方钢管再生混凝土组合短柱的承载力计算方法探讨

纵 超 （华侨大学厦门工学院，福建 厦门 361000）

0 前 言

目前，对普通钢管混凝土短柱的轴压承载性能的研究已经比较深入了，但是对于钢管再生混凝土组合短柱的研究仍然少见报道，尤其是关于钢管再生混凝土组合短柱的承载性的研究更是非常有限。实验表明，再生混凝土的取代率对于方钢管再生混凝土轴压短柱的承载性能有很大的影响，随着再生混凝土取代率的提高，核心混凝土强度不断降低，而方钢管再生混凝土组合短柱的轴压承载力也是呈降低的趋势。因此在推导方钢管—再生混凝土轴压短柱的承载公式的时候必须引入混凝土取代率这个参数。同时，套箍系数也是影响方钢管再生混凝土轴压承载力的一个重要因素。随着套箍系数的增加，核心混凝土的强度随之增加，因而方钢管—再生混凝土的承载力也随之增加。本文结合已有的各国的规范当中关于普通混凝土短柱轴压承载力的计算方法，并考虑到再生混凝土取代率及套箍系数的影响，探讨方钢管再生混凝土组合短柱的轴压承载力的计算方法。

1 国内外研究概况

日本、美国和欧洲等发达国家对废弃混凝土资源化的研究较早,主要集中在对再生骨料和再生混凝土基本性能的研究上,并已有成功应用于刚性路面和建筑结构的例子。 近年来,国内的一些专家学者在这方面进行了一些基础性研究,并在住宅楼中初步应用再生混凝土。研究结果表明：与相同配合比的天然骨料混凝土相比,再生混凝土具有水灰比大、表观密度小、孔隙多、强度和弹性模量低、收缩和徐变大、流动性差等缺点,且技术上缺少较完善的再生骨料和再生混凝土技术规程或标准,因此还只能在一些次要结构或非承重结构中应用,极大地阻碍了再生混凝土在实际结构中的应用。此外,与普通混凝土相比,再生混凝土具有自重轻、导热系数小和脆性低等优点。通过对国内外大量文献的分析与研究,对各国再生混凝土技术开发与研究的进展进行了综述,主要包括：再生骨料的生产工艺；再生混凝土的配合比；再生混凝土的物理性能；再生混凝土耐久性；再生混凝土抗拉强度、抗压强度、坍落度、表观密度等基本性能及再生混凝土结构的性能等。同时，提出了再生混凝土结构技术需要进一步研究的课题。

Konno[1][2]等研究了钢管约束再生混凝土构件的力学性能,并与钢管约束普通混凝土构件进行了比较,进行了理论分析。试验共进行了包括钢管约束普通混凝土在内的10 个试件的研究,混凝土的强度从17.2MPa～49.7MPa。 研究结果表明,钢管约束再生混凝土构件的力学性能与钢管约束普通混凝土类似,且具有良好的延性,但该类构件在刚度和承载力方面有降低的趋势,分析认为主要原因是再生混凝土的强度和弹性模量都低于相同配合比的普通混凝土。

福州大学杨有福教授[3]课题组为了全面考察钢管再生混凝土构件在一次加载下的静力性能,先后做了一系列的试验研究,包括钢管混凝土轴压短柱试验、圆钢管再生混凝土柱试验、钢管再生混凝土纯弯构件试验,分析比较了方形截面和圆形截面在不同的粗骨料取代率下, 钢管再生混凝土的荷载-变形关系、强度承载力以及柱的偏心矩、梁的弯矩和扰度等因素的变化规律。研究表明，钢管再生混凝土构件与钢管普通混凝土构件的力学性能类似，但由于再生混凝土的强度和弹性模量低于相同配合比的普通混凝土， 致使钢管再生混凝土构件的承载力、轴压短柱弹性模量和纯弯构件刚度均低于相应的钢管普通混凝土构件。另外长期荷载作用下钢管再生混凝土构件的变形特性试验[4]的结果表明，钢管再生混凝土中核心再生混凝土的收缩变形特性和长期荷载作用下的纵向变形随时间变化规律，与相应钢管普通混凝土类似,但其值总是前者高于后者。

吴波等[5]通过17 根试件的轴压试验,考察钢管再生混合短柱与钢管混凝土短柱的7d 和28d 轴向受力行为,比较二者的刚度、强度和延性。根据国内外钢管混凝土结构设计标准,对试件的抗压承载力进行计算,基于计算结果与试验结果的对比,建议钢管再生混合短柱的抗压承载力计算公式。研究结果表明：①虽然钢管再生混合短柱采用了32%～35%的废弃混凝土,但其轴向受力性能却与全现浇钢管混凝土短柱相当；②根据我国标准JCJ 01-89 给出的钢管再生混合短柱的抗压承载力计算结果，与试验结果吻合较好。

2 各国规范中普通混凝土柱的计算方法

目前国内外已有多本规范规定了方、矩形钢管混凝土试件承载力的验算方法，如美国ACI(2002)[6]、日本AIJ(1997)[7]、英国BS5400(1979)[8]、欧洲EC4(1994)[9]以及我国工程建设标准化协会标准《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 195：2004)[10]和福建省工程建设标准《 钢管混凝土结构技术规程》(DBJ13-51-2003)[11]。

①美国ACI(2002)和日本AIJ(1997)规程，采用了相同的计算公式计算方、矩形钢管混凝土的轴压承载力：

式中：f'c为混凝土圆柱体抗压强度。

②BS5400(1979)中采用混凝土立方体试块强度fw计算试件的极限承载力：

③EC4(1994)提供了下述钢管混凝土柱的轴压承载力：

④《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 195：2004)采用如下的承载力计算公式：

⑤在《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ13-51-2003)中，约束效应系数ζ 被用来描述钢管混凝土二者之间的相互作用，其定义为：

该规程认为，钢管混凝土是一种组合材料，采用统一理论计算其承载能力，其组合截面的轴压强度可表示为：

式中：Asc为钢管和混凝土二者的截面面积之和，Asc=As,t+Ac;fscy为方形或矩形钢管混凝土的组合轴压强度，按下式计算：

从以上各国规范（规程）中可以发现，各个国家给出的计算公式有所不同，利用上述公式对表1 中的试件进行了计算，所的结果与试验值比较见表2。

文献[13]中方形钢管混凝土试件一览表 表1

仔细分析各国规范或规程，可见这些计算公式是有一定差异的。一部分公式只是混凝土和钢管两种材料承载力的简单加和，如AIJ(1997)、ACI(2002)、EC4(1994)、BS5400(1979)以 及CECS195：2004(2004)给出的组合构件的计算公式。这些公式没有考虑两种材料的组合效应， 使得计算出来的承载力的值偏小，在我国的《钢管混凝土结构技术规程》（DBJ13-51-2003）中提出了约束效应系数ζ 这个概念， 考虑了两种材料的组合作用，更加准确的反映组合构件的极限承载力。

3 方钢管-再生混凝土组合短柱轴压承载力计算方法

通过对各国规范（规程） 的比较， 可知DBJ13-51-2003(2003)中关于钢管混凝土的计算公式能够较为准确的预测构件的轴压承载能力，本文将根据规程DBJ13-51-2003(2003)给出方钢管再生混凝土组合短柱的轴压承载力的实用计算方法。因为方钢管再生混凝土与普通钢管混凝土的不同在于内填混凝土的差异，两者的约束效应相似，因此暂假设两者约束效应系数相同，只考虑混凝土取代率对于方钢管再生混凝土组合短柱的影响，与式（7）相对应，定义，根据文献[12]中实验数据回归的公式代入规程DBJ13-51-2003(2003)的轴压计算公式，可得：（1.18+0.85ζ）1-0.28r+0.08r2）=NDBJ·（1-0.28r+0.08r2）。本式形式简单，公式能很好地反映方钢管再生混凝土组合短柱的轴压承载力。

4 小 结

本文对比了各规范的相应公式，对于普通矩形钢管混凝土短 柱ACI(2002)、AIJ(1997)、BS5400(1979)、EC4(1994)以 及CECS195：2004(2004)都是简单的将钢管和混凝土单独作用时的承载力相加，并未考虑钢管和混凝土间的组合作用，其计算结果显然较实际承载能力偏小， 明显偏于保守；DBJ13-51-2003(2003)引入约束效应系数ζ，ζ 用来描述钢管混凝土二者之间的相互作用。根据规程DBJ13-51-2003(2003)给出钢管混凝土组合短柱的轴压承载力的计算公式，并结合已有文献关于承载力的计算方法，给出了方钢管再生混凝土组合短柱的实用计算公式。

极限强度计算结果与试验结果[13]对比 表2

[1]Konno K,Sato Y,Uedo T,et al.Mechanical property of recycled concrete under lateral confinement[J].Transactionsof the Japan Concrete Institute,1998(3).

[2]Konno K,Sato Y,Kakuta Y,et al.Property of Recycled Concrete Column Encased by Steel Tube Subjected to Axial Compression.Transactionsof the Japan Concrete Institute,1997(2).

[3]杨有福.钢管再生混凝土构件力学性能和设计方法若干问题探讨[J].工业建筑,2006(11).

[4]Yang Y F,Han L H,WuX.Concrete shrinkage and creep in recycled ag-gregateconcrete-filled steel tubes[J].Advancesin Structural Engineering,2008(4).

[5]吴波,刘伟,刘琼祥,许喆.钢管再生混合短柱的轴压性能试验[J].土木工程学报,2010(2).

[6]ACI 318-99,2002.Building code requiremts for structural concrete and commentary[s].Farmington Hills(MI),American Concrete Institute,Detroit,U.S.A.Aitcin PC.High-performanceconcrete[M].Eand FNSpon,London,2001.

[7]Architectural Institute of Japan(AIJ).Recommendations for Design and Construction of Concrete Filled Steel Tubular Structures.Oct.1997.

[8]British Standards Institutions,1979.BS5400,Part 5,Concreteand compositebridges[s].London,U.k.

[9]EC4,Design of Steel and Concrete Structures,Partl.1,General Rules and Rules for Building.DD ENV 1994-1-1:1996.British Standards Institution,London WIA2BS.

[10]CECS159：2004,矩形钢管混凝土结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2004.

[11]DBJ13-51-2003，钢管混凝土结构技术规程[S].2003.

[12]杨有福.钢管再生混凝土构件荷载-变形关系的理论分析[J].工业建筑，2007(12).

[13]陶忠,于清.新型组合结构柱—试验、理论与方法[M].北京：科学出版社,2006.