張兆強 趙均海 鄧勇軍

(1.長安大學建筑工程學院，西安 710061;2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010)

近年來，隨著我國建筑業(yè)的快速發(fā)展，對砂石的需求量越來越大，為了滿足這一需求，大量開山采石引起植被毀壞和水土流失，生態(tài)環(huán)境受到嚴重破壞。與此同時，建筑廢棄物的排放量日益增加，有關(guān)資料顯示，近年來我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾總量為15.5億～24億t，已占到城市垃圾總量的30% ～40%，其中廢棄混凝土多達4.5億～6億噸。隨著城鎮(zhèn)化的深入推進，該數(shù)據(jù)還將進一步增大，“垃圾圍城”越演越烈。如此巨大的廢棄混凝土量不僅占用寶貴的土地，而且?guī)砹藝谰沫h(huán)境和社會問題。再生混凝土技術(shù)被認為是實現(xiàn)廢棄混凝土再利用，緩解砂石供求矛盾和保護環(huán)境的最有效措施，也有利于促進混凝土行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，有學者提出將鋼管和再生混凝土進行組合形成了鋼管再生混凝土這一新型結(jié)構(gòu)形式。其受力過程中，通過利用鋼管和再生混凝土的相互作用，改善了再生混凝土的承載性能，對推進再生混凝土的工程應(yīng)用特別是在承重結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有重要意義。

目前，鋼管再生混凝土技術(shù)已成為了研究熱點，國內(nèi)外學者對鋼管再生混凝土試件純彎性能，長短柱軸壓、壓彎性能，中心局部承壓性能，抗震性能，界面黏結(jié)性能，高溫、酸雨等環(huán)境下性能，以及抗沖擊、抗火、抗凍性能等進行了一系列的試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬工作［1-12］，取得了豐碩的成果。為了進一步提高鋼管再生混凝土構(gòu)件的性能，本研究擬采用向內(nèi)填再生混凝土中摻加鋼纖維的方式形成鋼管鋼纖維再生混凝土構(gòu)件，并通過試驗研究常見的方形截面短柱試件的軸壓性能，分析鋼纖維體積摻量以及截面含鋼率等因素對其承載性能的影響，為推進其工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計制作與材料基本性能

共設(shè)計了25個試件(包含23個方鋼管鋼纖維再生混凝土短柱試件和2個未摻加鋼纖維的方鋼管再生混凝土短柱對比試件)。主要考察參數(shù)為鋼纖維體積摻量(分別為 0.5% 、1% 、1.5% 、2% 、2.5% 、3%)和截面含鋼率(分別為 0.085，0.122，0.169)，所有試件的長度與截面邊長比均為3.5。采用直縫焊接鋼管，根據(jù)標準試驗方法測得的鋼材強度指標見表1。鋼纖維使用國產(chǎn)的波形鋼纖維，規(guī)格為0.7 mm ×0.7 mm ×35 mm。再生混凝土的原材料為中聯(lián)牌普通硅酸鹽水泥(P·O·32.5R)、普通中砂、自來水、天然骨料和再生粗骨料，其中再生粗骨料由服役30多年后的鋼筋混凝土梁經(jīng)機械破碎-篩分-清洗后獲得，骨料粒徑為5～25 mm。再生混凝土配合比為，水泥∶砂∶粗骨料∶水 =453∶560∶1 192(其中再生粗骨料894 kg)∶195，再生粗骨料取代率為75%，采用自然養(yǎng)護。鋼管底部焊接有尺寸為150 mm×150 mm×10 mm的底板，再生混凝土從試件頂部自上而下灌入，放置在振動臺上分2層振搗密實，并務(wù)必同批次澆筑3個邊長為150 mm的標準立方體抗壓試塊。為使加載端保持平整，澆筑混凝土時，使柱頂混凝土高出鋼管頂部平面10～15 mm，等到混凝土凝結(jié)硬化后，用打磨機將高出混凝土打磨至與鋼管頂部平齊。試件參數(shù)如表2所示。

表1 鋼材力學性能Table 1 Mechanical properties of steel

1.2 試驗加載及測量

試驗在西南科技大學結(jié)構(gòu)與力學實驗中心開展，采用5 000 kN微機控制液壓伺服壓力試驗機進行軸向加載。軸向壓縮位移由試驗機上自帶的位移計適時采集。各試件中部分別粘貼縱向和橫向應(yīng)變片，以測試試件的縱橫向變形情況。試驗正式開始前，進行幾何對中和預(yù)加載，預(yù)加荷載取預(yù)計極限荷載的10%。待檢查加載系統(tǒng)和各測點工作運行正常，卸載一段時間后，采用力控制方式進行分級加載，在達到預(yù)計極限荷載的70%以前時，每級加載取預(yù)計極限荷載的1/10;超過該范圍后，每級加載取預(yù)計極限荷載的1/15，每級加載穩(wěn)載2 min，臨近破壞時，連續(xù)緩慢加載，當試件承載力降低至極限承載力的80%以下時，試驗結(jié)束。

圖1 內(nèi)填再生混凝土破壞形態(tài)Fig.1 Failure mode of recycled aggregate concrete

2 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

所有試件的加載過程都得到了較好的控制。在加載開始時，所有試件表面基本無變化，試件處于彈性受力狀態(tài)。當施加荷載達到極限荷載的75%～90%時，鋼管表面局部地方掉銹，并伴隨有輕微的響聲。加載繼續(xù)進行，試件中部、距離上端部(1/4～1/3)柱高處和距離底板1/4柱高處出現(xiàn)鋼管壁局部鼓起，接近極限荷載時，局部鼓起加大，達到3～10 mm，并延伸形成了較為明顯的鼓曲線，且鋼纖維體積摻量越大的試件，局部鼓起越大，鼓曲線也越明顯，達到極限荷載以后，承載力緩慢下降，變形繼續(xù)增加，最后試件呈剪切型破壞，這一破壞形態(tài)與鋼管普通混凝土構(gòu)件相似［13］。鋼管剝離后，內(nèi)部再生混凝土典型破壞狀態(tài)如圖1所示。從圖中可以看出，試件鋼管管壁發(fā)生鼓曲的地方，再生混凝土有脫落和破碎現(xiàn)象，其他部位再生混凝土沒有出現(xiàn)明顯裂紋，試件內(nèi)填再生混凝土完整性較好，主要原因是再生混凝土受鋼管、鋼纖維的約束作用，自身強度和塑性得到提高。圖2顯示的是鋼管壁厚均為t2(2.8 mm)僅鋼纖維摻量不同的13個試件的破壞形態(tài)，可看出各個試件破壞形態(tài)基本類似，表明鋼纖維的摻量對試件破壞形態(tài)影響不大。

圖2 試件破壞Fig.2 Failure modes of specimens

3 試驗結(jié)果分析

3.1 荷載-位移曲線

各代表性試件的荷載-位移關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。其中，圖3為鋼管壁厚均為t2(2.8 mm)的試件隨鋼纖維體積摻量變化時的荷載-位移關(guān)系曲線，圖4顯示的是當截面含鋼率變化時各代表性試件的荷載-位移關(guān)系曲線。從圖中易看出：每個試件都主要經(jīng)歷了彈性和塑性發(fā)展兩個階段。當加載值在(0.75～0.95)Nu之間時(Nu為峰值荷載)，試件呈彈性受力狀態(tài)，此后進入塑性階段。從圖3中可以看出：試件荷載 -位移關(guān)系曲線達到峰值荷載后的下降段伴隨鋼纖維體積摻量的提高呈現(xiàn)出放緩趨勢，表明試件延性得到一定改善。由圖4中可看出：隨著含鋼率的增加，試件的峰值荷載以及峰值荷載對應(yīng)的位移均增大，說明含鋼率是影響鋼管鋼纖維再生混凝土短柱試件性能的主要因素。

圖3 t2厚度系列試件荷載-位移關(guān)系曲線Fig.3 Load-displacement curves of specimens with the same t2

圖4 含鋼率變化時各試件荷載-位移關(guān)系曲線Fig.4 Load-displacement curves of specimens with different steel ratio

圖5 t2厚度系列試件荷載-軸向應(yīng)變、荷載-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Load-strain curves of specimens with the same t2

3.2 荷載-應(yīng)變曲線

試件的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。其中，圖5為t2厚度系列試件的荷載-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線和荷載-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線，圖6則為截面含鋼率變化時各試件荷載-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線和荷載-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線。由于試件在達到峰值荷載以后，承載力下降比應(yīng)變值采集速度快，難以獲得應(yīng)變與下降段承載力的一一對應(yīng)關(guān)系，且此時，大部分試件變形已很大，應(yīng)變片與鋼管壁發(fā)生滑移，應(yīng)變值出現(xiàn)大幅度回落，且回落數(shù)據(jù)比較凌亂，因此，此處僅列出了承載力上升期間的應(yīng)變數(shù)據(jù)，曲線上沒有理論上的下降段。從圖中不難看出：剛開始加載時，曲線基本呈線性變化趨勢，表明試件呈彈性受力狀態(tài)。此后，曲線出現(xiàn)彎曲，試件進入塑性狀態(tài)，當達到極限承載力時，全部試件中部鋼管在軸向、環(huán)向均早已屈服。且此時，鋼管局部屈曲，試件變形顯著，應(yīng)變片測得的局部變形受到很大影響，致使應(yīng)變片的測量值無明顯的規(guī)律。

圖6 含鋼率變化時各試件荷載-軸向應(yīng)變、荷載-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Load-strain curves of specimens with different steel ratio

表2 試件參數(shù)與部分試驗結(jié)果Table 2 Parameters of the specimens and part experiment results

3.3 承載力

結(jié)合表2中的試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：1)當鋼纖維體積摻量小于或等于1.5%時，試件承載力與未添加鋼纖維構(gòu)件相比有一定的小幅提高，表現(xiàn)在SZt205、SZt210、SZt215試件平均承載力比SZt200試件平均承載力分別提高 2.9% 、1.4% 、3.3%;2)當鋼纖維體積摻量大于2%時，試件承載力下降，且降低幅度伴隨鋼纖維體積摻量的增大而增大，SZt230-1試件比未添加鋼纖維試件的承載力降低多達29.3%。主要原因是：當鋼纖維體積摻量較小時，鋼纖維約束了受壓過程中混凝土的橫向膨脹變形，進而提高了混凝土強度和試件承載力;當鋼纖維體積摻量較大時，其很容易因分布不均勻而出現(xiàn)結(jié)團，使得混凝土內(nèi)界面薄弱區(qū)增多，進而導致強度降低;3)在鋼纖維體積摻量保持不變的情況下，試件承載力隨含鋼率的增大而明顯增大，SZt310試件平均承載力與SZt210試件和SZt110試件相比分別提高了23.8%、48.9%，SZt315試件平均承載力與 SZt215試件和SZt115試件相比分別提高了 25%、56.2%，SZt320試件平均承載力與SZt220試件和SZt120試件相比分別提高了24%、44.9%。

3.4 延性分析

參考文獻［14］，定義試件的延性系數(shù)μ為：

式中：Δ80%為試件承載力降低至峰值荷載80%時對應(yīng)的位移;Δu為試件承載力達到峰值荷載時對應(yīng)的位移。全部試件的延性系數(shù)見表2。

由表2可知：1)內(nèi)填混凝土中摻加鋼纖維后的試件，其位移延性系數(shù)與未摻加鋼纖維試件相比提高明顯，SZt205試件位移延性系數(shù)較SZt200試件提高9.4%，SZt230-1試件位移延性系數(shù)較 SZt200試件提高達79.2%;2)鋼纖維體積摻量越高，則位移延性系數(shù)越大;3)在相同鋼纖維體積摻量的情況下，試件位移延性系數(shù)隨截面含鋼率的增加而增大;4)與對試件承載力的影響相比，摻入鋼纖維對試件延性的影響更為顯著，為使試件既有較高的承載力又有良好的延性，建議鋼纖維的體積摻量可取為1.0% ～1.5% 。

4 軸壓承載力計算

4.1 計算理論與基本假定

采用俞茂宏教授提出的統(tǒng)一強度理論進行計算［15］。在進行鋼管鋼纖維再生混凝土短柱軸壓承載力計算時，作如下假定：

1)試件截面符合平截面假定。

2)鋼管和鋼纖維混凝土之間變形協(xié)調(diào)，沒有相對滑移。

3)試件屈服主要由鋼管和核心混凝土的縱向應(yīng)力引起。

4)僅考慮軸向平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件。

4.2 公式的推導

和圓形構(gòu)件不同，方鋼管對內(nèi)部混凝土的約束力不均勻。本文參考文獻［16］的思路，對混凝土約束劃分為有效約束區(qū)(圖中陰影部分)與弱約束區(qū)(圖中空白部分)兩部分，有效約束區(qū)與弱約束區(qū)的邊界線為拋物線，如圖7所示。

混凝土弱約束區(qū)域面積Ac1為：

混凝土有效約束區(qū)域面積Ac2為：

圖7 截面有效約束區(qū)及弱約束區(qū)示意Fig.7 Effective constraint area and weak constraint area of section

式中：Ac為截面核心混凝土面積，θ為拋物線起點切線夾角，可取 45°［17］。

將方形試件中方鋼管和內(nèi)部鋼纖維再生混凝土按照面積相等的原則分別轉(zhuǎn)化為圓形試件相應(yīng)的圓鋼管和混凝土：

式中：D、t分別為方鋼管鋼纖維再生混凝土柱的邊長和方鋼管的厚度;r0、t0分別為等效圓鋼管鋼纖維再生混凝土柱的內(nèi)半徑和圓鋼管的厚度。

則根據(jù)筆者在文獻［18］中已分析得出的圓鋼管承擔的軸向壓力計算式，易得等效后圓鋼管鋼纖維再生混凝土柱中鋼管承載力Ns0為：

式中：fy為鋼管的單向拉伸屈服強度。

根據(jù)文獻［19］所得結(jié)果，處于三向受壓狀態(tài)的核心混凝土軸向抗壓強度f'c為：

式中：fc為混凝土單軸抗壓強度;鋼管混凝土計算時常取3.0～5.0，具體數(shù)值由試驗確定;p為鋼管對核心混凝土施加的側(cè)向約束應(yīng)力，pmax=2tfy/D。

則由核心混凝土承擔的軸向壓力為：

對于內(nèi)填混凝土的承載力Nc，可認為由混凝土有效約束區(qū)的承載力Nc2與混凝土弱約束區(qū)的承載力Nc1兩部分承擔。

式中：ξ為考慮厚邊比υ(υ=T/D)影響的混凝土弱約束區(qū)約束折減系數(shù)［20］，按下列計算：

因此，方鋼管鋼纖維再生混凝土短柱的軸壓極限承載力為：

4.3 公式的驗證與分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，利用本文推導公式(取 k=4，b=0.5)與國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范 CECS 159∶2004《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［21］、DBJ 13-51—2010《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［22］、GJB 4142—2000《戰(zhàn)時軍港搶修早強型組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［23］所推薦的軸壓承載力計算式，計算每一個試件的軸壓極限承載力，并與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果如表3所示。

表3 計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較Table 3 Comparison between analysis results and tests results

由表 3可看出：運用 CECS 159∶2004、DBJ 13-51—2010、GJB 4142—2000所推薦方法計算所得的試件軸壓承載力絕大多數(shù)都小于試驗實測值，且兩者相差值較大，計算偏于保守;利用本文推導式計算結(jié)果與實測值相比，平均誤差為6.9%，方差為 0.078，整體吻合較好，可用來進行方鋼管鋼纖維再生混凝土短柱軸壓承載力的設(shè)計計算。

5 結(jié)束語

1)方鋼管鋼纖維再生混凝土短柱的軸向受壓破壞形態(tài)與鋼管普通混凝土柱相似，呈剪切型破壞，鋼纖維的摻量對其破壞形態(tài)無明顯影響。

2)鋼纖維的摻入對方鋼管再生混凝土短柱受壓承載力有一定提高，但增益作用并不明顯，當鋼纖維體積摻量不超過1.5%時，試件軸壓承載力有小幅提高，但當鋼纖維體積摻量超過2%后，由于鋼纖維的數(shù)量增多易出現(xiàn)分布不均勻而結(jié)團、混凝土界面薄弱區(qū)增多，致使試件承載力反而低于未摻加鋼纖維構(gòu)件，且鋼纖維體積摻量越大，降幅也越大。

3)摻入鋼纖維后，試件延性得到顯著改善，且隨著鋼纖維體積摻量的提高，試件位移延性系數(shù)增大。為使試件既獲得較高的承載力又具有良好的延性，建議鋼纖維體積摻量取為1.0% ～1.5%。

4)截面含鋼率對試件承載性能影響明顯，試件承載力和位移延性系數(shù)均隨含鋼率的增大而增大。

5)基于統(tǒng)一強度理論，提出了方鋼管鋼纖維再生混凝土短柱的軸壓承載力計算方法，計算結(jié)果與試驗實測數(shù)據(jù)符合較好，可在工程設(shè)計時采用。