)變下鋼管再生混凝土構(gòu)件的承載力低于普通鋼管混凝土構(gòu)件；在相同荷載作用下，鋼管再生混凝土構(gòu)件的變形大于普通鋼管混凝土構(gòu)件的，剛度低于普通鋼管混凝土構(gòu)件的.

(3)鋼管再生混凝土偏壓構(gòu)件的實測極限荷載隨再生粗骨料取代率的增加而降低，取代率為100%時降幅約為20%.隨著取代率的增大，再生混凝土強(qiáng)度、彈性模量降低和收縮率增大，說明取代率是影響試件承載力的主要因素.