鋼管再生混凝土力學性能研究動態分析

李 佳，宋 鑫 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

鋼管再生混凝土力學性能研究動態分析

李 佳，宋 鑫 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

鋼管再生混凝土是一種新型的組合結構，一方面鋼管的約束效應作用彌補了再生混凝土的力學性能、耐久性能、變形性能較低的缺陷，另一方面再生混凝土可以增強鋼管壁的穩定性。這種新型的組合結構形式為廢棄混凝土的再利用提供了一種新的途徑。系統介紹了國內外關于鋼管再生混凝土組合結構的研究成果：鋼管再生混凝土的力學性能與普通鋼管混凝土的力學性能形似，再生混凝土的取代率、再生混凝土強度、外加劑等因素對鋼管再生混凝土的力學性能有較大影響，并通過對鋼管再生混凝土力學性能研究動態的分析，指出了目前相關研究的不足之處，提出了有待進一步研究的方向。

鋼管再生混凝土；軸壓力學性能；壓彎力學性能；荷載作用；滯回性能

大規模新建期的房屋大多建于二戰以后，標準低、質量差。隨著經濟的發展，人們對居住要求的提高以及土地資源的稀缺，大量房屋被拆除，由此產生大量的廢舊混凝土。另一方面，強烈自然災害尤其是強烈地震，造成大量房屋倒塌，由此也產生了大量廢棄混凝土。這些廢舊的混凝土不僅帶來占地問題，而且產生環境污染問題。回收利用這些廢舊混凝土已成為學術界和工程界共同關注的熱點問題之一[1]。有關學者提出了再生混凝土技術，實現了廢舊混凝土的有效利用，減輕了環境污染問題，同時減輕了由于開采礦石帶來的環境破壞問題，節約了天然礦產資源。但是，由于再生混凝土的強度、彈性模量等性能相對普通混凝土均有所減低，在一定程度上制約了再生混凝土在工程中的運用和推廣。為了彌補再生混凝土存在的缺陷，有學者提出將再生混凝土填入到鋼管中，利用鋼管與再生混凝土的相互作用，彌補各自性能上的不足，形成一種新的結構形式——鋼管再生混凝土[2]。為了使這種新的結構形式能夠運用于實際工程，國內外學者進行了深入的研究，取得了一定成果[3-6]。

國內外關于鋼管再生混凝土力學性能的研究起步較晚，國外在這方面研究還很少見報道。在國內，福州大學較早開始進行這方面的研究工作，進行了一系列相關試驗研究和理論研究，取得了一定成果[3,7-8]。隨后，其他高校也相繼開展了各有關鋼管再生混凝土力學性能方面的研究[6,9-11]。下面，筆者系統介紹了國內外關于鋼管再生混凝土組合結構的研究成果，并通過對鋼管再生混凝土力學性能研究動態的分析，指出了目前相關研究的不足之處，提出了進一步研究的方向。

1 鋼管再生混凝土力學性能研究

1.1再生混凝土柱軸壓力學性能研究

軸壓力學性能研究是研究其他力學性能的基礎，因此國內外關于鋼管再生混凝土的研究是從軸壓力學性能開始著手，也是研究比較多的。

日本學者Konno最早開始進行鋼管約束再生混凝土的研究。研究表明，鋼管約束再生混凝土柱試件的力學性能與鋼管普通混凝土柱類似，具有良好的延性，但是由于核心再生混凝土的強度以及彈性模量相比于普通混凝土有所降低，從而使試件的剛度和承載力低于鋼管普通混凝土柱試件[2]。

2000年以來，國內福州大學、哈爾濱工業大學、四川大學、西南交通大學等高校相繼進行了鋼管再生混凝土力學性能方面的研究[3，6-11]。通過相關文獻的統計、歸納和分析表明，在進行鋼管再生混凝土軸壓研究過程中，考慮影響其力學性能的因素主要包括試件截面形式、再生混凝土取代率、再生混凝土強度和外加劑。其中，試件截面形式主要設計形式為圓形和方形。同時為了體現鋼管再生混凝土的差異性，在試驗過程中有些研究者還設計了鋼管普通混凝土試件和鋼筋普通混凝土試件與之對比。研究表明，鋼管再生混凝土和鋼筋再生混凝土的力學特性分別與相應的鋼管普通混凝土和鋼筋普通混凝土相似[4]。從破壞形態來看，鋼管普通混凝和鋼管再生混凝土軸壓短柱的典型破壞模態差別不大[4，12], 當鋼管再生混凝土軸壓短柱的套箍系數較小 (ξlt;1. 0)時，試件均發生剪切破壞，同時伴隨有局部鼓曲現象發生[5，13]。從試件截面應力來看，與鋼管普通混凝土軸壓試件類似，對于圓形截面再生鋼管混凝土試件截面各點的約束力基本相同，而對于方形截面鋼管再生混凝土試件約束力集中于截面角部較小范圍內，此范圍之外的約束力均較小，約束力的變化趨勢為隨著與角部距離的增加而迅速減小[12]。從荷載-應變全過程來看，與鋼管普通混凝土柱軸壓類似，鋼管再生混凝土在軸向壓力作用下，由于鋼管的約束作用，再生混凝土處于復雜點的應力狀態下，強度得到明顯提高，塑性變形性能明顯得到改善，受力過程基本一致[12，14]。

在關于再生混凝土取代率對鋼管再生混凝土軸壓力學性能影響方面，不同的研究者得出了不同的結論。楊有福等[4，13-14]研究表明，再生混凝土的取代率的變化對鋼管再生混凝土和鋼筋再生混凝土軸壓短柱的破壞過程和形態沒有明顯的影響；再生混凝土的取代率的增加，試件極限承載力呈減低趨勢。另一方面，Chen[15-16]發現，隨著再生粗骨料取代率的增加，試件極限承載力呈上升的趨勢，但最大差異不超過10%。此外，鋼管再生混凝土構件承載力略高于普通鋼管混凝土構件[17]，在配鋼率相同的條件下，鋼管再生混凝土柱試件軸壓極限承載力小于普通鋼管混凝土極限承載力[4]。

文獻[18]研究了外加劑對鋼管混凝土力學性能的影響。研究表明，聚異氰酸鹽對鋼管混凝土的改性能力不是很明顯，而在鋼管再生混凝中摻入干冰會對其強度產生不利影響。

1.2鋼管再生混凝土壓彎力學性能研究

目前，關于鋼管再生混凝土構件的純彎、偏壓等力學性的研究還比較少。文獻[3]進行了2根普通鋼管混凝土和8根鋼管再生混凝土的純彎力學試驗研究。研究表明，隨著再生粗骨料取代率的增加，鋼管再生混凝土的抗彎剛度和極限彎矩呈現下降趨勢。文獻[19]進行了6根普通鋼管混凝土柱試件的研究和24根鋼管再生混凝土泵偏壓力學性能試驗研究，試驗結果表明，鋼管再生混凝土柱試件破壞形態與鋼管普通混凝土柱試件破壞形態相似，隨著再生粗骨料取代率或荷載偏心率的增加其極限承載力在減低。

1.3鋼管再生混凝土長期荷載作用下的力學性能研究

再生混凝土的收縮、徐變問題一直是該領域研究人員關注的問題之一[6,20]。楊有福[21-22]對長期荷載作用下鋼管再生混凝土構件的變形特性和力學性能進行了研究。研究表明，鋼管再生混凝土中核心混凝土的收縮和徐變變形比相應鋼管普通混凝土中核心混凝土的收縮和徐變高約6%～23%，；ACI1209模型能很好的預測核心再生混凝土的收縮和徐變系數。

1.4鋼管再生混凝土往復荷載作用下的滯回性能研究

文獻[23]進行了22根鋼管再生混凝土柱試件和6根鋼管普通混凝土試件在往復荷載作用下的試驗研究。研究表明，在恒定的軸壓力和往復荷載作用下，鋼管再生混凝土和普通鋼管混凝土柱試件的滯回性能非常相似，試件的破壞形態均為整體壓彎破壞；隨著再生混凝土粗骨料取代率的增加，試件在初始階段的剛度隨之變小，但是對試件的骨架曲線影響較小；鋼管再生混凝土的承載力和抗彎剛度略低于普通鋼管混凝土柱試件，而延性略有提高。文獻[24]進行了6根圓鋼管、4根方方鋼管和4根菱形鋼管再生混凝土柱在往復荷載作用下的抗震性能的試驗和數值模擬研究。研究表明，在其他條件基本相同情況下，截面形式對鋼管再生混凝土柱的抗震性能有明顯影響，圓截面柱抗震性能最好，方截面柱抗震性能次之；在其他條件基本相同情況下，剪切承載力和變形能力隨軸壓比的增加而增大；同時給出了不同截面形式下柱極限軸壓比值的建議。

2 鋼管再生混凝土研究現狀分析

通過對鋼管再生混凝土研究成果的整理和分析，發現目前鋼管再生混凝土的研究對象為柱，而且主要研究的是短柱，針對鋼管再生混凝土長柱的研究還未見報道。目前針對鋼管再生混凝土的研究還僅僅停留在構件層次，還沒有進行相關節點的、框架的試驗和理論研究。針對鋼管混凝土壓彎、長期荷載作用下性能以及動力性能的試驗研究和理論研究還比較少，其考慮的影響因素不夠全面，供相關規程起草的依據很有限。目前所研究的鋼管再生混凝土柱的截面形式大多集中在圓形截面和方形截面，而針對于矩形截面、橢圓形截面和異形截面的研究還未見報道。

3 鋼管再生混凝土研究展望

目前對鋼管再生混凝土的研究表明，在一次加載下的靜力性能、長期荷載作用下的性能和動力性能都有良好的表現，是未來再生混凝土在結構應用中的重要途徑之一。除解決鋼管再生混凝土研究中的不足之處，進一步研究的方向還應著手解決鋼管再生混凝土抗火設計問題、鋼管再生混凝土火災后力學性能問題、鋼管再生混凝土震后損傷檢測和維修加固問題等。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.03.036

TU528.59

A

1673-1409(2012)03-N109-03

2011-12-27

李佳(1987-)，女，2009年大學畢業，碩士生，現主要從事鋼-混凝土組合結構方面的研究工作。