胡瓊芳，王成剛，柳炳康，余小龍，黃 浩

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

圓鋼管再生混凝土柱軸壓試驗(yàn)研究

胡瓊芳，王成剛，柳炳康，余小龍，黃 浩

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

通過8根圓鋼管再生混凝土柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，研究構(gòu)件長細(xì)比、鋼管壁厚以及添加廢棄混凝土塊體等因素對(duì)試件軸壓性能的影響，獲得試件承載力、軸向變形、軸向和環(huán)向應(yīng)變等參數(shù)。試驗(yàn)表明，鋼管再生混凝土試件主要為彈塑性失穩(wěn)破壞；構(gòu)件長細(xì)比對(duì)試件的承載力有一定影響，軸向承載力隨著試件的長細(xì)比的增大而減??；鋼管壁厚對(duì)試件的承載力影響較大，鋼管壁厚越大，其極限承載力就越大；添加混凝土塊體對(duì)軸壓承載力影響不大。

圓鋼管再生混凝土；軸壓；承載力；變形；應(yīng)變

0 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速，拆除舊建筑物而建造新建筑物，每年有大量的建筑垃圾產(chǎn)生，廢棄混凝土的再生利用為一個(gè)亟待解決的問題[1-2]，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土的開發(fā)利用進(jìn)行了大量的研究[3-5]。

再生混凝土是指利用廢棄混凝土經(jīng)破碎加工的再生骨料制成的混凝土，研究表明，其力學(xué)性能差于普通混凝土。

鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)效果好等優(yōu)點(diǎn)，正在越來越廣泛的應(yīng)用于多層及高層建筑、工業(yè)廠房、拱橋及樁基工程之中。早在1879年英國就將鋼管橋墩運(yùn)用到賽文（severn）鐵路橋的建造之中。1989年美國西雅圖聯(lián)盟廣場(chǎng)大廈，高度為226 m，采用鋼管混凝土柱；1991年澳大利亞墨爾本聯(lián)邦中心大廈地上46層，主體結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱與鋼梁結(jié)構(gòu)體系。

我國早在1966年，北京地鐵車站工程就已應(yīng)用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，20世紀(jì)70年代又成功地將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于單層工業(yè)廠房、重型構(gòu)架。20世紀(jì)80年代以來對(duì)鋼管混凝土的基本性能展開了研究，并逐漸將其應(yīng)用于高層和超高層建筑中，1994年建成的廈門阜康大廈，高度為86.5 m，地下2層到12層采用圓鋼管混凝土柱；19 99年建成的深圳賽格廣場(chǎng)大廈，高度為291.6 m，采用外框-筒體結(jié)構(gòu)，框架柱全部采用圓鋼管混凝土柱；2010年建成的天津標(biāo)志性建筑津塔，高度為336.9 m，柱采用鋼管組合柱，鋼管混凝土柱最大直徑大1.7 m。

為了改善再生混凝土的力學(xué)性能，可將再生混凝土澆注于鋼管之中，形成的鋼管再生混凝土組合結(jié)構(gòu)，利用鋼管的套箍作用使核心再生混凝土處于三向受壓狀態(tài)，發(fā)揮鋼管和再生混凝土這兩種材料相互作用、相互約束的優(yōu)點(diǎn)，改善了再生混凝土的性能。

再生骨料制作工藝較為復(fù)雜且破碎過程中消耗能源，為了便捷地使用廢棄混凝土，也可將部分廢棄混凝土塊體直接摻入到鋼管再生混凝土中[6-9]。本文對(duì)4根普通的和4根摻加廢棄混凝土塊體的圓鋼管再生混凝土柱進(jìn)行軸壓性能試驗(yàn)研究，探討摻入廢棄混凝土塊體對(duì)鋼管再生混凝土受力性能的影響。

1 圓鋼管混凝土軸壓試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

再生混凝土骨料及塊體來自廢棄建筑物，試驗(yàn)之前，按照《普通混凝土碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》[10]對(duì)再生骨料進(jìn)行測(cè)試，主要是對(duì)再生骨料的表觀密度、微粉含量、吸水率、含水率進(jìn)行檢查，再生骨料的基本性能見表1。添加的混凝土塊體粒徑為100 mm~150 mm，含量為30%。

試驗(yàn)用水泥為P 4 2.5的普通硅酸鹽水泥，由安徽巢湖水泥廠提供，所用的砂為普通黃砂，粗骨料均為再生粗骨料，采用城市自來水拌合，配合比為水泥：砂：粗骨料：水=2.05:2.43:5.17:1。

表1 再生粗骨料的基本性質(zhì)

鋼管為直焊縫焊接圓鋼管，材性為Q23 5B,鋼管各項(xiàng)性能指標(biāo)由安徽鴻路鋼結(jié)構(gòu)（集團(tuán)）股份有限公司實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，如表2所示。鋼管按照設(shè)計(jì)要求加工之后，在其一端焊上厚度為12 mm的鋼板，從另一端灌注混凝土。澆筑混凝土?xí)r，保證鋼管豎立，先澆筑約20 mm~30 mm厚的現(xiàn)澆再生混凝土，接著交替投入廢棄混凝土塊體與現(xiàn)澆再生混凝土，澆筑時(shí)用振搗棒振搗。鋼管混凝土澆筑完成后，采取自然養(yǎng)護(hù)。用同等強(qiáng)度水泥砂漿將鋼管頂部混凝土抹平，水泥砂漿凝固后將未焊鋼管的一端焊上封板。

表2 鋼管材料性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)再生骨料取代率均為100%。根據(jù)試件的壁厚、高度、是否添加廢棄混凝土塊體將試件分為4組，每組2個(gè)試件，共8個(gè)試件。試件編號(hào)和設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 加載及測(cè)量裝置

試驗(yàn)在YES-500型壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用荷載控制的加載方式。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。在試件距上下端100 mm處和半高處各對(duì)稱布置4個(gè)應(yīng)變花測(cè)量鋼管表面應(yīng)變，共12個(gè)應(yīng)變花；沿試件高度1/4、1/2、3/4處設(shè)置4個(gè)位移計(jì)側(cè)試件撓度，試件上端板和下承壓板各設(shè)2個(gè)位移計(jì)測(cè)量試件軸向位移，具體測(cè)點(diǎn)和加載裝置布置如圖2。安裝時(shí)應(yīng)保證試件的上下端部的中心與承壓板的中心重合。加載時(shí)上承壓板固定，下承壓板緩慢上升，從而將荷載施加給試件。

圖1 試驗(yàn)加載現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 測(cè)點(diǎn)和加載裝置示意圖

試驗(yàn)采用荷載控制的加載方式，在正式加載之前，對(duì)各試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載為0.2Pu（Pu為預(yù)計(jì)的極限荷載）。在試件達(dá)到0.5Pu之前，每級(jí)按0.1Pu左右施加，在試件達(dá)到0.5Pu之后，每級(jí)按0.05Pu左右施加，并持荷2 min~3 min，加載速率保持為0.6 kN/s。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件加載初期處于彈性階段，豎向變形和側(cè)向撓度都很小；加載至極限荷載的60%~80%時(shí)，鋼管中段屈服，結(jié)構(gòu)變形開始增大，試件進(jìn)入彈塑性階段；繼續(xù)加載后，試件的環(huán)向和縱向變形加大，加載到極限荷載的90%左右時(shí)，鋼管側(cè)向撓度急劇加大；到達(dá)極限荷載后，變形進(jìn)一步發(fā)展，試件承載力有所下降，直至破壞，試件破壞時(shí)，鋼管中部區(qū)段達(dá)到了屈服應(yīng)變。試件YZXC3-1、YZXC3-2的長細(xì)比較大，二階效應(yīng)較為明顯，破壞時(shí)承載力下降顯著，柱中部附近出現(xiàn)幅度較大的側(cè)向彎曲，為整體屈曲失穩(wěn)破壞。

圖3 鋼管再生混凝土試件破壞狀況

通過試驗(yàn)全過程中的觀察，鋼管再生混凝土和添加的混凝土塊體的鋼管混凝土的軸壓特征類似。在加載初期，鋼管和混凝土各自單獨(dú)工作，且界面之間沒有相互作用力，鋼管表面無明顯變化特征。隨著荷載的進(jìn)一步增加，當(dāng)核心混凝土的橫向變形系數(shù)超過鋼材的泊松比，鋼管和混凝土界面出現(xiàn)相互作用力，核心混凝土處于三軸受壓狀態(tài)，試件仍處于彈性工作階段。隨著外荷載進(jìn)一步增大，鋼管屈服，試件的位移和應(yīng)變?cè)鲩L速度加快，各試件破壞模式基本相似，最終由于試件整體屈曲而發(fā)生彈塑性失穩(wěn)破壞（圖3a）。

加載結(jié)束后，用乙炔切割機(jī)切開鋼管，查看核心混凝土破壞形態(tài)。柱半高處的受拉側(cè)再生混凝土表面有明顯橫向裂縫，受壓側(cè)再生混凝土壓饋（圖3b）。將添加的混凝土塊體的鋼管內(nèi)混凝土剖開，難以辨認(rèn)混凝土塊體和現(xiàn)澆再生混凝土，兩者結(jié)合良好（圖3c）。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 荷載-軸向變形曲線及承載力

圖4 試件荷載-軸向變形曲線

實(shí)測(cè)圓鋼管再生混凝土試件的荷載-軸向變形曲線如圖4所示。由圖可知，試件彈性階段的軸向剛度相差不大，荷載-軸向變形呈線性關(guān)系。試件屈服后，荷載-軸向變形曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，軸向剛度逐漸減小，圓鋼管再生混凝土在極限荷載后試件所能承受的承載力下降較快。

由圖可得各試件峰值荷載及軸向變形，不同參數(shù)下試件峰值荷載及軸向變形對(duì)比結(jié)果見表4。

表4 不同參數(shù)下試件峰值荷載及軸向變形對(duì)比

（1）在鋼管再生混凝土中添加適量混凝土塊體，其他條件相同時(shí)，與未添加塊體的試件承載力差值在1.71%～6.17%之間，變化幅度很小。添加適量混凝土塊體基本不影響試件的承載力。由圖4可見，在彈性階段，其他條件相同時(shí)，添加塊體的試件與沒有添加塊體的試件的荷載-軸向變形曲線幾乎完全重合，軸向變形差值在1.58%～3.43%之間，說明添加塊體對(duì)試件彈性剛度影響甚微。

（2）隨著長細(xì)比的增大，軸壓承載力、軸向變形呈降低趨勢(shì)。長細(xì)比為5 3.3 3的試件較長細(xì)比為35.56的試件軸壓承載力降低了8.74%～11.58%。由圖4可見，增大長細(xì)比會(huì)使軸向剛度減小、斜率增大，說明軸向剛度隨長細(xì)比的增大而降低，長細(xì)比大的試件較長細(xì)比小的試件軸向變形降低了8.76%～21.86%，影響較為顯著。

（3）隨著鋼管壁厚的增加，軸壓承載力及軸向剛度不斷增大。其他條件相同時(shí)，鋼管壁厚為5 mm的試件較鋼管壁厚為3 mm的試件，軸壓承載力提高20%左右，但對(duì)軸向剛度影響不大。鋼管壁厚為6 mm的試件較鋼管壁厚為5 mm的試件，軸壓承載力提高幅度不大，但對(duì)軸向剛度影響較大。

3.2 荷載-軸向應(yīng)變曲線

試件的荷載-軸向應(yīng)變曲線如圖5所示，圖中的縱向應(yīng)變?nèi)≡嚰敫咛帗锨矫鎯?nèi)鋼管兩側(cè)的縱向應(yīng)變片的實(shí)測(cè)讀數(shù)。由圖5可以看出，加載初期，試件兩側(cè)的縱向應(yīng)變片均為壓應(yīng)變，各試件的荷載-軸向應(yīng)變曲線差異不大，基本重合。彈性階段，試件長細(xì)比越大，壓應(yīng)變?cè)鲩L速度越快；套箍系數(shù)越大，壓應(yīng)變?cè)鲩L速度越慢；添加混凝土塊體對(duì)壓應(yīng)變的增長速度影響不大。鋼管屈服后，一側(cè)的壓應(yīng)變繼續(xù)增大，而另一側(cè)壓應(yīng)變開始逐漸減小且最終受拉，受壓側(cè)應(yīng)變?cè)鲩L速度明顯快于受拉側(cè)（整個(gè)受力過程中一直受壓的一側(cè)為受壓側(cè)，加載前期受壓但屈服后應(yīng)變逐步減小并最終轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變的一側(cè)為受拉側(cè)），試件破壞時(shí)受壓側(cè)的極限應(yīng)變大于受拉側(cè)，應(yīng)變達(dá)到了0.0088~0.0121，遠(yuǎn)大于鋼材屈服應(yīng)變，說明在核心混凝土的協(xié)同工作下鋼材性能得到了充分的發(fā)揮。

3.3 荷載-環(huán)向應(yīng)變曲線

通過試件半高處所貼的環(huán)向應(yīng)變片，獲取試件在軸壓過程中的環(huán)向應(yīng)變。各試件的荷載-環(huán)向應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖6不難發(fā)現(xiàn)，加載初期，鋼管對(duì)混凝土的約束作用較弱，環(huán)向應(yīng)變較?。浑S著荷載的進(jìn)一步增加，鋼管的環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L較快，這主要是由于混凝土的橫向變形大于鋼管的橫向變形，混凝土擠壓鋼管，使得鋼管應(yīng)變?cè)鲩L變快；荷載繼續(xù)增加，鋼管對(duì)混凝土的約束越來越強(qiáng)。鋼管屈服前，試件的環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L比豎向應(yīng)變平緩，環(huán)向平均應(yīng)變與軸向平均應(yīng)變之比為0.301~0.407，略大于鋼材泊松比（0.3）。鋼管屈服后，環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L較快，荷載-環(huán)向應(yīng)變曲線趨于平緩，可為核心區(qū)混凝土提供良好的側(cè)向約束。

圖5 鋼管荷載-軸向應(yīng)變曲線

圖6 鋼管荷載-環(huán)向應(yīng)變曲線

4 結(jié)論

本文通過8根圓鋼管再生混凝土柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

（1）鋼管再生混凝土受壓試件破壞時(shí)，鋼管和混凝土相互約束、相互影響。在鋼管的約束下核心再生混凝土處于三軸受壓狀態(tài)，提高了再生混凝土的極限承載力，改善了再生混凝土的變形能力。鋼管壁的荷載-軸向應(yīng)變曲線、荷載-環(huán)向應(yīng)變曲線都比較飽滿，說明鋼管材料性能發(fā)揮比較充分。

（2）在其他參數(shù)相同的條件下，添加塊體的試件與沒有添加塊體的試件相比，其承載力差別不大，變形能力相近，初始剛度幾乎相同，表明在再生混凝土中添加30%左右的塊體是可行的。

（3）鋼管壁厚對(duì)試件的承載力影響較明顯，鋼管壁厚越大，核心再生混凝土受鋼材的約束作用越強(qiáng)，其極限承載力越大、延性越好；長細(xì)比對(duì)圓鋼管再生混凝土承載力有一定的影響，長細(xì)比越大承載力越小、延性越差，影響較為顯著。

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Experimental study on recycled aggregate concrete filled circular steel tubular columns under axial compression

HU Qiongfang，WANG Chengang，LIU Bingkang，YU Xiaolong，HUANG Hao

(School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Eight circle recycled aggregate concrete-filled steel tube columns have been tested under concentrically compressive load. The influence that the slenderness ratio, the thickness of the steel tube, and replacement rate of the demolished concrete blocks have on axial compression performance has been studied and the bearing capacity, axial deformation, axial and circular strain etc have been obtained. The test results show that the specimens is mainly the elasto-plastic instability failure. The slenderness ratio has the certain influence on the bearing capacity of the specimen, the axial compressive bearing capacity decreases with the increase of the slenderness ratio of the specimen. The wall thickness of the steel tube has greater influence on the bearing capacity of the specimen, and the greater the wall thickness of the steel tube, the greater the ultimate bearing capacity. Demolished concrete block has little effect on the bearing capacity of axial compression.

circle recycled aggregate concrete-filled steel tube column ; axial compression ; bearing capacity ; deformation ; strain

TU398+.9

：A

2095-8382(2016)06-043-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160610

2016-02-01

住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013-K4-46）

胡瓊芳（1991- ），女，碩士生，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)動(dòng)力分析與抗震。