鋼管廢棄纖維再生混凝土構件純彎性能研究

王建超，李明香

(沈陽建筑大學 土木工程學院，沈陽 110168)

1 概 述

近年來，工程建設中所需要的砂、石等天然資源被大量的消耗，甚至短缺；同時一些超出壽命的舊建筑物需要重建，將產生大批的建筑垃圾，因此國內外許多學者提出了“再生混凝土”概念，并展開了深入的研究[1-3]。由于破碎工藝的繁瑣，使再生骨料產生許多微小裂縫，提高了再生骨料的吸水率，削弱了再生混凝土的力學性能。為提高再生混凝土的性能，研究學者在混凝土中摻入廢棄纖維[4]。此外，利用鋼管混凝土的特點，既可以使再生混凝土的強度得到提高，又延緩了空鋼管的屈曲，因此形成一種新的組合結構“鋼管廢棄纖維混凝土”。

2 建模的關鍵問題

2.1 核心混凝土應力-應變本構關系模型

核心混凝土受壓應力-應變本構關系采用韓林海[5]本構模型:

(1)

2.2 鋼材應力-應變本構關系模型

對于Q235等工程中常用的低碳軟鋼，參考文獻[6]，其應力-應變本構關系：

(2)

式中：εe=0.8fy/Es，εe1=1.5εe，εe2=10εe1，εe3=100εe1；A=0.2fy/(εe1-εe)2，B=2Aεe1，C=0.8fy+Aεe2-Bεe；fp、fy、fu、Es分別為鋼材的比例極限、屈服強度、極限抗拉強度、彈性模量。

2.3 網格劃分、界面模型及邊界條件

鋼管、廢棄纖維再生混凝土、蓋板統一采用C3D8R實體單元、結構化網格劃分技術，鋼管廢棄纖維混凝土的網格劃分情況見圖1。鋼管與廢棄纖維再生混凝土法線方向的接觸采用“硬接觸”，切向方向的接觸采用庫倫摩擦模型，摩擦系數μ取0.6[7]。廢棄纖維再生混凝土與蓋板法線方向的接觸采用“硬接觸”，切向方向的接觸忽略不計；鋼管與蓋板采用tie約束。構件的邊界條件見圖2，采用位移加載的方式，在RP-1和RP-2兩加載點位置分別沿Y方向施加-52 mm位移。

圖1 網格劃分示意圖

圖2 模型的邊界條件

3 模擬結果分析

模擬構件一共10個，長度均為1 400 mm(計算長度l0為1 200 mm)，外徑均為200 mm，兩端均設有240 mm×240 mm×20 mm的蓋板，鋼材的屈服強度fy=235 MPa，采用三分點加載方式，純彎段取中間400 mm范圍。具體分組見表1。

表1 模擬構件分組

3.1 破壞形態

典型構件L3的破壞形態見圖3。構件整體呈弓形形狀，兩端發生翹曲現象，其余構件的破壞形態均具有相同的規律。

圖3 構件L3的破壞形態

3.2 不同參數對純彎構件抗彎承載力的影響分析

3.2.1 鋼管壁厚的影響

在再生骨料取代率r、廢棄纖維長度lf以及廢棄纖維體積摻量Vf均不變的前提下，通過單獨的改變鋼管壁厚t，來分析鋼管壁厚t對純彎構件極限抗彎承載力的影響。圖4所示即為L2、L3、L4純彎構件的彎矩M-跨中位移um(mm)曲線。模擬結果表明，當鋼管壁厚t從4 mm增加至5 mm時，彈性階段的抗彎剛度明顯增加；鋼管壁厚t從5 mm增加至6 mm時，彈性階段的抗彎剛度雖然在增加，但增加的幅度明顯小于前者。可見，鋼管廢棄纖維再生混凝土構件的抗彎剛度隨著鋼管壁厚的增加而增大，但是鋼管壁厚大的構件抗彎剛度增加的幅度明顯小于鋼管壁厚小的構件。參考以往的研究結果[5]，定義鋼管廢棄纖維再生混凝土構件的極限抗彎承載力Mue為構件跨中截面鋼管最大拉應變達到0.01時對應的彎矩值。由模擬結果可知，鋼管壁厚對鋼管廢棄纖維再生混凝土純彎構件的極限抗彎承載力Mue有顯著的影響。當鋼管壁厚t從4 mm增加至5 mm時，極限抗彎承載力由69 kN·m增加至77 kN·m，極限抗彎承載力提高了12%；當鋼管壁厚t由5 mm增加至6 mm時，極限抗彎承載力由77 kN·m增加至82 kN·m，極限抗彎承載力提高了7%。可見，鋼管壁厚t是影響鋼管廢棄纖維再生混凝土極限抗彎承載力Mue的主要變量。此外，鋼管廢棄纖維再生混凝土構件超過極限抗彎承載力Mue后，彎矩仍有繼續增長的趨勢，說明構件具有良好的延性。

圖4 彎矩M-跨中位移um曲線

3.2.2 再生粗骨料取代率、廢棄纖維長度及廢棄纖維體積摻量的影響

圖5為再生粗骨料取代率、廢棄纖維長度、廢棄纖維體積摻量對應的彎矩M-跨中位移um曲線。由圖5(a)可知，L3、L7、L8純彎構件的M-um曲線基本上重合。可見，再生粗骨料取代率r的變化基本上不會對鋼管廢棄纖維再生混凝土構件的純彎力學性能產生影響。圖5(b)和圖5(c)均呈現出相同的規律，所以廢棄纖維長度、再生粗骨料取代率、廢棄纖維體積摻量對鋼管廢棄纖維再生混凝土構件抗彎承載力的影響可不考慮。

圖5 彎矩M-跨中位移um曲線

3.3 普通鋼管混凝土與鋼管廢棄纖維再生混凝土抗彎承載力的比較

圖6為普通鋼管混凝土純彎構件L1和鋼管廢棄纖維再生混凝土純彎構件L5、L8、L9的的跨中彎矩M-跨中位移um曲線。其中，鋼管廢棄纖維再生混凝土分別選取廢棄纖維體積摻量Vf最小值0%，再生粗骨料取代率r最大值100%，廢棄纖維長度lf最小值12 mm。由模擬結果可知，普通鋼管混凝土構件L1極限抗彎承載力Mue為77 kN·m，鋼管廢棄纖維再生混凝土構件L5、L8、L9極限抗彎承載力Mue分別為76、76和77 kN·m。可見，即使在廢棄纖維體積摻量和廢棄纖維長度均取最小值、再生粗骨料取代率取最大值這種最不利的情況下，普通鋼管混凝土與鋼管廢棄纖維再生混凝土極限抗彎承載力也幾乎相等。此外，鋼管廢棄纖維再生混凝土和普通鋼管混凝土均在達到極限抗彎承載力后，彎矩仍有繼續增長的趨勢，說明構件具有良好的延性。所以，鋼管廢棄纖維再生混凝土來替代普通鋼管混凝土是完全可以的。

圖6 彎矩M-跨中位移um曲線

4 結 論

1)鋼管壁厚是影響鋼管廢棄纖維再生混凝土純彎構件力學性能的主要變量。隨著鋼管壁厚t的增加，鋼管廢棄纖維再生混凝土純彎構件的抗彎剛度和極限抗彎承載力Mue也隨之提高。

2)廢棄纖維長度、再生粗骨料取代率、廢棄纖維體積摻量這3個變量對鋼管廢棄纖維再生混凝土純彎構件力學性能幾乎沒有影響，甚至可忽略不計。

3)通過對普通鋼管混凝土與鋼管廢棄纖維再生混凝土的抗彎承載力進行比較可知，普通鋼管混凝土與鋼管廢棄纖維再生混凝土極限抗彎承載力幾乎相等。