钢管再生混凝土短柱偏压性能实验

张卫东, 王振波, 丁海军

( 1. 宿迁学院 建筑工程系，江苏 宿迁 223800； 2. 南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 210009 )

0 引言

钢管再生混凝土是将再生混凝土灌入钢管中形成的，具有钢管混凝土的一系列的优点：一方面核心混凝土的存在可以增强钢管管壁的局部稳定性；另一方面钢管使核心混凝土处于三向受力状态，具有套箍作用，从而使核心混凝土具有比普通混凝土更高的抗压强度和变形能力[1-2].与普通混凝土相比，再生混凝土骨料表面粗糙、收缩率增大和弹性模量偏低，从而使钢管再生混凝土与钢管普通混凝土柱在力学性能上存在一定差异[3].

有关钢管再生混凝土力学性能的研究较少.杨有福,Yanagibashi K等[4-6]研究不同取代率的方钢管和圆钢管再生混凝土短柱的轴压性能究，与Konno K和Sato Y[7-8]得到相同研究结论.在工程中，钢管混凝土大多处于弯矩和轴力共同作用下，有关研究更少，从而影响钢管再生混凝土的发展.笔者分析不同取代率的钢管再生混凝土偏压短柱的力学性能，为钢管再生混凝土研究提供参考.

1 实验

1.1 材料性能及试件

再生混凝土的骨料是结构实验室废弃的混凝土立方体试块经过破碎后形成的，水泥为淮河牌32.5级普通硅酸盐水泥，混凝土采用强制式搅拌机拌和，每种取代率的再生混凝土各准备3个标准立方体试块.混凝土的抗压强度和弹性模量见表1.

表1 每立方米再生混凝土的质量配比及力学性能

注：ZP为再生粗骨料取代率.

钢管为直缝圆钢管，按照GB/T 228-2002《金属拉伸实验方法》，通过拉伸实验测得钢材抗拉强度(见表2).试件一端用厚度为10 mm、长度为200 mm的方形钢板焊接封固作底板.

在浇筑再生混凝土时，将钢管竖立，从顶部分层灌入，每次深度约为1个钢管直径，并利用插入式振捣棒进行振捣.试件养护方法为标准养护.7 d后凿去混凝土表面浮浆，用高强环氧砂浆将混凝土表面与钢管表面抹平，硬化后将试件表面打磨平整；然后焊上钢板，保证加载初期钢管与核心混凝土能共同受力.试件基本数据见表2.

表2 试件基本数据

注：D为钢管外径；t为钢管壁厚；L为钢管长度；试件初始偏心率为0.19；ZP-50%表示取代率为50%.

1.2 加载装置与过程

采用最大加载能力为500 t的电液伺服压力实验机进行加载.试件两端采用铰支座，通过设置辊轴控制试件的弯曲方向.为了准确测量试件的变形，在每个试件中截面外钢管4个方向的表面处贴纵、横各4片应变片，同时在试件弯曲平面内沿柱高设置3个位移计，以测量试件在加载过程中的侧向挠度变化[4-10].

实验采用分级加载制度.在达到预估极限荷载的75%前，每级荷载为预估极限荷载的1/15～1/10，每级荷载持续时间约为2 min；接近破坏荷载时改为慢速连续加载，直至实验结束.

2 结果分析

2.1 破坏过程

代表性试件的荷载(N)与中点侧向变形(f)的关系曲线见图1.由图1可以看出，加载初期钢骨再生混凝土试件的侧向挠曲变形较小，随着荷载的施加，试件的侧向挠曲变形逐渐增大.当荷载接近极限荷载时，侧向变形增长速度快于荷载的增长速度；达到极限荷载后，试件承载力的下降速度和变形随取代率的增大而增大.试件破坏时中部伴有局部鼓曲发生，取代率越大，局部屈曲出现越早，鼓曲现象越严重.卸载过程中，试件具有回弹现象.

与普通钢管混凝土偏压构件的荷载与挠度曲线对比，钢管再生混凝土偏心受压构件受力过程与钢管普通混凝土构件相似，可以将构件的受力过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段.

在长细比和偏心率等参数不变的条件下，弹性极限荷载随核心部分再生混凝土粗骨料取代率(ZP)的增加而降低，钢管再生混凝土构件弹性极限承载力约为普通钢管混凝土构件的78%，钢管再生混凝土构件的弹性阶段时间明显短于普通钢管混凝土构件.破坏阶段随着取代率增大，荷载下降越快，且侧向变形增大越迅速.

2.2 破坏形态

偏压试件荷载(N)与纵向应变(ε)关系曲线见图2.由图2可以看出：普通钢管混凝土试件与钢管再生混凝土试件的荷载-应变曲线是有一定区别的.普通钢管混凝土试件在加载初期，7号应变开始先为负值(受压)，然后为正值(受拉)，所有再生混凝土构件的7号应变从开始加载到试件的破坏阶段始终为正值.

图1 试件N-f关系曲线

核心部分的再生混凝土在养护过程中纵向和横向的收缩变形大，导致核心部分再生混凝土与钢管内壁分离，它们之间形成较大的缝隙，使得构件横截面刚度降低，从而使钢管再生混凝土构件在荷载初期犹如空钢管构件一样，远离偏心的一侧始终处于受拉状态.对于普通钢管混凝土构件，由于混凝土与钢管内壁的粘结作用，构件整体性好，横截面刚度较大，加载初期承受压力.

图2 试件N-ε关系曲线

在弹性阶段，不同再生混凝土取代率的钢管再生混凝土偏压试件曲线基本重合，均为直线，但钢管再生混凝土偏压试件曲线比普通试件短，对应的荷载为普通试件的70%～80%.当试件荷载达到比例极限时，曲线不再保持线性关系，应变增长速度高于荷载增长速度，表明试件进入弹塑性变形阶段.在同级荷载作用下，再生混凝土构件中部钢管壁上的纵向应变要大于普通混凝土构件的，曲线直线段的斜率随再生粗骨料取代率的增加而变小.

图3 试件N-η关系曲线

3 取代率对试件承载力的影响

实验中共有5组具有相同截面参数， 每组为3个相同取代率的试件，取代率分别为0%，25%，50%，75%，100%.偏压试件的承载力(N)与取代率(η)的关系曲线见图3.由图3可以看出，取代率对试件承载力有较大影响，表现为承载力随取代率的增大而逐渐下降.当取代率低于25%时，偏压试件承载力与普通试件相比下降较为迅速；随着取代率的进一步增加，承载力下降速度较为缓慢；当再生混凝土的取代率为100%时，偏压承载力下降系数最大不超过20%.

核心混凝土和钢管以轴压刚度之比承受纵向压力，同时钢管借助内填混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，延缓钢管局部屈曲[11].

随取代率提高，钢管再生混凝土短柱偏压承载力下降原因主要有：(1)再生混凝土的强度、弹性模量、刚度低于普通混凝土，导致钢管承受更大的荷载，较快达到屈服强度.(2)再生骨料含有一部分老水泥砂浆,其表面孔隙特征和吸水特性等与天然骨料存在很大差异,导致中低强度的再生混凝土的干缩率比普通混凝土的大得多,且随着取代率的增大而增大[12]，进而核心混凝土与钢管之间缝隙越来越大，不能有效支撑钢管壁，引起钢管提前发生局部屈曲，降低钢管的刚度，进而降低钢管再生混凝土柱的偏压承载力.

4 结论

(1)钢管再生混凝土构件的偏压破坏形态与普通钢管混凝土构件相似，经历弹性、弹塑性、破坏阶段.

(2)钢管再生混凝土构件的荷载—应变曲线的弹性阶段时间比普通构件的短，在相同应变下钢管再生混凝土构件的承载力低于普通钢管混凝土构件；在相同荷载作用下，钢管再生混凝土构件的变形大于普通钢管混凝土构件的，刚度低于普通钢管混凝土构件的.

(3)钢管再生混凝土偏压构件的实测极限荷载随再生粗骨料取代率的增加而降低，取代率为100%时降幅约为20%.随着取代率的增大，再生混凝土强度、弹性模量降低和收缩率增大，说明取代率是影响试件承载力的主要因素.