薄壁方鋼管橡膠混凝土短柱軸壓試驗

高 清，周金枝

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

薄壁方鋼管橡膠混凝土短柱軸壓試驗

高 清，周金枝

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

鑒于橡膠混凝土存在強度不足的特性，對薄壁方鋼管橡膠混凝土短柱進行軸壓力學性能試驗，對試驗結果進行分析，得到鋼管和橡膠顆粒對于混凝土強度影響的結論，作為鋼管橡膠混凝土短柱用于工程實踐的參考。

工程材料； 強度； 方鋼管； 橡膠混凝土

國內外的學者經過對橡膠混凝土的力學性能做了大量研究[1-3]，普遍認為橡膠顆粒加入混凝土中，使混凝土有更好的韌性、抗震及隔聲隔熱性能等，但混凝土強度也會下降。本文研究橡膠混凝土力學性能的同時，將橡膠混凝土作為一種結構材料，著重研究方鋼管橡膠混凝土短柱的力學性能。將橡膠混凝土灌入鋼管中，有可能提高結構的塑性和抗震性能，對提高結構的安全系數同樣有著重要意義。

1 薄壁方鋼管橡膠混凝土短柱軸壓試驗

1.1試驗制作

作為薄壁構件，在確定尺寸時應該考慮鋼管材料寬厚比的范圍。有文獻[4]認為Q235薄壁方鋼管混凝土短柱不發生局部屈服的管壁平均寬厚比限值約為b/t=90。試件高度設計時需要考慮試驗室的實驗條件和構件的安全因素。結合湖北工業大學結構大廳實驗室的實驗條件，本實驗的短柱構件選用鐘善桐教授推薦的長邊比，取試件的長度(L)為截面邊長(D)的3倍，即L/D=3。共設計了4個試件，試件尺寸：長度240 mm，邊長80 mm，壁厚3 mm。試件的鋼管由Q235無縫方鋼管與鋼板焊接而成，其彈性模量、屈服極限、極限抗拉強度和泊松比分別為2.1×105MPa，235 MPa,310 MPa和0.28。

在鋼管中澆筑自密實橡膠混凝土，基準混凝土強度按C30設計。有研究指出，橡膠混凝土中橡膠顆粒等體積取代砂的最佳摻量為20%[5]。配合比及力學性能見表1，橡膠摻量20%代表橡膠顆粒等體積取代砂。采用原材料如下：普通硅酸鹽水泥；普通自來水；中砂；粒徑5～25 mm的連續級配普通碎石；輪胎橡膠粉，粒徑依次為5目、20目和40目；武漢鍍鋅Q235無縫方鋼管。橡膠粉取代率采用體積取代率，旨在保持膠凝材料、水灰比、粗骨料等不變的情況下等體積取代砂量。水灰比0.45，水206 kg，水泥458 kg，碎石1146 kg，砂590 kg和472 kg，混凝土配合比為m(水泥)∶m(細集料)∶m(粗集料)∶m(水)=1∶1.288∶2.502∶0.450，立方體抗壓強度由相同條件下成型養護的立方體試塊測得。

表1 橡膠混凝土成分及立方體抗壓強度試驗結果

由實驗結果可以看出，橡膠混凝土的抗壓強度普遍小于基準混凝土；橡膠摻量不變，橡膠顆粒粒徑越小，橡膠混凝土抗壓強度越大。

試驗時，先將焊好的鋼管豎立，然后從頂部灌入橡膠混凝土，經震動臺振搗，用砂漿抹平時保持橡膠混凝土相較于方鋼管微微凸起。再進行自然養護28 d。因為混凝土養護過程中，混凝土變硬并且混凝土表面會稍向下凹陷，因此，保持橡膠混凝土表面相較于方鋼管微微凸起，可使橡膠混凝土硬化后剛好與鋼管齊平。

1.2試驗方法

鋼管橡膠混凝土構件存在如下三種加載方式(圖1)：1)荷載直接作用于核心混凝土上，鋼管不直接承受荷載(圖1左)；2)試件端面齊平，荷載同時作用于鋼管與核心混凝土上(圖1中)；3)荷載預先作用于鋼管上，待鋼管被壓至與核心混凝土齊平后與核心混凝土共同承受荷載(圖1右)。

圖 1 鋼管混凝土構件的加載形式

1.3試驗裝置及加載制度

本實驗試驗機為YAW-1000型微機控制電液伺服壓力試驗機。加載前，利用打磨機打磨試件端面至平滑，涂抹礦物油，然后正確擺放實驗試件。該設備主要測量試件的力—位移曲線。

首先進行軟件調試，調試完成后將試件置于壓縮實驗裝置上。施加荷載前先設置為位移控制，以便加載初期能夠進行調整使得試件能夠均勻受力。當力值項顯示數字時調整為力控制，能夠完整地觀察試件從加載到破壞的全過程。控制速率應參照相關實驗規范。試驗過程中若出現1)核心區混凝土被壓碎，2)側移量達到試件高度的1/5，3)方鋼管受壓屈服或局部屈曲變形，4)薄壁鋼板焊接處發生破壞，則停止加載。

2 試驗結果與分析

2.1試驗現象

實驗過程中首先通過軟件采用速率為0.125 mm/s的位移控制加載，待加載到力值項顯現數值后調整為速率為0.513 kN/s的力控制。在加載初期，試件沒有明顯變化，力—位移曲線先為水平直線段，之后轉為斜直線；當加載到100 kN后曲線斜率逐漸降低，試件壓縮明顯；荷載逐步增加到320 kN后試件被壓縮到發出“噼噼”壓裂的響聲，曲線緩慢增長；繼續加載后，試件端部裂縫增加并整體下移，鋼管邊緣連接處斷裂并外屈，橡膠混凝土破壞成片狀。敲擊鋼管空鼓位置，響聲沉悶。試件的破壞形態見圖2。

圖 2 試件破壞形態

2.2承載力分析

試件的承載力實驗結果見表2。結合表中數據可以得出以下結論。

1)若不考慮方鋼管與橡膠混凝土兩者間的關系，則方鋼管與橡膠混凝土的承載力之和為：N=fyAs+fcAc=217.14 kN+65.2 kN=282.34 kN與實驗結果相差21.6%，雖然在承載力計算的過程中方鋼管和橡膠混凝土的承載力計算都是在考慮折減系數的基礎上進行的，但是兩者之間的差距仍比較明顯。所以，本次實驗中方鋼管和橡膠混凝土之間存在相應的約束作用，且不可忽略。

2)相較前面橡膠混凝土立方體抗壓強度試驗，發現鋼管橡膠混凝土的抗壓強度比基準混凝土抗壓強度大大增加；鋼管橡膠混凝土的抗壓強度是摻同種橡膠的橡膠混凝土的兩倍多。

3)鋼管橡膠混凝土短柱的承載力相較鋼管混凝土要小得多，差不多只是鋼管橡膠混凝土的一半左右。

表2 試件參數及力學性能

圖 3 荷載-位移曲線

2.3延性分析

定義鋼管橡膠混凝土短柱的延性系數為

(1)

式中：Δ85%為承載力下降到85%所對應的位移；Δμ為峰值荷載所對應的位移[6]。

由表3可知，橡膠顆粒以20%等體積取代砂的鋼管橡膠混凝土的抗壓強度相比鋼管混凝土的有所下降，但相比C30基準混凝土的抗壓強度有很大提高，能夠滿足結構要求。

表3 試件力學性能及延性系數

由式(1)所計算出的延性系數見表3，鋼管橡膠混凝土的延性系數值分別為1.21和1.18，以20%等體積橡膠顆粒取代砂的鋼管橡膠混凝土的延性系數值分別為1.32和1.30。可見，鋼管橡膠混凝土短柱的位移延性系數隨著橡膠顆粒的摻加而增大，以20%等體積橡膠顆粒取代砂的鋼管橡膠混凝土的位移延性系數相比鋼管混凝土提高了10%左右。

3 結論

本文進行了橡膠混凝土標準試塊立方體抗壓強度和方鋼管橡膠混凝土短柱力學性能的試驗研究與理論研究，在實驗結果的基礎上得出如下結論。

1)方鋼管和橡膠混凝土之間存在相應的約束作用，且不可忽略。

2)橡膠混凝土的抗壓強度普遍小于基準混凝土的抗壓強度；相同橡膠摻量，橡膠顆粒粒徑越小，橡膠混凝土抗壓強度越大。

3)橡膠顆粒以20%等體積取代砂，鋼管橡膠混凝土的抗壓強度相比基準混凝土大大增加；同樣地橡膠摻量以及粒徑，鋼管橡膠混凝土的抗壓強度是橡膠混凝土的兩倍多。

4)鋼管橡膠混凝土短柱的位移延性系數由于橡膠顆粒的摻入而增大，以20%等體積橡膠顆粒取代砂的鋼管橡膠混凝土的位移延性系數相比鋼管混凝土提高了10%左右。

[1] Haibo Zhang, Gou M, Liu X, et al. Effect of rubber particle modification on properties of rubberized concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition), 2014, 29(4):763-768.

[2] Jing Lv,Tianhua Zhou, Qiang Du,et al. Effects of rubber particles on mechanical properties of lightweight aggregate concrete[J].Construction and Building Materials,2015(91):145-149.

[3] 陳玉良.橡膠混凝土力學性能研究[D].武漢：湖北工業大學，2015.

[4] 曹寶珠,張耀春.方形薄壁鋼管混凝土柱管壁的寬厚比限值[J].哈爾濱工業大學學報,2006,36(12):1713-1716.

[5] Liu Feng,Meng Liang-yu,Ning Guo-Fang,et al. Fatigue performance of rubber-modied recycled aggregate concrete(RRAC) for pavement[J]. Construction and Building Materials,2015(95):207-217.

[6] 梁炯豐，顧連勝，何春鋒，等.圓鋼管橡膠混凝土柱軸壓性能研究[J].科學技術與工程，2013，13(16):1671-1815.

[責任編校：張巖芳]

AxialCompressionTestofSquareThin-walledSteelTubularColumns

GAO Qing, ZHOU Jinzhi

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China)

In view of the lack of strength of rubber concrete, the results show that the effect of steel pipe and rubber particles on the strength of concrete is obtained. The results are as follows: Engineering practice reference.The rubber concrete has been found and used as a new type of engineering materials, because of its good ductility, toughness and seismic performance. In order to make up for the characteristics of low strength of rubber concrete, the test of axial compressive behavior of square thin-walled steel tubular columns was carried out. And the effect of the steel tube and rubber on the failure of the columns was studied to obtain the influence of steel and rubber particles on the concrete strength, which will be the reference for the engineering practice.

engineering materials; strength; square steel tube; rubber concrete

2016-10-27

高 清(1991-)， 男， 湖北松滋人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為工程力學

1003-4684(2017)05-0016-03

TU502

A